步彬

（河北大河邯鋼設(shè)計院有限公司，河北 邯鄲 056000）

摘  要：我國壓縮空氣系統(tǒng)約有10%~35%的節(jié)能空間，如空壓機變頻改造、使用高效壓縮機、干燥器節(jié)能升級等，這些項目如果結(jié)合能源合同管理模式，可以將先進的節(jié)能技術(shù)快速地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，從而提高鋼鐵企業(yè)的技術(shù)競爭力。另外，針對鋼鐵企業(yè)周邊形成的城市熱島效應(yīng)，可以采用第二類吸收式熱泵將余熱進行回收，產(chǎn)生的高溫水可用于物料加熱和職工洗浴，甚至還能外供市政供暖，以期減輕冬季采暖污染，從而探索出鋼鐵與民生共贏發(fā)展模式。

關(guān)鍵詞：壓縮空氣；節(jié)能；能源合同管理

0  前言

為了加快碳中和進程，向創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供動力，我國頒布了“十四五”規(guī)劃，鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的任務(wù)形勢較為嚴(yán)峻，需要在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)提高能源的利用效率。壓縮空氣由于安全、潔凈、易輸送的特點，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，成為冶金行業(yè)里僅次于電力所消耗的動力源。根據(jù)壓縮機行業(yè)的統(tǒng)計資料，壓縮空氣耗電量約占工業(yè)總用電量的9%^[1]，約為4000 億千瓦時，可謂是工業(yè)電能的消耗大戶。近年來，國內(nèi)外都在積極開發(fā)壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能研究，認(rèn)為壓縮空氣系統(tǒng)存在著15%~30%的節(jié)能空間^[2]，對于中國而言意味著近300 億元的新興市場，如何有效降低空氣能耗成為適應(yīng)國策的朝陽產(chǎn)業(yè)。針對上述問題，本文以能源合同管理模式為契機，開展壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能分析與研究，通過專家平衡管理方式降低系統(tǒng)能耗，并且探索空壓機壓縮熱的高效利用模式，從而追求鋼鐵生產(chǎn)與改善民生的共贏發(fā)展模式。

1  壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能研究與應(yīng)用

根據(jù)行業(yè)調(diào)查分析，壓縮空氣系統(tǒng)運行五年的費用主要由三大部分組成，設(shè)備投資占據(jù)總費用的5%，設(shè)備維護費用約為18%，運行電能消耗約為77%^[3]。由此可見，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能研究，應(yīng)側(cè)重于生產(chǎn)運行方面。

圖1 壓縮空氣系統(tǒng)工藝流程示意圖

Fig.1 The schematic diagram of air station's process flow

1.1 壓縮空氣系統(tǒng)的能源合同管理模式

能源合同管理（Energy Performance Contracting, 簡稱EPC)，是一種基于節(jié)能項目的投資管理模式，由節(jié)能服務(wù)公司提供前期資金投入和全過程服務(wù)，在客戶的產(chǎn)業(yè)鏈上進行設(shè)備改造和節(jié)能服務(wù)的項目，合同期間按照文書約定的比例定期分享節(jié)能收益，即客戶以減少的能源消耗費用來支付項目合同成本^[4]。

在壓縮空氣領(lǐng)域中，有很多項目可以開展能源合同管理模式，諸如空壓機變頻改造、高效空壓機的更替使用、壓縮機余熱回收、干燥器節(jié)能降耗升級、循環(huán)水節(jié)能泵安裝和系統(tǒng)專家平衡管理等。該模式一方面可以解決企業(yè)目前普遍面臨著的流動資金不足的現(xiàn)狀，另一方面能夠吸收先進技術(shù)迅速實現(xiàn)節(jié)能收益。河北鋼鐵集團在這方面取得了一定的成效，例如在邯鋼西區(qū)能源中心開展的新型干燥器能源合同管理模式。

該廠冶煉鋼軋空壓站共設(shè)有9臺大型空壓機，配備了微熱再生式干燥器進行除濕處理，每臺干燥器再生時消耗氣量約占空壓機額定產(chǎn)量的12%，此外還需消耗電能對已冷卻的壓縮空氣進行再加熱處理，加上每年消耗掉的大量分子篩氧化鋁等濾料，壓縮空氣系統(tǒng)的運行成本高居不下。為此，結(jié)合新研發(fā)的零自耗壓縮熱再生式干燥器，通過能源合同管理模式吸收市場資本，淘汰落后的高耗能干燥器，每年可以降低空壓機運行成本約600余萬元。

圖2 節(jié)能型干燥器工藝流程示意圖

Fig.2 The schematic diagram of energy-saving dryer

2.2  壓縮空氣系統(tǒng)余熱的回收再利用

目前，壓縮空氣冷卻循環(huán)水多采用濕式冷卻塔進行降溫，會產(chǎn)生排污損失、蒸發(fā)損失和飄水損失，該部分損失約占冷卻循環(huán)水量的1%~3%^[5]。另外，循環(huán)水冷卻時會將熱量直接排放至大氣中，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)附近環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，加劇了城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island effect，簡稱UHI）^[6]。

空氣壓縮機需要冷卻處理的循環(huán)水一般不會超過50℃，屬于低于60℃的溫水，工業(yè)中能夠利用這部分溫水的用途較少。但是，對于這部分熱量可以利用第二類吸收式熱泵（Absorption Heat Transformer，簡稱AHT）進行采集 ^[7]，通過消耗少量電能或者蒸汽作為驅(qū)動熱源，產(chǎn)生大量的100℃高溫水用于加熱物料、職工洗浴和食堂烹飪等，甚至在北方還可以連接至市政供暖管道，用以減少燃煤采暖造成的大氣污染。

另外，采用第二類吸收式熱泵，空氣壓縮機的冷卻水能夠形成閉路循環(huán)，一方面可以避免濕式冷卻塔帶來的各種損失，另一方面可以有效地降低循環(huán)水泵的功耗。采用濕式冷卻塔方式，循環(huán)冷卻水直接與大氣接觸，飛蟲飄絮容易混入系統(tǒng)并滋生藻類，需要定期添加藥劑和排污，同時循環(huán)水泵除了克服管路摩擦阻力外還需要額外提供上塔高度勢差做功。

圖3空壓站冷卻循環(huán)水余熱回收工藝流程示意圖

Fig.3 The schematic diagram of heat recovery process for air station’s cooling circulating water

H_{濕式冷卻塔的水泵揚程}＝AB段阻力＋換熱器阻力＋CD段阻力＋DE段阻力＋h (m)

H_{第二類吸收式的水泵揚程}＝AB段阻力＋換熱器阻力＋CD段阻力＋DE段阻力＋EF段阻力＋蒸發(fā)器阻力 (m)

涼水塔的高度勢差往往占水泵出口壓力的50%以上，并且高度勢差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新增加的阻力損失，由此可見采用第二種吸收式熱泵后，空壓機的循環(huán)水泵功耗會得到較大幅度的降低。

圖4 空壓站冷卻循環(huán)水泵做功對比示意圖

Fig.4 The contrast diagram of cooling water pump power

通過工程熱力學(xué)的相關(guān)計算，可以得出三級壓縮離心式空壓機的交換熱量約占電耗的79%。以年產(chǎn)500萬噸鋼鐵企業(yè)為例，需要消耗0.8MPa清潔壓縮空氣量約為150000Nm³/h，電機總消耗功率約為16000kWh，同時可伴隨著產(chǎn)生約有12640kW的換熱量需要通過冷卻循環(huán)水來進行降溫。

    （1）

P_t,n—壓縮機的技術(shù)功，kw。

n—氣體多變壓縮的多變指數(shù)，取n=1.3。

T₁—壓縮前氣體的絕對溫度，K。

p₁—壓縮前氣體的絕對壓力，Pa。

p₂—壓縮后氣體的絕對壓力，Pa。

R_g—空氣的氣體常數(shù)，取Rg=0.287 kJ/(kg•K)。

q_m—壓縮機的處理能力，kg/s。

Q_s—壓縮機通過換熱器向冷卻循環(huán)水交換的熱量，kW。

C_p—定壓比熱，取Cp=1.004 kJ/(kg•K)。

T₂—壓縮后氣體的絕對溫度，K。

T₃—壓縮后氣體通過換熱器后的絕對溫度，K。

該部分散熱量若通過第二類吸收式熱泵采集可以產(chǎn)生約121t/h的80~100℃高溫水，按照城鎮(zhèn)住宅60w/m²的采暖指標(biāo)設(shè)計，可以供應(yīng)建筑面積高達(dá)84300m²的城鎮(zhèn)居民使用。

COP—第二類吸收式熱泵的供熱性能系數(shù)。

Q_w—第二類吸收式熱泵用于提高水溫的熱量，kW。

Q_z—第二類吸收式熱泵用于驅(qū)動熱源的熱量，kW。

C_w—水的比熱，取Cp=4.1868 kJ/(kg•K)。

tw₁—高溫水的回水溫度，℃，一般可取tw1=80℃。

tw₂—高溫水的供水溫度，℃。

q_m—高溫水的流量，kg/s。

2.3  壓縮空氣專家平衡管理系統(tǒng)

壓縮空氣是一種高品質(zhì)的能源介質(zhì)，它的原料雖然廉價，但是制作成本相對昂貴，壓縮機消耗的電能僅有不到20%是用于提升空氣的勢能，其余均為機械摩擦或熱量消耗。因此，企業(yè)在建設(shè)規(guī)劃中，應(yīng)梳理壓縮空氣用戶，對于可以采用電動裝置的工藝應(yīng)盡量減少氣動設(shè)施使用，以期避免高階資源的低層次利用。目前，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)仍然采用粗狂式的能源供應(yīng)方式，即用戶隨著生產(chǎn)形勢變化可以任意調(diào)節(jié)介質(zhì)用量，而能源供應(yīng)單位則必須無條件保證其生產(chǎn)使用，因此為了保證壓力穩(wěn)定勢必會提高整個系統(tǒng)的冗余下限值。根據(jù)阿特拉斯公司的資料，空氣壓縮機每提升0.013MPa壓力需要增加能耗1%，輸出壓力每降低0.1MPa則減少耗能5%～6%^[8]，由此看見，較高的系統(tǒng)冗余下限會帶來相當(dāng)大的資源浪費。

針對上述情況，可以將壓縮空氣的氣源、輸送網(wǎng)絡(luò)和用戶視作一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈，利用工業(yè)自動監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，依靠數(shù)字技術(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化控制，結(jié)合峰谷用量預(yù)判經(jīng)驗形成一個壓縮空氣專家平衡管理系統(tǒng)。它的核心理念是先由能源供應(yīng)單位、生產(chǎn)一線用戶和數(shù)控專業(yè)人員組成專家團隊，對氣源、輸送網(wǎng)絡(luò)和用戶進行系統(tǒng)優(yōu)化，然后利用在線檢測裝置對系統(tǒng)用氣壓力、流量等參數(shù)進行采集，通過計算機軟件的分析歸納設(shè)定系統(tǒng)的最佳運行點。同時，還需要根據(jù)各用戶生產(chǎn)計劃或者系統(tǒng)日常運行趨勢預(yù)判性地執(zhí)行開停機或加卸載操作，以最小的系統(tǒng)冗余下限來保證生產(chǎn)使用，從而降低壓縮空氣系統(tǒng)的運行成本。

圖5 壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)壓力平衡前后對比示意圖

Fig.5 The contrast diagram of air pipe network’s pressure balance

氣源的優(yōu)化應(yīng)根據(jù)空壓站規(guī)模和使用情況而定。一般來講，空壓站內(nèi)除了配置相同規(guī)格的空壓機組外，還需設(shè)置一臺小型的變頻機組，其產(chǎn)能應(yīng)為大型機組的50%~80%，用于平抑系統(tǒng)壓力波動變化。為了避免匯流母管上末端設(shè)備的憋壓現(xiàn)象，各空壓機應(yīng)采用斜三通匯流至并聯(lián)管路上。同時，廠房內(nèi)還應(yīng)加強通風(fēng)降溫，相關(guān)試驗顯示環(huán)境溫度每提升11℃，壓縮機做功效率就會下降3%^[9]。需要注意的是，每種規(guī)格的空壓機都有特定的性能曲線，額定工況下運行效率最高，一味追求降低供應(yīng)壓力反而會使空壓機做功效率下降。此外，還應(yīng)當(dāng)加強輸送管網(wǎng)和用戶泄漏量的檢查。當(dāng)空氣壓力為0.7MPa時，供氣管道上1mm孔洞的泄漏量為1.5L/s，相當(dāng)于壓縮機損耗增加0.4kW^[10]，而工業(yè)壓縮空氣泄漏率一般在5%以上，由此可見減少系統(tǒng)泄漏量對于壓縮空氣系統(tǒng)仍然有較為可觀的節(jié)能空間。

3 結(jié)  論

通過壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能研究與應(yīng)用，以能源合同管理模式為契機迅速打開節(jié)能市場，不僅能夠幫助鋼鐵企業(yè)消化吸收先進的節(jié)能技術(shù)，還有助于促進我國“十四五”節(jié)能減排工作順利完成。另外，回收空壓機余熱用于民用公益事業(yè)，既可以實現(xiàn)減少能耗的低碳綠色生產(chǎn)模式，又可以改善鋼鐵企業(yè)周邊的城市熱島效應(yīng)，從而探索出一條鋼鐵與民生協(xié)同共贏發(fā)展模式。

（1）通過能源合同管理模式，利用節(jié)能服務(wù)公司的技術(shù)和資金，迅速將先進的節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，促進企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能改造進程，提升鋼鐵企業(yè)的技術(shù)競爭力。

（2）采用第二類吸收式熱泵對空壓機的壓縮余熱進行回收，產(chǎn)生的高溫水可用于物料加熱、食堂烹飪和職工洗浴，甚至還可以將其連接至市政供暖管道，減少北方城市燒煤取暖造成的大氣污染。

（3）依靠壓縮空氣專家平衡管理系統(tǒng)，對氣源、輸送網(wǎng)絡(luò)和用戶進行系統(tǒng)優(yōu)化，通過預(yù)判性平衡管理降低系統(tǒng)的冗余下限值，從而提高空壓機做功效率，整體降低壓縮空氣系統(tǒng)能耗指標(biāo)。

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