压缩空气系统节能技改案例
- 2019-04-02 -
1、压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一，但要获得满足基本要求且品质优良的压缩空气需要消耗相当大的能量。在大多数生产型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%~40%，造船行业则更高达50%，同时压缩空气也是四大动力源（热、电、液压、气动）中品位最高，价格最昂贵的动力源。
2 、立项背景及前期工作随着中国近30年制造业蓬勃发展，能源消耗和环境污染日趋严重以及产能过剩、恶性竞争，导致企业面临节能减排巨大压力，同时也为高效节能技术推广带来前所未有的动力。萨曼机械（上海）有限公司节能技术部适时启动了压缩空气系统节能技改项目，针对唐钢压缩空气系统能耗高、排放泄漏量大两个问题展开前期调研和测评工作，并制定了相对应的攻关方案：一是实现高、低压分流，根据实际需求，将空压机的排气压力分为6 bar和4.5 bar，并采取相对应的三级压缩和两级压缩，此举可将虚高的排气压力所浪费的压缩功耗节省10%~15%；二是淘汰高能耗的微加热干燥器，采用具备压缩空气系统余热利用和等压循环再生零排放技术的新型干燥器，此举有望降低原微加热干燥器运行费用80%以上；三是改造压缩机及后处理净化设备的冷凝液排放阀，加装新型零气耗自动排水阀，杜绝站房内的跑冒滴漏现象。后两项的气损最大可达到空压机输出气量的20%~30%，气损不仅直接导致能源损失，还会驱使空压机及辅助设备增加开机台数或运行时间，此情况又会影响维保和日常消耗费用相应增加。
3 、改造思路和措施
3.1 优化压缩空气系统流程，实现高/低压、干/ 湿气分流将系统分为3类供气系统。高压湿气系统：0.55 MPa供给一钢3#、4#连铸用气，从热板空压机站供气；低压湿气系统：0.45 MPa，供给其余湿气用气需求，由新增的3台低压离心式空压机负责供给；干气系统：0.6 MPa，供给冷板厂用气需求，从冷板空压机站供气；供给其余所有干气需求，从3200空压机站供气。将新增3台两级低压离心机设置在冷板空压站，然后从冷板空压站布置新的低压湿气总管至一钢、二钢及炼铁部等用气点，低压干气系统利用原湿气总管供气，并在冷板空压站配置4台新型余热再生式干燥机，3200空压站4台空压机配置零排放余热在生气干燥机。各独立供气系统采用单向串气调节，高压干气系统向低压干气系统、低压干气系统向低压湿气系统各自设置串气调节阀，均做上游压力精确控制，实现高压干气系统、低压湿气系统以及低压干气系统机组的均衡负载控制，减少或消除机组的放散现象的发生，优化系统的调节能力。由于炼铁部风机房、长材部高线润滑油站和高线打包机用气压力比改造后的干气压力较高，分别配置增压装置，满足局部高压的用气需求。
3.2 优化压缩空气干燥工艺
拆旧换新，大幅度降低原微加热干燥器的能耗。空气压缩过程中，约70%以上的机械能转换成热能，被级间和末端冷却器移出体系外，而离心机属于无油机，其末级压缩热可被干燥器作为再生能量利用，该热量虽然只能满足吸附式干燥器再生过程所需能量的70%左右，但若补充能量的措施得当，仍可获得较低露点。若再能将吹冷气循环利用，则能比原一代机（无热、微热再生式干燥器），节约运行费用90%以上，经调研和招标，本项目选用零气耗、低露点余热再生吸附干燥器，此流程从天然气脱水装置专利技术延伸推广而来，增加进气端的二次冷却，则可适应各种工况（较低排气温度，较高环境温度），压力露点可达-40益。采用了高压循环风机，可对塔上部的吸附剂进行二次高温干气再生，对吸附剂可进行大流量吹冷并全部回收循环，其中电耗仅占空压机输入功率的1%~1.5%，百分之百零再生气耗。
3.3 优化冷凝液排污工艺
采用新型冷凝液自动排除器，具有高可靠性、低维护率及无压缩空气的泄漏等特点，能及时可靠地排出冷凝液，大大改善冷凝液对空压机和附属设备的腐蚀，避免冷凝液流入下级而造成对用气设备的冲击、损坏，有问题时，发出报警信号，便于监测，及时发现问题，避免不必要的损失，并配有除渣器，排水器绝对不会堵塞，排水器可排除5~8 mm杂质。
4 经济效益与社会效益
4.1 经济效益
（1） 低压系统节能：平均气量36000 Nm3/h；年运行8000 h；气电比优化0.032 kW·h/m3（低压单机0.083 kW·h/m3；改造前单机0.115 kW·h/m3）。则年降低能耗9216000 kW·h；折合电费：516万元。
（2） 干燥机改造节能：热板站和二钢末端的干燥器全部停用（再生气耗4500 m3/h），冷板站和3200站全部更新为余热再生式干燥机（降低10500 m3/h再生气耗）。降低干燥机再生环节气量损失：15000 m3/h；气电比按照0.12 W·h/m3进行计算；年降低系统能耗14400000 kW·h；折合电费：806万元。
（3） 冷凝液管理节能：提高单机比功率，合计68个点，预计节气3000 Nm3/h，气电比按照0.12 kW·h/m3进行计算，年降低能耗2880000 kW·h；折合电费：161万元。
如上3项理论节能效益总和，年降低能耗：2649.6万kW·h；折合电费节约1483万元。
4.2 社会效益
项目实施以来，控制精度和压空利用率得到了提高，系统运行稳定可靠，监控操作灵活方便，避免了频繁启停机的次数，大大节省了操作时间，同时也减少了操作人员的劳动强度，提高了生产效率。按照1度电折合标煤0.123 kg，本项目年节电折合标煤约3260 t。淘汰了原有的二代机压缩热干燥器。同时，2016年同属于河北钢业集团的邯钢也开始采购同类型的压缩热零气耗干燥器设备，唐钢的一系列举动也影响到了河北众多民企钢厂以及全国各地的同行。
5.1 创新贯穿节能技改全方位、全过程首先是理念、观念创新，如能源的品味和价值观，具体到专业即气/电不等价。在本项目中，把节气放于最重要地位，此举正是因为在调研和交流中与国内外同行就电费仅占无油干燥压缩空气成本40%达成共识；其二是经营模式，本项目采用合同能源管理（EMC） 方式，在钢铁行业空压站节能技改中为第一例，有效调动了用户、EMC和设备供货三方的潜力和积极性，以最新的产品、最优的工程获取了用户方最大节能空间；同时，项目也开创了行业第三个创新，即采购招标均以最高价中标，此举也得益于产品全寿命费用分析（LCC）的学习和贯彻，从而使节能效益最大化；第四个创新点是摒弃了原国企在设备折旧期未满不得拆除的惯例，直接用第四代余热再生零气耗干燥器淘汰了高能耗的第一代微加热干燥器。
5.2 余热再生干燥器同比认知
原有微加热干燥器既耗电又耗气，经现场测试，耗气比高达15%，夏天更高达20%以上，测试结果与目前正在进行的压缩空气干燥器产品标准修改内容吻合。钢厂使用的空压机类型多为无油离心机，在此前已有众多案例采用了压缩热干燥器，但经调研，发现失败率接近50% （如唐钢不锈钢分厂），不达标率高达80%以上（压力露点普遍高于-20℃，双冷却器类型的余热再生干燥器甚至高于0益；再生气耗量明显大于6%，瞬时流量高达12%以上），在北方寒冷地区此现象更为严重。目前行业中多个空压站中的余热干燥器已经或正在进行二次改造并付出高昂代价，这是因为压缩热属于低品位能源，尤其在近10年离心式空压机由于技术进步，排气温度由120~140℃降至80~120℃，但同时也对利用压缩热的吸附式干燥器造成负面影响，使其利用余热的空间大幅下降，即由空压机提供的压缩热仅能满足吸附式干燥器再生能量所需的70%左右，剩余部分再生能量的补充成为技术研发的国际性难题。
5.3 补充说明
本项目效益计算中的气损仅按电费进行，但实际发生费用还应包括固定资产折旧、财务费用、管理费用、维护保养费用和日常消耗费用等，即电费仅占无油干燥压缩空气实际成本的40%左右，按热值计算1度电折合标煤0.123 kg，但没有人会认为节约1度电所节省的费用就是煤的费用，因为1度电的费用（按0.6元）是0.123 kg标煤（按600元/t）的8倍。如此若按电费占气费成本的50%计，干燥器节气产生的真实费用应为806万元伊2=1612万元/年，但即使仅按电费的806万元计算，其投资回收期为8~10个月，在目前众多节能技改项目中实属少见。
另值得一提的是本项目干燥器应用了远程监控技术，萨曼机械（上海）有限公司的专业工程师不仅参与了该设备的运行监测、故障预判、故障分析和故障排除等行为，其设计研发人员也从中受益匪浅。通过互联网+物联网技术，获得第一手的现场运行数据和累积运行曲线，从而可有效判断验证设计准确性及各子系统各部件的匹配性，实实在在融入大智慧、大数据和大系统的时代之中。
6 结论
高效、节能、减排、降霾是目前中国最要的国策之一，而经济转型、产业升级和产品换代是企业的当务之急，企业无论大小均应顺应国策、创新图强，才能在新常态下生存发展，立于不败之地。
2 、立项背景及前期工作随着中国近30年制造业蓬勃发展，能源消耗和环境污染日趋严重以及产能过剩、恶性竞争，导致企业面临节能减排巨大压力，同时也为高效节能技术推广带来前所未有的动力。萨曼机械（上海）有限公司节能技术部适时启动了压缩空气系统节能技改项目，针对唐钢压缩空气系统能耗高、排放泄漏量大两个问题展开前期调研和测评工作，并制定了相对应的攻关方案：一是实现高、低压分流，根据实际需求，将空压机的排气压力分为6 bar和4.5 bar，并采取相对应的三级压缩和两级压缩，此举可将虚高的排气压力所浪费的压缩功耗节省10%~15%；二是淘汰高能耗的微加热干燥器，采用具备压缩空气系统余热利用和等压循环再生零排放技术的新型干燥器，此举有望降低原微加热干燥器运行费用80%以上；三是改造压缩机及后处理净化设备的冷凝液排放阀，加装新型零气耗自动排水阀，杜绝站房内的跑冒滴漏现象。后两项的气损最大可达到空压机输出气量的20%~30%，气损不仅直接导致能源损失，还会驱使空压机及辅助设备增加开机台数或运行时间，此情况又会影响维保和日常消耗费用相应增加。
3 、改造思路和措施
3.1 优化压缩空气系统流程，实现高/低压、干/ 湿气分流将系统分为3类供气系统。高压湿气系统：0.55 MPa供给一钢3#、4#连铸用气，从热板空压机站供气；低压湿气系统：0.45 MPa，供给其余湿气用气需求，由新增的3台低压离心式空压机负责供给；干气系统：0.6 MPa，供给冷板厂用气需求，从冷板空压机站供气；供给其余所有干气需求，从3200空压机站供气。将新增3台两级低压离心机设置在冷板空压站，然后从冷板空压站布置新的低压湿气总管至一钢、二钢及炼铁部等用气点，低压干气系统利用原湿气总管供气，并在冷板空压站配置4台新型余热再生式干燥机，3200空压站4台空压机配置零排放余热在生气干燥机。各独立供气系统采用单向串气调节，高压干气系统向低压干气系统、低压干气系统向低压湿气系统各自设置串气调节阀，均做上游压力精确控制，实现高压干气系统、低压湿气系统以及低压干气系统机组的均衡负载控制，减少或消除机组的放散现象的发生，优化系统的调节能力。由于炼铁部风机房、长材部高线润滑油站和高线打包机用气压力比改造后的干气压力较高，分别配置增压装置，满足局部高压的用气需求。
3.2 优化压缩空气干燥工艺
拆旧换新，大幅度降低原微加热干燥器的能耗。空气压缩过程中，约70%以上的机械能转换成热能，被级间和末端冷却器移出体系外，而离心机属于无油机，其末级压缩热可被干燥器作为再生能量利用，该热量虽然只能满足吸附式干燥器再生过程所需能量的70%左右，但若补充能量的措施得当，仍可获得较低露点。若再能将吹冷气循环利用，则能比原一代机（无热、微热再生式干燥器），节约运行费用90%以上，经调研和招标，本项目选用零气耗、低露点余热再生吸附干燥器，此流程从天然气脱水装置专利技术延伸推广而来，增加进气端的二次冷却，则可适应各种工况（较低排气温度，较高环境温度），压力露点可达-40益。采用了高压循环风机，可对塔上部的吸附剂进行二次高温干气再生，对吸附剂可进行大流量吹冷并全部回收循环，其中电耗仅占空压机输入功率的1%~1.5%，百分之百零再生气耗。
3.3 优化冷凝液排污工艺
采用新型冷凝液自动排除器，具有高可靠性、低维护率及无压缩空气的泄漏等特点，能及时可靠地排出冷凝液，大大改善冷凝液对空压机和附属设备的腐蚀，避免冷凝液流入下级而造成对用气设备的冲击、损坏，有问题时，发出报警信号，便于监测，及时发现问题，避免不必要的损失，并配有除渣器，排水器绝对不会堵塞，排水器可排除5~8 mm杂质。
4 经济效益与社会效益
4.1 经济效益
（1） 低压系统节能：平均气量36000 Nm3/h；年运行8000 h；气电比优化0.032 kW·h/m3（低压单机0.083 kW·h/m3；改造前单机0.115 kW·h/m3）。则年降低能耗9216000 kW·h；折合电费：516万元。
（2） 干燥机改造节能：热板站和二钢末端的干燥器全部停用（再生气耗4500 m3/h），冷板站和3200站全部更新为余热再生式干燥机（降低10500 m3/h再生气耗）。降低干燥机再生环节气量损失：15000 m3/h；气电比按照0.12 W·h/m3进行计算；年降低系统能耗14400000 kW·h；折合电费：806万元。
（3） 冷凝液管理节能：提高单机比功率，合计68个点，预计节气3000 Nm3/h，气电比按照0.12 kW·h/m3进行计算，年降低能耗2880000 kW·h；折合电费：161万元。
如上3项理论节能效益总和，年降低能耗：2649.6万kW·h；折合电费节约1483万元。
4.2 社会效益
项目实施以来，控制精度和压空利用率得到了提高，系统运行稳定可靠，监控操作灵活方便，避免了频繁启停机的次数，大大节省了操作时间，同时也减少了操作人员的劳动强度，提高了生产效率。按照1度电折合标煤0.123 kg，本项目年节电折合标煤约3260 t。淘汰了原有的二代机压缩热干燥器。同时，2016年同属于河北钢业集团的邯钢也开始采购同类型的压缩热零气耗干燥器设备，唐钢的一系列举动也影响到了河北众多民企钢厂以及全国各地的同行。
5.1 创新贯穿节能技改全方位、全过程首先是理念、观念创新，如能源的品味和价值观，具体到专业即气/电不等价。在本项目中，把节气放于最重要地位，此举正是因为在调研和交流中与国内外同行就电费仅占无油干燥压缩空气成本40%达成共识；其二是经营模式，本项目采用合同能源管理（EMC） 方式，在钢铁行业空压站节能技改中为第一例，有效调动了用户、EMC和设备供货三方的潜力和积极性，以最新的产品、最优的工程获取了用户方最大节能空间；同时，项目也开创了行业第三个创新，即采购招标均以最高价中标，此举也得益于产品全寿命费用分析（LCC）的学习和贯彻，从而使节能效益最大化；第四个创新点是摒弃了原国企在设备折旧期未满不得拆除的惯例，直接用第四代余热再生零气耗干燥器淘汰了高能耗的第一代微加热干燥器。
5.2 余热再生干燥器同比认知
原有微加热干燥器既耗电又耗气，经现场测试，耗气比高达15%，夏天更高达20%以上，测试结果与目前正在进行的压缩空气干燥器产品标准修改内容吻合。钢厂使用的空压机类型多为无油离心机，在此前已有众多案例采用了压缩热干燥器，但经调研，发现失败率接近50% （如唐钢不锈钢分厂），不达标率高达80%以上（压力露点普遍高于-20℃，双冷却器类型的余热再生干燥器甚至高于0益；再生气耗量明显大于6%，瞬时流量高达12%以上），在北方寒冷地区此现象更为严重。目前行业中多个空压站中的余热干燥器已经或正在进行二次改造并付出高昂代价，这是因为压缩热属于低品位能源，尤其在近10年离心式空压机由于技术进步，排气温度由120~140℃降至80~120℃，但同时也对利用压缩热的吸附式干燥器造成负面影响，使其利用余热的空间大幅下降，即由空压机提供的压缩热仅能满足吸附式干燥器再生能量所需的70%左右，剩余部分再生能量的补充成为技术研发的国际性难题。
5.3 补充说明
本项目效益计算中的气损仅按电费进行，但实际发生费用还应包括固定资产折旧、财务费用、管理费用、维护保养费用和日常消耗费用等，即电费仅占无油干燥压缩空气实际成本的40%左右，按热值计算1度电折合标煤0.123 kg，但没有人会认为节约1度电所节省的费用就是煤的费用，因为1度电的费用（按0.6元）是0.123 kg标煤（按600元/t）的8倍。如此若按电费占气费成本的50%计，干燥器节气产生的真实费用应为806万元伊2=1612万元/年，但即使仅按电费的806万元计算，其投资回收期为8~10个月，在目前众多节能技改项目中实属少见。
另值得一提的是本项目干燥器应用了远程监控技术，萨曼机械（上海）有限公司的专业工程师不仅参与了该设备的运行监测、故障预判、故障分析和故障排除等行为，其设计研发人员也从中受益匪浅。通过互联网+物联网技术，获得第一手的现场运行数据和累积运行曲线，从而可有效判断验证设计准确性及各子系统各部件的匹配性，实实在在融入大智慧、大数据和大系统的时代之中。
6 结论
高效、节能、减排、降霾是目前中国最要的国策之一，而经济转型、产业升级和产品换代是企业的当务之急，企业无论大小均应顺应国策、创新图强，才能在新常态下生存发展，立于不败之地。