壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討 趙 利 平 （首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山０６３２００） ［摘 要］：隨著我國碳達峰 和碳中和 目標(biāo)的提出，意味著高能耗企業(yè)......
壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討
（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山０６３２００）
［摘 要］：隨著我國“碳達峰” 和“碳中和” 目標(biāo)的提出，意味著高能耗企業(yè)不僅要為能源直接消耗買單，還要為超標(biāo)的碳含量買單。壓縮空氣具有潔凈、易調(diào)節(jié)、輸送便捷的特點，因此被廣泛使用，據(jù)不完全統(tǒng)計，空氣壓縮機用電量占全國發(fā)電總量的９５％ ～１０％，在工業(yè)領(lǐng)域空壓機占企業(yè)用電的１０％ ～３５％之間，個別行業(yè)占比６５％之多。從壓縮空氣零放散、壓縮空氣系統(tǒng)降壓運行、優(yōu)化控制系統(tǒng)出發(fā)，對影響壓縮空氣節(jié)能潛力進行探討，以適應(yīng)當(dāng)下的節(jié)能減排要求。
［關(guān)鍵詞］：壓縮空氣；零放散；降壓運行；控制
文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０４－００５６－０４
節(jié)能降耗、高效環(huán)保是目前乃至將來世界經(jīng)濟發(fā)展的趨勢和潮流，因此眾多的鋼鐵企業(yè)把深挖設(shè)備技術(shù)潛力、減少能源消耗、降低生產(chǎn)運營成本、開展節(jié)能增效作為企業(yè)發(fā)展和生存的根本。在鋼鐵企業(yè)中壓縮空氣是必不可少的能源介質(zhì)，空壓機的電力消耗巨大，因此如何科學(xué)管理壓縮空氣系統(tǒng)、降低空壓機能耗，已成為各大鋼鐵廠能源管理人員和技術(shù)操作人員研究的熱點問題之一。
某大型鋼鐵公司設(shè)計年產(chǎn)鐵１３４７萬噸、鋼１３７０萬噸、鋼材１３４０６萬噸，配套有７座空壓機站，按照相對集中的供氣模式分布，根據(jù)用能負(fù)荷，在主要用戶附近就近建立空壓機站。其中包括２７臺流量２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ、壓力０.８５ＭＰａ儀表用空壓機，４臺流量１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ、壓力０.８５ＭＰａ儀表空壓機；５臺流量４００Ｎ· ｍ３／ｍｉｎ、壓力０.５５ＭＰａ煉鋼連鑄霧化空壓機，壓縮空氣系統(tǒng)日總耗電量為１３０萬ｋＷ，占公司日總用電比例約為５％，本文以某大型鋼鐵公司壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用實例展開探討，供同行業(yè)參考。
２ 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能分析及應(yīng)用
某大型鋼鐵公司現(xiàn)裝備連鑄機４臺，每臺鑄機２流，共計８流。板坯規(guī)格為：１＃、２＃鑄機規(guī)格相同（分０～１９段），２１５０ｍｍ；３＃、４＃鑄機規(guī)格相同（分０～１９段），１６５０ｍｍ，每臺鑄機設(shè)計拉速０.３～２.３ｍ／ｓ。連鑄霧化壓縮空氣使用的是由能源與環(huán)境部煉鋼空壓機站提供的普通壓縮空氣（壓縮空氣含水），其中１＃、２＃鑄機設(shè)計壓縮空氣平均使用量為３７３Ｎ· ｍ３／ｍｉｎ，最大使用量為４３４Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，３＃、４＃鑄機設(shè)計壓縮空氣平均使用量為３１７Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，最大使用量為３６５Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ。隨著鋼品種結(jié)構(gòu)調(diào)整，連鑄工藝變化，連鑄用壓縮空氣所需用量減少，實際用風(fēng)量較初始設(shè)計低，通過對煉鋼作業(yè)部４臺鑄機實際用量統(tǒng)計分析，目前１＃、２＃鑄機分別對壓縮空氣需求為３２０～３８３Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，與初設(shè)基本一致；３＃、４＃鑄機目前分別對壓縮空氣需求為２１６～２８３Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，與初設(shè)需求量偏差較大。
當(dāng)３＃和４＃鑄機有一臺鑄機在線生產(chǎn)時，空壓機進入節(jié)流模式，入口導(dǎo)葉進入最小運行角度時，放散閥開至１５％ ～２５％，約８０００Ｎ·ｍ３／ｈ壓縮空氣放散；當(dāng)３＃和４＃鑄機同時澆鋼時，放散閥開至２０％ ～３５％，約１１０００Ｎ·ｍ３／ｈ壓縮空氣放散。煉鋼連鑄４臺交替運行，３臺鑄機同時生產(chǎn)平均２０ｈ／ｄ，１＃、２＃鑄機搭配３＃、４＃鑄機任意一臺設(shè)備運行時，平均放散量為９５００Ｎ· ｍ３／ｈ， 日放散量為７６０００Ｎ·ｍ３／ｄ，空壓機運行過程中存在壓縮空氣放風(fēng)情況，造成能源介質(zhì)浪費，運行電耗高的問題。
以實現(xiàn)能源價值、能源效率的最優(yōu)匹配，追求冶金企業(yè)能源流有序運行為目標(biāo)，通過研究分析決定在煉鋼空壓機站空位增加一臺額定壓力０.５５ＭＰａ，流量為２００～２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ節(jié)能型離心式空壓機，由于現(xiàn)場沒有預(yù)留機位，需要增加設(shè)備基礎(chǔ)，同時配套空氣過濾器、配電系統(tǒng)、控制系
新增空壓機投運后當(dāng)１＃、２＃鑄機任意一臺或兩臺在線運行時匹配等數(shù)量４００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機；當(dāng)３＃、４＃鑄機在線運行一臺時匹配２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機；３＃、４＃鑄機兩臺同時在線運行時匹配一臺４００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ和一臺２５０ｍ３／ｍｉｎ空壓機，根據(jù)用戶實際需求量， 匹配等流量空壓機?，F(xiàn)有４００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ功率為２４２４ｋＷ，低負(fù)荷運行時耗電量為２０００ｋＷ·ｈ，新增機組功率約１２００ｋＷ，煉
鋼連鑄４臺交替運行，３臺鑄機同時生產(chǎn)平均１５ｈ／ｄ，日節(jié)省耗電量約１２０００ｋＷ，折合人民幣５１６０元，全年經(jīng)濟效益約１８１萬元。
２.２ 儀表壓縮空氣系統(tǒng)降壓節(jié)能運行
在與同行業(yè)先進鋼鐵廠對標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，先進鋼廠儀表壓縮空氣管網(wǎng)壓力僅為５.５ｋｇｆ／ｃｍ２，而本大型鋼鐵公司儀表壓縮空氣管網(wǎng)運行壓力６.５ｋｇｆ／ｃｍ２，管網(wǎng)運行壓力高出１ｋｇｆ／ｃｍ２，據(jù)技術(shù)統(tǒng)計壓縮空氣管網(wǎng)壓力降低０.１ＭＰａ，對于成本可降低８％，節(jié)能空間較大。
通過反復(fù)研究測算及實地考察，除燒結(jié)氣力輸灰、質(zhì)檢驗部冶煉分析中心試樣輸送用氣壓縮空氣壓力需要超過０６５ＭＰａ外，其他用戶壓縮空氣用戶在管網(wǎng)壓力０.６ＭＰａ即可滿足生產(chǎn)需求，因此提出通過改變壓縮空氣管網(wǎng)運行方式，將壓縮空氣要求壓力高的生產(chǎn)單元獨立出來，單獨供氣，優(yōu)化壓縮空氣供氣模式，降低整體壓縮空氣管網(wǎng)壓力，達到節(jié)能降耗的目的，具體實施方案為：
（１）燒結(jié)空壓機站現(xiàn)有３臺２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ機組，全部給Ｂ管供氣，兩用一備，Ｂ管再專供燒結(jié)東管，保證氣力輸灰生產(chǎn)線、冶煉分析中心壓力０.６５ＭＰａ以上。
（２）增加兩組調(diào)節(jié)閥組，與公司管網(wǎng)Ａ管聯(lián)通。管網(wǎng)如圖１。
空壓機站Ｂ管單獨給燒結(jié)東管供氣，關(guān)閉藍(lán)色色圈內(nèi)的閥門。在如圖位置Ｃ處安裝調(diào)壓閥組，在專供Ｂ管壓縮機突然停車時，通過綜合管網(wǎng)快速供氣，保燒結(jié)區(qū)域用戶受影響最小。在空壓機站內(nèi)增加調(diào)節(jié)閥組，當(dāng)Ｂ管壓力高時，向管網(wǎng)供氣，減少放散。通過將燒結(jié)空壓站由２＃、３＃機單獨供燒結(jié)區(qū)域高壓管網(wǎng)，燒結(jié)１＃機出口閥有３０％高壓聯(lián)通低壓，用來保證燒結(jié)高壓管網(wǎng)壓力正常，同時從燒結(jié)高壓壓縮空氣管網(wǎng)取點引出一根管至質(zhì)檢驗冶煉分析中心，從燒結(jié)高低壓管網(wǎng)趨勢看到，此期間燒結(jié)高壓管網(wǎng)在６.３７～７.０７ｂａｒ之間，低壓管網(wǎng)在５.８～６.０ｂａｒ之間，均可以滿足高低壓用戶要求。
項目實施后節(jié)能效果立竿見影，通過降低儀表壓縮風(fēng)管網(wǎng)壓力減少了２臺２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ在線運行空壓機，通過減少空壓機在線運行臺數(shù)和時間從而達到節(jié)約電量的目的，與同期相比，上半年共節(jié)電量約２８００萬ｋＷ·ｈ，節(jié)約成本約１１２０萬元。
２.３ 壓縮空氣控制系統(tǒng)植入智能ＤＮＡ
某大型鋼鐵企業(yè)空壓機站實行無人值守定點巡視模式，將所有空壓機站數(shù)據(jù)上傳至煉鋼空壓機站，壓縮空氣控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷需要發(fā)出加／卸載命令時，系統(tǒng)只能按照原先設(shè)定好的壓力對空壓機進行加／卸載，或者通過人為經(jīng)驗對設(shè)備進行加／卸載，然而這種加卸載方式存在很多不合理的地方。例如當(dāng)管網(wǎng)壓力不能滿足用戶需求，然而此時用戶增加用風(fēng)量較少，波動范圍不大，若此時加載一臺２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機，則系統(tǒng)會存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象；若用戶用量較大，需要匹配一臺２５０Ｎ· ｍ３／ｍｉｎ空壓機，而實際啟動了一臺１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機，由于一臺１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機滿足不了生產(chǎn)需求，還需要再啟動２臺空壓機，這就會造成原本可以開一臺２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機就能滿足生產(chǎn)需求，變?yōu)殚_啟３臺１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機，這樣就會造成很大的資源浪費。而且壓縮空氣系統(tǒng)各站是獨立控制，未實現(xiàn)整個壓縮空氣管網(wǎng)的系統(tǒng)級優(yōu)化、系統(tǒng)級產(chǎn)量精細(xì)調(diào)節(jié)功能，壓縮空氣總產(chǎn)量只能通過開停機、加／卸載進行粗放調(diào)整，從而造成了能源浪費。
通過建立調(diào)度智能控制模型，采用自平衡算法來優(yōu)化調(diào)度機組的運行，它是基于容量匹配和運行時間平衡的算法。由于系統(tǒng)中設(shè)備容量存在差異，系統(tǒng)會實時計算用氣設(shè)備的需求容量，并通過調(diào)節(jié)ＩＧＶ、增投、減投或換機（用較小容量機組替換較大容量機組）進行自動容量匹配，優(yōu)化調(diào)度各設(shè)備工作時段，盡量減少無功運行。
而系統(tǒng)進行容量匹配，需要調(diào)節(jié)ＩＧＶ、增投、減投或換機時，會自動平衡各設(shè)備的運行時間，即每次開機前系統(tǒng)均比較各臺設(shè)備的運行時間，使運行時間最短的設(shè)備最先起動，運行時間最長的最先關(guān)機，從而達到均勻各設(shè)備運行時間的目的。這樣，能夠使整個系統(tǒng)設(shè)備時刻保持最佳工況，使系統(tǒng)獲得!可靠性的同時實現(xiàn)高效節(jié)能的控制效果。優(yōu)化調(diào)度控制策略原理如圖３所示。
壓縮空氣智能管控系統(tǒng)及優(yōu)化集成技術(shù)主要包括用戶末端減壓節(jié)能技術(shù)、壓縮空氣產(chǎn)量智能調(diào)控技術(shù)、壓縮空氣輸送智能匹配技術(shù)，實現(xiàn)了壓縮空氣系統(tǒng)可以根據(jù)用戶使用情況優(yōu)化調(diào)配各空壓站生產(chǎn)規(guī)模、精細(xì)化調(diào)整總產(chǎn)量，從而使各個用戶端壓力保持在穩(wěn)定而最經(jīng)濟水平，使壓縮空氣系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能，實現(xiàn)了根據(jù)用戶側(cè)壓力數(shù)據(jù)按照就近生產(chǎn)原則調(diào)節(jié)各空壓機站壓縮空氣產(chǎn)量，使用戶壓力穩(wěn)定保持在最佳水平，避免遠(yuǎn)距離輸送，使壓縮空氣系統(tǒng)在輸送環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能，在用戶側(cè)應(yīng)用末端減壓節(jié)能裝置，減少用戶壓縮空氣用量，使壓縮空氣系統(tǒng)在使用環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能。最終使壓縮空氣管網(wǎng)平均壓力由０.５８ＭＰａ下降至目前的０.５５ＭＰａ，壓縮空氣平均電耗下降０.００８ｋＷ·ｈ／Ｎｍ３，使用戶壓縮空氣使用量下降６％。
壓縮空氣節(jié)能降耗是要從整個系統(tǒng)入手，以“源頭控制、過程管控、末端治理” 的原則實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，通過優(yōu)化霧化用壓縮空氣運行模式，實現(xiàn)了霧化用壓縮空氣零放散，減少了霧化用壓縮空氣生產(chǎn)和供應(yīng)，能源消耗隨之降低；摸排生產(chǎn)用戶用能需求，提出壓縮空氣分壓力等級供能，對個別高壓用戶單獨供風(fēng)，同時對低壓儀表壓縮空氣用智能化手段撬動精細(xì)降本對新動能，實現(xiàn)了對空壓機機群智能調(diào)控。以上措施實施后，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，壓縮空氣實現(xiàn)節(jié)能減排不僅有助于降低鋼鐵行業(yè)碳排放量，也能為全社會推進節(jié)能減排做出巨大貢獻。
［１］ 張靜，王偉業(yè)，魏唐槐，安永軍．大型鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能
措施［Ｊ］．冶金能源，２０１９，（２）：１１－１３．
［２］ 周佃民．壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述［Ｊ］．上海節(jié)能，２０１０，（１０）：
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