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石化行业空压机能耗现状及节能潜力

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   1 石化行业高能耗现状
 
  1.1 石化行业高耗能设备现状
 
  石化行业既是能源生产大户也是能源消耗大户,石油加工过程中消耗大量能源。其中设备能耗是炼油化工装置能耗主要组成部分。根据中国石化 2005年的统计,中国石化2005年加工原油14879.50万吨,炼油综合能耗为68.59千克标油/吨,总能耗约合1020.58万吨标油,其中催化烧焦占31.29%,燃料气占 29.73%,电耗占18.44%,蒸汽占14.96%,燃料油占4.74%,新鲜水占0.09%,其它占2.63%,外输热量占1.88%。从上述数据可以看出,炼油企业能耗中燃料油和燃料气占第一位,其次是催化烧焦,电耗占第三位。由设备消耗转化的燃料油、燃料气、电耗、蒸汽占了67.84%。电能主要由动设备,如泵、风机、压缩机、分离机械、制冷空调等消耗,用于输送分离各类介质。总的来说,设备用能占了炼油化工装置用能的 70% 左右,提高设备及设备系统的能效是石化企业节能减排的主要途径之一。
 
  1.2 石化行业压缩机的用能问题与差距
 
  通过调研发现,我国石化行业高耗能设备与国际先进水平相比还有一定差距,节能潜力很大,以压缩机为例,主要表现在以下几个方面。
 
  (1)部分压缩机偏离设计工况
 
  通过某石化炼油分部6000V压缩机效率测算得出,压缩机匹配的电机负载率平均值是77.3%,接近下限75%,有的甚至只有41%。压缩机运行负荷偏离设计工况,动力负载率有待提高。
 
  (2)工艺用压缩机缺少能效评价方法
 
  一般动力空气压缩机,产品标准、试验方法、能效标准齐全。但节能监测方法标准系1996 年颁布实施,应根据现状进行修订。
 
  工艺用压缩机缺乏能效考核标准。由于工艺用压缩机种类繁多,型式各异,大部分功率大,难以监测,目前还缺乏能效考核标准,掌握的能效数据少,难以判断压缩机性能是否高效。
 
  (3)变负荷运行调节急待改善
 
  石化行业对于低负荷运行常采用加卸载/回气调节的方法,能耗很大,调节下来的气量相当于对于这部分做的功完全浪费了。系统低负载运行,还带来压缩空气后处理设备低效率运行。在匹配不完全合理情况下,系统的多数设备处于部分低负载的状态,能源使用效率低下现象十分严重。因此,变负荷运行调节亟待改善。典型的气动系统如图1所示。压缩空气系统能耗的96%为工业压缩机的耗电。我国工业压缩机的耗电量约占全国总耗电量的6%。
 
石化行业空压机能耗现状及节能潜力
 
  石油化工企业,空压机组上都是依靠机器原始的控制方式(自带的上下限压力控制),基本没有实现联控,只能查看单台空压机的运行参数。一般石化企业内,压缩空气主要用途有设备用气、仪表用气和制氮三类。设备用气在化工厂内主要用于用气设备,主要集中在气动泵、包装机械上,其它用途如吹扫、清洁较少,供气压力7bar,供气压力偏好,存在一定的浪费。设备用气经过除油、除水和尘埃之后,专供仪表用气,供气压力至少4.5bar。有的企业仪表用气压力设为6bar~7bar,目的就是为了防止管网中用气量突然变化,仪表用气压力瞬间降低,导致部分仪表无法正常工作(例如,FC电磁阀)。大部分企业的空压机系统规划不太合理,存在明显浪费。如果将化工企业的空压机系统能耗降下来,将大幅减少企业的耗电量。通过气动系统的节能改造,完全可以实现20%~30%的节能。
 
  1.3 石化行业压缩机节能的对策与建议
 
  绿色、清洁、低碳和循环经济将成为新的生产方式和发展方式的主导力量。2009年10月26日,国务院正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标,决定到2020年单位国内生产值二氧化碳排放Lk2005年下降40%~45%。石化企业无论从企业经营还是社会责任角度出发,均面临极大地节能减排压力,走节能环保、低碳发展之路是石化企业的基本要求。对石化行业压缩机节能的对策及建议如下:
 
  (1)企业应提高节能意识
 
  压缩机是石化行业能源消耗大户,节能减排大有潜力可挖。生产单位应提高认识,加强节能意识。
 
  (2)制定压缩机性能评价、监测方法
 
  调研中,发现缺少压缩机性能评价、监测方法。制造单位无法对生产的压缩机进行性能监测,用户使用时也无法对压缩机的性能进行监测。没有性能监测,就不能够对压缩机的效率进行精确评价,阻碍压缩机水平的提高和确定节能方向。
 
  (3)推广节能型气量负荷调节技术
 
  根据末端用气需求进行气量调节技术是一项好的节能技术,目前国外公司已经广泛使用,但是国内应用仍处于推广阶段。
 
  (4)加强对压缩机运行状态的监测
 
  在调研时发现企业对有些压缩机的运行状态参数并没有进行全方位的健康监测,例如压缩机气量调节时的回流气量,压缩机排气量与电流的对应报警等。这导致在生产运行时无法实现对压缩机运行状况,运行安全分析等全面的了解。
 
  目前,一些先进的压缩机节能技术已经逐步实现了国产化,因此这些技术在国内市场的完善、推广等工作对我国节能减排事业意义重大。
 
  2 压缩空气的成本
 
  空气来自大气,取之不尽,用之不竭,工业现场很多人都认为使用压缩空气是不需要成本的,对压缩空气成本认识极其淡薄,这是导致现场浪费的一个主要原因。
 
  工业压缩机的能耗指标通常用“比能量”来表示。比能量指标表示的是输出单位体积压缩空气所需的平均耗电量:kWh/m3(ANR)。该指标在压缩机输出压力为0.7MPa(G)时在0.08~0.12kWh /m3(ANR)范围内,数值越小,表示效率越高。压缩机的比能量因压缩机和输出压力而异。如按我国绝大多数地方的工业用电每度电费0.6元计算的话,制造1m3(ANR)压缩空气所需电费为4.8分钱~7.2分钱。
 
  除电费外,压缩空气制造成本中还有压缩机润滑油、定期保养及设备折旧费等。以年工作时间 4000小时的中型螺杆式压缩机为例,该部分成本与电费各占19%和81%。如将这部分成本也计入的话,1m3(ANR)压缩空气的实际制造成本为6分钱~9分钱。
 
  由此来看,压缩空气并不便宜,建立压缩空气成本意识是气动节能的第一步。
 
  3 压缩空气系统节能理念
 
  3.1 现有空气压缩机调节方式分析
 
  通常状况下,设计院总是根据用户用气量最大的工况来选定螺杆空压机的容积流量(用户常称排气量)。然而在使用过程中,总是因种种原因要求改变空压机的容积流量,以适应工业生产现场的运行工况。此外,从工作原理可知,属于容积式压缩机械的螺杆空压机的容积流量,不因供气管网内压力的提高而降低。因此,若不对空压机的容积流量做相应的有效调节,不但增加了功耗,在某种场合下,还有可能发生事故。所以必须设置调节控制机构,对螺杆空压机进行流量调节[1]。
 
  3.1.1 加/卸载调节
 
  加/卸载调节有时又称为“满载—空载”调节,其基本做法就是让空压机的排气压力达到某一特定压力时关闭空压机进气阀,然后在排气压力降低到一定程度时又重新打开空压机进气阀。中间间隔的时间,取决于储气罐、管道容积的大小、生产现场的用气情况及管网允许的压力波动,通常的管网压力波动范围应控制在0.1MPa范围内。
 
  上述的加/卸载调节方式调节机构简单、经济性很好,常被螺杆空压机生产厂家用于螺杆空压机的容量调节,以适应实际工况的需求。
 
  加/卸载调节方式优点明显,但其缺点亦很突出。这种容量调节方式使得供气管网内的压力在Pmin~Pmax之间来回波动,图2示出了这种管网内的压力波动特性。从运行能耗角度考虑,会带来 2个部分的能量浪费,Pmin是最低压力值,即能够保证厂家正常生产的最低压力。一般情况下,Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:Pmax =(1+δ)
 
  Pmin(1)δ是一个百分数,其数值大致在 10%~20%之间。
 
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  (1)压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量
 
  在压力达到Pmin后,加/卸载调节方式决定供气管网压力会继续上升 (直到Pmax)。这一过程中必将会消耗更多的能量,从而导致供气系统能耗的增加。请大家注意:这里的能耗损失是指供气系统中所有空压机的能耗,而不是供气系统中某台空压机的单机能耗。针对这一运行工况能耗浪费我们可采用气动功率分析。

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  式中P:气动功率[kW];pa:大气绝对压力[Pa];
 
  Qa:换算到大气状态下的体积流量[m³/s];ln:自然对数;
 
  p:压缩空气绝对压力[Pa]。
 
  例如,某工厂现有4台250kW的螺杆空压机,每台额定容积流量为43.2m³/min,工厂的平均用气量为150m³/min,空压机容积流量采用加/卸载调节方式,加载压力设置为6bar,卸载压力设置为7bar,运行能耗计算如下:由压力波动范围为6bar~7bar,可假设管网平均供气压力为6.5bar。由绝对压力7.5bar、流量150m³/min(ANR)的压缩空气的气动功率为535kW;绝对压力7bar、流量150m³/min(ANR)的压缩空气的气动功率为486kW;即由此压力波动每小时造成的能源浪费为535-486=49度电,每天就浪费了1176度电,可见浪费十分严重。
 
  上一过程 (Pmin到Pmax) 消耗的能量主要浪费在高于Pmin的气体在进入气动元件前,其压力需要经过供气管道、减压阀等减压至接近Pmin这一过程中。
 
  (2)单机卸载时调节方法不合理所消耗的能量
 
  通常情况下,当压力达到Pmax 时,空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态,同时将油气分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体做功,但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动,据经验测算,空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的30%~50%,在做无用功。很明显在加、卸载供气调节方式下,空压机电机存在很大的能源浪费。例如,250kW的螺杆空压机,每小时卸载20分钟,卸载功率为75kW,则每天就浪费了75×8=600度电。
 
  其它不足之处:频繁关闭、打开进气阀,会加速进气阀的磨损,增加维修量和维修成本;频繁采用打开和关闭放气阀,放气阀的耐用性得不到保障;频繁的加/卸载对电机带来的机械冲击。
 
  3.1.2 容调阀节流调节[3]
 
  容调阀节流调节其基本做法就是通过在螺杆空压机的吸气管上加装吸气节流阀,利用排气压力的变化自动调节进气阀的开启度对吸气进行节流,就可实现调节压缩机容积流量的目的。
 
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  从图3中可以看出,如果仅通过吸气节流使空压机“空转”运转,虽然不会排出气体,但其耗功却是满负荷时的70%左右。为了提高在调节工况下压缩机的效率,常常还需采用降低排气压力的方案。即把压缩机与最小压力阀之间的气体放空,使排气压力降到大气压力或比大气压力稍高的数值(喷油压力)。图3示出这种调节方案的特性曲线,表明在容积流量为零时,压缩机的功耗将大大减小。
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  图4示出的吸气节流和排气放的这种调节方法也被部分螺杆空压机生产厂家所应用。这种调节方式实现方法用得最多的是:使用蝶阀调节,蝶阀的调节或关闭由数码控制步进电机控制,当供气管网压力达到空压机的额定卸载压力99%时,调节阀开始工作,随着供气管网压力的上升,调节量不断增加。当空压机的排气量等于工厂的用气量时,调压保持稳定,当压力调整到工厂设定值时,气量最终能减少到空压机额定气量的60%左右。若此时供气管网压力略微升高,就触发空压机本身的控制器。然后空压机就切换到卸载控制位置,空压机放气卸载;若调压保持稳定后,若空压机的排气量小于工厂用气量时,随着排气压力的降低,控制系统发出控制信号,使得进气阀开启度逐渐增大,直到完全打开为止(空压机加载运行)。
 
  上述的容调阀节流调节方式调节机构亦不是很复杂、在小范围内能起到对螺杆空压机容量进行调节的作用,但其缺点尤为突出。这种容量调节方式在使用过程中,只有当供气管网的压力波动到接近Pmax时,容调阀才进行调节,当容量调节到额定值的60%时,若此时排气压力仍上升,需让空压机卸载运行。因此,供气管网内的压力仍会在Pmin~Pmax之间来回波动。从运行能耗角度考虑,会带来两个部分的能量浪费。
 
  (1)压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量,这一过程的能耗浪费前面已说明。
 
  (2)容量调节过程中气电比升高引起的能量浪费
 
  图4中,我们可以直接看出容量调节时,由于节流作用,降低了气体的压力和密度,故理论上可以进行连续无级地调节压缩机的流量。图3示出螺杆空压机的采用吸气节流调节时的特性曲线,理想的情况是功耗与容积流量成正比,即呈45°虚线所示。吸气节流调节的曲线与理想情况下的偏差,是由于以下两个相互制约的因素所引起的。当吸气节流时,一方面压缩机的容积流量在减小,因此其功耗下降;另一方面节流使得吸气压力降低,压比随之升高,单位气量的耗功也跟着增加。容积流量调节过程中的比功率增大,带来了额外的能源浪费。
 
  另外,值得指出的是,当采用吸气节流的调节方法时,随着压缩比升高,压缩机的排气温度也会升高。所以在无油螺杆空压机中,由于排气温度的制约,这种调节方式的应用场合有着严格的限制。只有当排气温度远远低于所允许的最大值时,才可以在无油螺杆空压机中采用这种容量调节方法。
 
  3.2 空气压缩节能理念分析
 
  要想消减压缩空气系统的能耗,必须消减压缩空气的消耗量,从而减少压缩机的耗电量。压缩空气的使用能耗可以用气动功率的积分表示。因此,如图5所示,在压缩空气使用中,减少压力、流量、时间任何一个变量,都可降低压缩空气能耗。例如,如能将压缩机输出压力从0.7MPa降低到0.6MPa,可以节约压缩机用电至少5.8%,考虑到压力降低后泄漏的减少,降压0.1MPa通常节能 8%~10%。
 
石化行业空压机能耗现状及节能潜力
 
  图5式中:
 
  Pa:大气压绝对压力
 
  Qa:换算到大气状态下的体积流量
 
  t:时间
 
  同时,节能的具体要素包括压力、流量和时间,如图6。
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  具体到压缩空气系统中三大环节(空压站、管网、末端设备),采取如下的节能措施:
 
  (1)压缩空气的产生:压缩机的合理配置与运行,供给压力的降压及运行模式优化,压缩机与空气净化设备状态的日常管理。
 
  (2)压缩空气的传送:泄漏的日常点检与最小化,接头处的压损改进,管网节点配置的合理化,耗气量分配的监测与日常管理。
 
  (3)压缩空气的使用:喷嘴的合理化,各用气节点压力及流量的合理化,机器非工作时供气的停止,分压供气,测量管路的最短化。
 
  日本在气动系统节能技术的研究和实施中,走在世界的前列。实施气动节能中的一些数据对我国具有很大的参考价值。日本企业实施气动节能的主要对象如图7所示,气动系统投资回收期如表1所示。从数据中可以看出,气源和喷嘴的节能是气动系统节能首要考虑的关键点,气动系统的投资回收期1年就可以收回67%的成本。泄露和配管的恰当处理也可以很有效地实现压缩空气的节省。
 
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  4 当前我国石油化工企业压缩空气系统存在的主要问题
 
  在当前我国用户的压缩空气系统中,能源浪费主要表现为泄露偏大、压缩机配置及运行仅以保压为目的、供给压力不合理、喷嘴低效、设备用气存在浪费、现场工人用气成本意识淡薄等问题。
 
  在泄露问题上,工厂中的泄露量通常占供气量的10%~30%,而管理不善的工厂甚至可能高达 50%。有时一个汽车组装车间的泄漏点就有2万个,其中,泄露量的90%以上来自设备使用中的零部件老化或破损。而尤为严重的是,现场管理人员远远地低估了泄漏造成的损失。比如,在供气压力为0.7MPa下的气管中一个直径1mm的泄漏小孔,每年导致的损失高达约3525度电,几乎相当于两个三口之家的全年家庭用电,如表2。加强泄漏损失意识、普及泄漏检测及预防手段是当前工作重点。当前国内一些企业在开始利用ECOSO泄露检测仪及泄露点扫描枪查漏堵漏,并已取得一些成效。
 
石化行业空压机能耗现状及节能潜力
 
  压缩机的合理配置及合理运行对节省用电非常重要。通常,为使输出压力波动小,很多压缩机采用吸气阀调节方式。这种方式在没有供气的情况下也仍需消耗40%~70%额定功率的电力,浪费较严重。为此,导入变频控制、台数控制,采用空压机房节能监控系统等措施对削减电力十分奏效。而这些在工厂的实际操作中基本都被忽略,保证压力成为大多数工厂对压缩机管理的唯一要求。
 
  另外,由于管道压力损失不确定,设备启动存在流量高峰等原因,压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2MPa~0.3MPa。而末端设备每提高0.1MPa,压缩机的耗电就提高4%~8%,造成了巨大的能源浪费。有时也会为了少数几台压力要求高的设备,而整个调高供气的压力,这在能源使用配置上极其不合理,非明智之举。
 
  喷嘴在喷气织机、制造加工的精修及机加工等工艺现场被广泛使用,其耗气量在某些产业领域达到总供气量的50%。通常,喷嘴在使用过程中存在供气管道过长、供给压力过高、用直管铜管做喷嘴等问题。另外,现场人员很容易为了追求大冲击力而擅自扩大喷嘴喷口、提高供给压力,从而造成很大的用气浪费,如图8、9。
 
石化行业空压机能耗现状及节能潜力

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  另外,在气动设备中存在用气不合理的现象也比较突出,例如确定工件是否卡到位的气体背压检测、真空发生器给气等存在不工作也不间断供气现象。尤其是化学药液槽等用于搅拌目的的用气、轮胎制造中的定型充气等,从0.7MPa的高压减压到0.1MPa~0.2MPa使用的现象非常普遍,浪费得令人痛心。从工艺上把握设备的实际需要压力和最低耗气量是使设备耗气合理化的前提。由于设备用气不合理导致的浪费平均估计为供气量的20%。
 
  以上种种问题,表明当前压缩空气系统的使用中用气浪费比较严重。用气设备的节能改造措施有:①使用新型气动喷嘴节能装置和脉冲式气枪,工件到位时喷嘴开始吹扫;②工件到位时真空发生器开始供气;③高耗能气动设备改为电动设备(工艺搅拌);④大型气缸改两节节能型气缸;⑤压缩空气满足设备最低需求压力,增加合适储气罐缓冲瞬间大的用气量;⑥在特定行业采用专业气动设备,如电解铝行业推广使用的打壳缸专用节气阀等。
 
  因此,只要对压缩空气系统开展详细调查,明确问题所在,采取合理有效的节能措施,整个系统可以实现20%甚至更高的节能效果。
 
  5 压缩空气系统节能在中国具有重大意义
 
  笔者曾对中国某橡胶企业进行气动系统节能改造,最终使工厂每单位产量压缩机耗电量削减了30%以上,如表3、图10所示。2010年初,笔者对中国某轮毂企业进行气动系统节能改造,同样实现系统节能30%以上,如表4所示。在我国如果能广泛开展气动节能活动、普及气动节能技术,每年可为国家节约用电约600亿度,折合金额360亿元,具有非常可观的经济效益和社会效益。
 
石化行业空压机能耗现状及节能潜力

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  目前,针对我国化工、化纤、纺织、汽车、橡胶、电子半导体、加工机械等制造行业的大中型企业,以降低空气压缩机能耗为目的,结合各个行业特点研究切实可行的节能技术,制定一整套行之有效、易于实施、投资回收期小的节能实施流程,将节能措施行业化、系统化、具体化、可操作化、可视化并进而规范化,可为企业的节能降耗和国家的节能目标做出应有的贡献。
 
  参考文献

  [1]邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用 [M].机械工业出版社,2000.

  [2]蔡茂林,香川利春.气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析[J].机械工程学报,2007(43):70.

  [3]孔德文 ,林惟锓.螺杆空压机容积流量调节的能耗分析[J].液压与气动,2011.
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8
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