钢铁行业压缩空气系统节能研究与应用

 钢铁行业压缩空气系统节能研究与应用

步彬

（河北大河邯钢设计院有限公司，河北 邯郸 056000）

摘  要：我国压缩空气系统约有10%~35%的节能空间，如空压机变频改造、使用高效压缩机、干燥器节能升级等，这些项目如果结合能源合同管理模式，可以将先进的节能技术快速地实现产业化，从而提高钢铁企业的技术竞争力。另外，针对钢铁企业周边形成的城市热岛效应，可以采用第二类吸收式热泵将余热进行回收，产生的高温水可用于物料加热和职工洗浴，甚至还能外供市政供暖，以期减轻冬季采暖污染，从而探索出钢铁与民生共赢发展模式。

关键词：压缩空气；节能；能源合同管理

0  前言

为了加快碳中和进程，向创新驱动发展战略提供动力，我国颁布了“十四五”规划，钢铁企业节能减排的任务形势较为严峻，需要在各个生产环节提高能源的利用效率。压缩空气由于安全、洁净、易输送的特点，被广泛地应用于工业自动化控制系统，成为冶金行业里仅次于电力所消耗的动力源。根据压缩机行业的统计资料，压缩空气耗电量约占工业总用电量的9%^[1]，约为4000 亿千瓦时，可谓是工业电能的消耗大户。近年来，国内外都在积极开发压缩空气系统的节能研究，认为压缩空气系统存在着15%~30%的节能空间^[2]，对于中国而言意味着近300 亿元的新兴市场，如何有效降低空气能耗成为适应国策的朝阳产业。针对上述问题，本文以能源合同管理模式为契机，开展压缩空气系统的节能分析与研究，通过专家平衡管理方式降低系统能耗，并且探索空压机压缩热的高效利用模式，从而追求钢铁生产与改善民生的共赢发展模式。

1  压缩空气系统节能研究与应用

根据行业调查分析，压缩空气系统运行五年的费用主要由三大部分组成，设备投资占据总费用的5%，设备维护费用约为18%，运行电能消耗约为77%^[3]。由此可见，压缩空气系统节能研究，应侧重于生产运行方面。

图1 压缩空气系统工艺流程示意图

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

1.1 压缩空气系统的能源合同管理模式

能源合同管理（Energy Performance Contracting, 简称EPC)，是一种基于节能项目的投资管理模式，由节能服务公司提供前期资金投入和全过程服务，在客户的产业链上进行设备改造和节能服务的项目，合同期间按照文书约定的比例定期分享节能收益，即客户以减少的能源消耗费用来支付项目合同成本^[4]。

在压缩空气领域中，有很多项目可以开展能源合同管理模式，诸如空压机变频改造、高效空压机的更替使用、压缩机余热回收、干燥器节能降耗升级、循环水节能泵安装和系统专家平衡管理等。该模式一方面可以解决企业目前普遍面临着的流动资金不足的现状，另一方面能够吸收先进技术迅速实现节能收益。河北钢铁集团在这方面取得了一定的成效，例如在邯钢西区能源中心开展的新型干燥器能源合同管理模式。

该厂冶炼钢轧空压站共设有9台大型空压机，配备了微热再生式干燥器进行除湿处理，每台干燥器再生时消耗气量约占空压机额定产量的12%，此外还需消耗电能对已冷却的压缩空气进行再加热处理，加上每年消耗掉的大量分子筛氧化铝等滤料，压缩空气系统的运行成本高居不下。为此，结合新研发的零自耗压缩热再生式干燥器，通过能源合同管理模式吸收市场资本，淘汰落后的高耗能干燥器，每年可以降低空压机运行成本约600余万元。

图2 节能型干燥器工艺流程示意图

Fig.2 The schematic diagram of energy-saving dryer

2.2  压缩空气系统余热的回收再利用

目前，压缩空气冷却循环水多采用湿式冷却塔进行降温，会产生排污损失、蒸发损失和飘水损失，该部分损失约占冷却循环水量的1%~3%^[5]。另外，循环水冷却时会将热量直接排放至大气中，导致钢铁企业附近环境温度远高于其他地区，加剧了城市热岛效应（Urban Heat Island effect，简称UHI）^[6]。

空气压缩机需要冷却处理的循环水一般不会超过50℃，属于低于60℃的温水，工业中能够利用这部分温水的用途较少。但是，对于这部分热量可以利用第二类吸收式热泵（Absorption Heat Transformer，简称AHT）进行采集 ^[7]，通过消耗少量电能或者蒸汽作为驱动热源，产生大量的100℃高温水用于加热物料、职工洗浴和食堂烹饪等，甚至在北方还可以连接至市政供暖管道，用以减少燃煤采暖造成的大气污染。

另外，采用第二类吸收式热泵，空气压缩机的冷却水能够形成闭路循环，一方面可以避免湿式冷却塔带来的各种损失，另一方面可以有效地降低循环水泵的功耗。采用湿式冷却塔方式，循环冷却水直接与大气接触，飞虫飘絮容易混入系统并滋生藻类，需要定期添加药剂和排污，同时循环水泵除了克服管路摩擦阻力外还需要额外提供上塔高度势差做功。

图3空压站冷却循环水余热回收工艺流程示意图

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

H_{湿式冷却塔的水泵扬程}＝AB段阻力＋换热器阻力＋CD段阻力＋DE段阻力＋h (m)

H_{第二类吸收式的水泵扬程}＝AB段阻力＋换热器阻力＋CD段阻力＋DE段阻力＋EF段阻力＋蒸发器阻力 (m)

凉水塔的高度势差往往占水泵出口压力的50%以上，并且高度势差要远远大于新增加的阻力损失，由此可见采用第二种吸收式热泵后，空压机的循环水泵功耗会得到较大幅度的降低。

图4 空压站冷却循环水泵做功对比示意图

Fig.4 The contrast diagram of cooling water pump power

通过工程热力学的相关计算，可以得出三级压缩离心式空压机的交换热量约占电耗的79%。以年产500万吨钢铁企业为例，需要消耗0.8MPa清洁压缩空气量约为150000Nm³/h，电机总消耗功率约为16000kWh，同时可伴随着产生约有12640kW的换热量需要通过冷却循环水来进行降温。

    （1）

P_t,n—压缩机的技术功，kw。

n—气体多变压缩的多变指数，取n=1.3。

T₁—压缩前气体的绝对温度，K。

p₁—压缩前气体的绝对压力，Pa。

p₂—压缩后气体的绝对压力，Pa。

R_g—空气的气体常数，取Rg=0.287 kJ/(kg•K)。

q_m—压缩机的处理能力，kg/s。

Q_s—压缩机通过换热器向冷却循环水交换的热量，kW。

C_p—定压比热，取Cp=1.004 kJ/(kg•K)。

T₂—压缩后气体的绝对温度，K。

T₃—压缩后气体通过换热器后的绝对温度，K。

该部分散热量若通过第二类吸收式热泵采集可以产生约121t/h的80~100℃高温水，按照城镇住宅60w/m²的采暖指标设计，可以供应建筑面积高达84300m²的城镇居民使用。

COP—第二类吸收式热泵的供热性能系数。

Q_w—第二类吸收式热泵用于提高水温的热量，kW。

Q_z—第二类吸收式热泵用于驱动热源的热量，kW。

C_w—水的比热，取Cp=4.1868 kJ/(kg•K)。

tw₁—高温水的回水温度，℃，一般可取tw1=80℃。

tw₂—高温水的供水温度，℃。

q_m—高温水的流量，kg/s。

2.3  压缩空气专家平衡管理系统

压缩空气是一种高品质的能源介质，它的原料虽然廉价，但是制作成本相对昂贵，压缩机消耗的电能仅有不到20%是用于提升空气的势能，其余均为机械摩擦或热量消耗。因此，企业在建设规划中，应梳理压缩空气用户，对于可以采用电动装置的工艺应尽量减少气动设施使用，以期避免高阶资源的低层次利用。目前，大多数钢铁企业仍然采用粗狂式的能源供应方式，即用户随着生产形势变化可以任意调节介质用量，而能源供应单位则必须无条件保证其生产使用，因此为了保证压力稳定势必会提高整个系统的冗余下限值。根据阿特拉斯公司的资料，空气压缩机每提升0.013MPa压力需要增加能耗1%，输出压力每降低0.1MPa则减少耗能5%～6%^[8]，由此看见，较高的系统冗余下限会带来相当大的资源浪费。

针对上述情况，可以将压缩空气的气源、输送网络和用户视作一个完整的产业链，利用工业自动监控系统采集数据，依靠数字技术进行系统优化控制，结合峰谷用量预判经验形成一个压缩空气专家平衡管理系统。它的核心理念是先由能源供应单位、生产一线用户和数控专业人员组成专家团队，对气源、输送网络和用户进行系统优化，然后利用在线检测装置对系统用气压力、流量等参数进行采集，通过计算机软件的分析归纳设定系统的最佳运行点。同时，还需要根据各用户生产计划或者系统日常运行趋势预判性地执行开停机或加卸载操作，以最小的系统冗余下限来保证生产使用，从而降低压缩空气系统的运行成本。

图5 压缩空气管网系统压力平衡前后对比示意图

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

气源的优化应根据空压站规模和使用情况而定。一般来讲，空压站内除了配置相同规格的空压机组外，还需设置一台小型的变频机组，其产能应为大型机组的50%~80%，用于平抑系统压力波动变化。为了避免汇流母管上末端设备的憋压现象，各空压机应采用斜三通汇流至并联管路上。同时，厂房内还应加强通风降温，相关试验显示环境温度每提升11℃，压缩机做功效率就会下降3%^[9]。需要注意的是，每种规格的空压机都有特定的性能曲线，额定工况下运行效率最高，一味追求降低供应压力反而会使空压机做功效率下降。此外，还应当加强输送管网和用户泄漏量的检查。当空气压力为0.7MPa时，供气管道上1mm孔洞的泄漏量为1.5L/s，相当于压缩机损耗增加0.4kW^[10]，而工业压缩空气泄漏率一般在5%以上，由此可见减少系统泄漏量对于压缩空气系统仍然有较为可观的节能空间。

3 结  论

通过压缩空气系统节能研究与应用，以能源合同管理模式为契机迅速打开节能市场，不仅能够帮助钢铁企业消化吸收先进的节能技术，还有助于促进我国“十四五”节能减排工作顺利完成。另外，回收空压机余热用于民用公益事业，既可以实现减少能耗的低碳绿色生产模式，又可以改善钢铁企业周边的城市热岛效应，从而探索出一条钢铁与民生协同共赢发展模式。

（1）通过能源合同管理模式，利用节能服务公司的技术和资金，迅速将先进的节能技术实现产业化，促进企业压缩空气系统的节能改造进程，提升钢铁企业的技术竞争力。

（2）采用第二类吸收式热泵对空压机的压缩余热进行回收，产生的高温水可用于物料加热、食堂烹饪和职工洗浴，甚至还可以将其连接至市政供暖管道，减少北方城市烧煤取暖造成的大气污染。

（3）依靠压缩空气专家平衡管理系统，对气源、输送网络和用户进行系统优化，通过预判性平衡管理降低系统的冗余下限值，从而提高空压机做功效率，整体降低压缩空气系统能耗指标。

参考文献：

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[2]  蔡茂林. 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(9)：69-74.

[3]  陈勇. 把节能当作一种资源去开发：空压机余热回收的成功应用[J]. 聚氯乙烯，2012(2)：43-44

[4]  张亮. 合同能源管理项目中常用节能技术的应用[J]. 节能，2014(3)：12-14.

[5]  李岚. 火力发电厂节约用水技术[D]. 哈尔滨工业大学，2005.

[6]  刘勇洪，徐永明，马京津等. 北京城市热岛的定量监测及规划模拟研究[J]. 生态环境学报，2014，23(7): 1156-1163.

[7]  林顺荣，陈光明，洪大良等. 带喷射器的溴化锂第二类吸收式热泵循环热力分析[J]. 低温工程，2012(1): 19-24.

[8]  李志华，吴帅芝，夏鹏． 橡胶厂压缩空气系统节能技术探讨[J]． 流体机械，2010(5) : 42-44，71．

[9]  袁有增. 压缩空气系统节能降耗浅析[J]. 棉纺织技术,2008(10)：12-14.

[10]  欧阳焰啸. 关于空压机节能方法的探索[J]. 印制电路信息，2009(5)：58-60.