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，以適應當下的節(jié)能減排要求。
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)把深挖設備技術潛力、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操作人員研究的熱點問題之一。
某大型鋼鐵公司設計年產(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，實際用風量較初始設計低，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，與初設需求量偏差較大。
當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，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)場沒有預留機位，需要增加設備基礎，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，關閉藍色色圈內(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)場負荷需要發(fā)出加／卸載命令時，系統(tǒng)只能按照原先設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。例如當管網(wǎng)壓力不能滿足用戶需求，然而此時用戶增加用風量較少，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)中設備容量存在差異，系統(tǒng)會實時計算用氣設備的需求容量，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，會自動平衡各設備的運行時間，即每次開機前系統(tǒng)均比較各臺設備的運行時間，使運行時間最短的設備最先起動，運行時間最長的最先關機，從而達到均勻各設備運行時間的目的。這樣，能夠使整個系統(tǒng)設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)化集成技術主要包括用戶末端減壓節(jié)能技術、壓縮空氣產(chǎn)量智能調(diào)控技術、壓縮空氣輸送智能匹配技術，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，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，同時對低壓儀表壓縮空氣用智能化手段撬動精細降本對新動能，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)能技術綜述［Ｊ］．上海節(jié)能，２０１０，（１０）：
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