王水安， 鄭 國， 黃積業(yè)， 龍新峰， 樓 波

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東廣州 510641； 2.湛江電力有限公司， 廣東湛江 524099 ； 3.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院， 廣東廣州 510641)

引言

2018年，全國壓縮空氣系統(tǒng)的總耗電約為3000億千瓦時(shí)，約占國內(nèi)全部工業(yè)用電量的6.5%[1-2]。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)企業(yè)的壓縮空氣系統(tǒng)效率偏低，能量浪費(fèi)高達(dá)40%，遠(yuǎn)高于國外企業(yè)的15%[2]。做好降低壓縮空氣系統(tǒng)能耗工作，對(duì)于我國節(jié)能減排工作具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的工作過程性能、螺桿壓縮機(jī)系統(tǒng)建模、壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等進(jìn)行了深入研究。LIU等[3]考慮運(yùn)行工況和部分設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，建立了螺桿壓縮機(jī)預(yù)測模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型具有足夠的仿真精度。SESHAIAH等[4]建立了雙螺桿噴油壓縮機(jī)數(shù)值模型， 通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究了螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)絕熱效率和容積效率的影響。KRICHEL S V等[5]將螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)分為4個(gè)獨(dú)立的子模塊，建立了較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并通過仿真和試驗(yàn)證實(shí)了數(shù)學(xué)模型的有效性。吳萬榮等[6]對(duì)雙螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行仿真分析，研究了空壓機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。周洪等[7]從產(chǎn)氣、輸氣和用氣三方面，分析了壓縮空氣系統(tǒng)中存在的問題，并對(duì)氣缸的節(jié)能應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。蔡茂林[2]闡述了氣動(dòng)系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的瓶頸難題，并在此基礎(chǔ)上給出了新的節(jié)能技術(shù)路線。張謙等[8]介紹了壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用，探討了壓縮空氣系統(tǒng)行業(yè)在節(jié)能技術(shù)方面的發(fā)展前景?？諌簷C(jī)優(yōu)化運(yùn)行是空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的一項(xiàng)簡單有效的節(jié)能措施，孔德文等[9]對(duì)螺桿空壓機(jī)運(yùn)行能耗進(jìn)行了分析，并提出空壓機(jī)在加卸載運(yùn)行工況下最優(yōu)控制方案。劉沖[10]針對(duì)水泥行業(yè)中壓縮空氣系統(tǒng)存在的問題，提出了一套從源頭至末端的行業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)策，并應(yīng)用在實(shí)際案例，取得較好的節(jié)能效果。毛聯(lián)杰[11]通過對(duì)電解鋁廠壓縮空氣系統(tǒng)改造不僅提高壓縮空氣管網(wǎng)的自動(dòng)監(jiān)控水平和工作穩(wěn)定性，同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。樂瑞等[12]采用試驗(yàn)測試的研究方法，對(duì)紡織廠空壓機(jī)組能耗進(jìn)行了診斷，并對(duì)其存在的問題提出了優(yōu)化建議。

常見的空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能措施是對(duì)機(jī)組采用變頻和變速的運(yùn)行，但空壓機(jī)變頻和變速運(yùn)行，牽涉到控制系統(tǒng)的改造，總投資費(fèi)用高。目前空壓機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)，普遍是采用加卸載運(yùn)行控制方式[6]。對(duì)于每臺(tái)螺桿空壓機(jī)，存在運(yùn)行能耗最小的最優(yōu)卸載壓力線[9]，但對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程，還存在合理調(diào)度問題。目前壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行能耗高、利用效率低的原因是壓縮空氣系統(tǒng)的加卸載壓力設(shè)置偏高、空壓機(jī)加卸載順序設(shè)置不合理以及空壓機(jī)組運(yùn)行控制性能差導(dǎo)致卸載時(shí)間長等。燃煤電廠由于電網(wǎng)調(diào)峰的需要，運(yùn)行所需的壓縮空氣量存在較大范圍的變化，壓縮空氣系統(tǒng)不合理的頻繁加卸載，造成空壓機(jī)卸載時(shí)間長，能源利用率低。本研究結(jié)合生產(chǎn)過程，通過實(shí)地測試某燃煤電廠輸灰用螺桿壓縮機(jī)的吸氣參數(shù)、產(chǎn)氣量與耗電量參數(shù)，然后對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，調(diào)整空壓機(jī)的加卸載壓力參數(shù)和運(yùn)行臺(tái)數(shù)，設(shè)置空壓機(jī)組加卸載順序，以尋找壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方式，達(dá)到節(jié)能效果。

1 輸灰用的壓縮空氣系統(tǒng)

某燃煤電廠4×330 MW機(jī)組輸灰用的壓縮空氣系統(tǒng)，共有6臺(tái)螺桿式空壓機(jī)，長期5臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)備用，各空壓機(jī)參數(shù)列表如表1。空壓機(jī)采用加、卸載調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，加載時(shí)氣壓、流量均為額定參數(shù)，功率均為現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。目前壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)平均壓力為0.70 MPa，卸載壓力為0.75 MPa，加載壓力為0.65 MPa。

表1 各空壓機(jī)參數(shù)

2 壓縮空氣系統(tǒng)的模型與驗(yàn)證

2.1 雙螺桿空壓機(jī)能耗模型

由于壓縮過程中噴油會(huì)冷卻壓縮空氣，實(shí)際壓縮過程往往被認(rèn)為是多變過程，由氣體多變過程方程及理想氣體狀態(tài)方程可推得：

(1)

式中,pi—— 吸氣壓力，Pa

po—— 壓縮終了壓力，Pa

Ti—— 吸氣溫度，K

To—— 壓縮終了溫度，K

n—— 氣體多變指數(shù)

雙螺桿空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)功由兩部分組成，即從吸入壓力絕熱壓縮至內(nèi)壓縮終了壓力的壓縮功以及等壓下把氣體排出所作的排氣功?？諌簷C(jī)每轉(zhuǎn)單個(gè)工作容腔所需的理論驅(qū)動(dòng)功[13]為：

式中，Wt—— 每轉(zhuǎn)單個(gè)工作容腔所需的理論驅(qū)動(dòng)功，J

Vi—— 吸氣結(jié)束時(shí)齒槽間體積，m3

pt—— 管網(wǎng)壓力，Pa

Vo—— 壓縮結(jié)束時(shí)齒槽間容積，m3

其中：

(3)

式中，θ—— 結(jié)構(gòu)容積比，有機(jī)器結(jié)構(gòu)決定

π—— 內(nèi)壓比，其與氣體性質(zhì)及壓縮狀態(tài)有關(guān)[13]

當(dāng)空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)，整臺(tái)空壓機(jī)所需的理論驅(qū)動(dòng)功率為：

(4)

空壓機(jī)實(shí)際消耗的功率為：

(5)

ηT=ηiηm

(6)

式中,z—— 螺桿空壓機(jī)陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)

ns—— 陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min

ηT—— 空壓機(jī)等溫效率

ηi—— 空壓機(jī)指示效率

ηm—— 空壓機(jī)機(jī)械效率

2.2 雙螺桿空壓機(jī)容積流量

與活塞式空壓機(jī)不同的是螺桿空壓機(jī)在工作過程中因陰陽螺桿之間的間隙發(fā)生內(nèi)泄漏，使得空壓機(jī)產(chǎn)氣量和效率都會(huì)有所降低。螺桿空壓機(jī)實(shí)際容積流量按下式[14]進(jìn)行計(jì)算：

(7)

式中，Qv，Qvt—— 分別為有空壓機(jī)實(shí)際體積流量和理論體積流量，m3/min

ηv—— 容積效率

Cφ—— 扭角系數(shù)

Cn1—— 面積利用系數(shù)

λ—— 螺桿轉(zhuǎn)子的長徑比

D1—— 陽螺桿的外徑，m

容積效率ηv受噴油量、轉(zhuǎn)速、型線的種類、壓差及氣體性質(zhì)有關(guān)，各種類型的螺桿空壓機(jī)的容積效率變化有所差別，通常為0.75～0.95。除了壓差，其他影響容積效率的因素由設(shè)計(jì)及制造決定的[14]。實(shí)際過程中不同工況壓比會(huì)有所不同，因此容積效率也有所差異，容積效率通常采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[15]。

(8)

2.3 儲(chǔ)氣罐數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)氣罐充放氣過程可以簡單看成等溫過程，由范德瓦爾方程得：

(9)

由于是等溫過程，微分得：

(10)

式中，pn—— 儲(chǔ)氣罐壓力，10-6MPa

Rg—— 空氣氣體常數(shù)，為285

T2—— 儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體溫度，K

m—— 氣體質(zhì)量，kg

V—— 儲(chǔ)氣罐容積，m3

a，b—— 空氣的范德瓦爾常數(shù)，分別為0.1358和0.0364

ρa(bǔ)—— 空氣密度，kg/m3

Qi—— 儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣量，m3/min

Qo—— 儲(chǔ)氣罐出氣量，m3/min

(11)

式中，pav—— 儲(chǔ)氣罐平均壓力，Pa

t1，t2—— 分別為空壓機(jī)起始運(yùn)行和終止運(yùn)行時(shí)間，s

2.4 壓縮空氣系統(tǒng)Simulink仿真模型

根據(jù)上述數(shù)學(xué)建模，在MATLAB/Simulink搭建了單臺(tái)空壓機(jī)的仿真模型，如圖1所示。仿真模型包括4個(gè)模塊：控制器模塊、空壓機(jī)模塊、輔冷器模塊和儲(chǔ)氣罐模塊，其中控制模塊根據(jù)管網(wǎng)壓力控制空壓機(jī)加卸載及閥門的開度，空壓機(jī)模塊根據(jù)進(jìn)氣參數(shù)仿真空壓機(jī)能耗以及產(chǎn)氣量，輔冷卻器模塊用于控制進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的溫度，儲(chǔ)氣罐模型根據(jù)進(jìn)、出氣量仿真管網(wǎng)的壓力變化。

2.5 空壓機(jī)系統(tǒng)功耗驗(yàn)證模型

空壓機(jī)實(shí)際功耗可以通過現(xiàn)場測量電機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)計(jì)算得到，單臺(tái)噴油螺桿空壓機(jī)加卸載時(shí)消耗功率如下：

(12)

式中，U—— 線電壓，V

I—— 線電流，A

cosφ—— 功率因數(shù)

多臺(tái)空壓機(jī)總耗功為：

(13)

空壓機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間的平均功率為：

圖1 單臺(tái)螺桿空壓機(jī)的Simulink模型

(14)

為了對(duì)所建數(shù)學(xué)模型及仿真模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，搭建相關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)主要由空壓機(jī)、傳感器和相關(guān)測量儀表等組成，圖2是壓縮空氣系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖。

圖2 燃煤電廠壓縮空氣系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖

2.6 模型驗(yàn)證

通過到某電廠對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)安裝測量設(shè)備，在機(jī)組滿負(fù)荷情況下進(jìn)行測量試驗(yàn)。測量平均耗氣量為215 m3/min，環(huán)境溫度為21 ℃，儲(chǔ)氣罐平均溫度為45 ℃。根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)試驗(yàn)條件，設(shè)定與之對(duì)應(yīng)的仿真初始參數(shù)，通過對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。壓縮空氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)總耗功及壓力模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓縮空氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)值與仿真值比較

從圖可知壓縮空氣系統(tǒng)加卸載過程中總功率與壓力試驗(yàn)曲線與仿真曲線的變化趨勢一致，最大相對(duì)誤差為3.25%，說明所建立螺桿空壓機(jī)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型能對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)的能耗及儲(chǔ)氣罐的壓力變化進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述，可以用于預(yù)測壓縮空氣系統(tǒng)在不同工況下的能耗及壓力的動(dòng)態(tài)特性。

3 壓縮空氣系統(tǒng)的優(yōu)化與分析

3.1 輸氣壓力的調(diào)整

為了能夠滿足生產(chǎn)用氣的最低要求，通?？諌簷C(jī)的加卸載方式壓力帶寬普遍設(shè)置偏高，絕大部分用戶都會(huì)將空壓機(jī)壓力帶寬設(shè)置到0.1 MPa以上，存在近0.1 MPa的壓力能量浪費(fèi)[10]。由于管道壓力損失不確定, 設(shè)備啟動(dòng)存在流量高峰等原因, 壓縮機(jī)的供氣壓力有時(shí)比現(xiàn)場要求壓力高出0.2～0.3 MPa，浪費(fèi)嚴(yán)重[12]。

根據(jù)廠方的運(yùn)行數(shù)據(jù)，輸灰用壓縮空氣系統(tǒng)壓力0.50 MPa即可滿足現(xiàn)場用氣要求，而目前電廠輸灰用壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)的平均壓力為0.70 MPa，比輸灰要求的壓力高出0.20 MPa，顯然壓縮空氣壓力是偏高的?？紤]輸氣管道的壓力損失，將壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)的平均壓力調(diào)整為0.65 MPa，留出0.15 MPa的壓降余量，調(diào)整壓縮機(jī)卸載壓力為0.70 MPa，保持加卸載壓差不變條件下調(diào)整加載壓力為0.60 MPa。通過在Simulink上壓縮空氣系統(tǒng)在不同耗氣量的工況進(jìn)行仿真，得到空壓機(jī)組調(diào)整輸氣壓力前后的平均功率見圖4。

圖4 輸氣壓力調(diào)整前后空壓機(jī)組的功率

從圖5可知，將壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)的平均壓力從0.7 MPa調(diào)整為0.65 MPa，相同耗氣量下，空壓機(jī)組的總功率會(huì)有所下降，平均節(jié)能比例為4.2%。

3.2 空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制

燃煤電廠由于電網(wǎng)調(diào)峰的需要，運(yùn)行所需的壓縮空氣量存在周期性的變化，低負(fù)荷情況下(尤其夜間)，系統(tǒng)需要的壓縮空氣較少，多臺(tái)空壓機(jī)往往會(huì)進(jìn)入空載狀態(tài)，浪費(fèi)電能。此時(shí)可以人工進(jìn)行啟?？諌簷C(jī)，減少空壓機(jī)空載現(xiàn)象，節(jié)省電能。通過在Simulink上對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)在不同耗氣量的工況進(jìn)行仿真，得到空壓機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行前后平均功率及管網(wǎng)平均壓力見圖5。

從圖5可知：目前運(yùn)行與優(yōu)化運(yùn)行的功耗都隨著耗氣量的增加而增加。優(yōu)化運(yùn)行方案在某一特定耗氣量下總功耗會(huì)有一個(gè)突變，原因是該耗氣量前后運(yùn)行的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)不一樣。例如耗氣量在90～131 m3/min范圍，這時(shí)啟用3臺(tái)空壓機(jī)即可滿足系統(tǒng)用氣要求，而電廠目前運(yùn)行方案仍然是5臺(tái)空壓機(jī)在運(yùn)行，其中有3臺(tái)空壓機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，大大浪費(fèi)了電能，優(yōu)化后可使兩臺(tái)空壓機(jī)停運(yùn)，此時(shí)節(jié)能相當(dāng)可觀，通過兩者功率對(duì)比可得，此種情況下節(jié)能比例最大30.5%，平均節(jié)能比例達(dá)27%。耗氣量在131～174 m3/min范圍，這時(shí)啟用4臺(tái)空壓機(jī)即可滿足系統(tǒng)用氣要求，此時(shí)電廠目前運(yùn)行方案會(huì)有2臺(tái)空壓機(jī)處于加卸載狀態(tài)，優(yōu)化后可使1臺(tái)空壓機(jī)停運(yùn)，通過兩種方案的壓縮空氣系統(tǒng)總功率對(duì)比可得，此情況下平均節(jié)能比例約13%。

圖5 空壓機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行前后平均功率及管網(wǎng)平均壓力

3.3 總優(yōu)化運(yùn)行效果

綜合3.1的輸氣壓力調(diào)整以及3.2的控制空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，現(xiàn)場對(duì)總優(yōu)化運(yùn)行方案和優(yōu)化運(yùn)行前進(jìn)行了仿真模擬和相關(guān)試驗(yàn)，仿真及試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真及試驗(yàn)結(jié)果功率對(duì)比

由圖6可知仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相接近，相同平均耗氣量下，試驗(yàn)結(jié)果會(huì)比仿真結(jié)果稍大一些，這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中耗氣量波動(dòng)引起的結(jié)果。通過對(duì)比優(yōu)化前后曲線可知：耗氣量在90～131 m3/min范圍，節(jié)能比例最大為33.3%，平均節(jié)能比例達(dá)30.7%，節(jié)能比例隨著耗氣量的增加而下降；耗氣量在131～174 m3/min范圍，平均節(jié)能比例約為17.1%，節(jié)能比例隨著耗氣量的增加而下降；耗氣量在174～215 m3/min范圍，平均節(jié)能比例為4.2%。

4 結(jié)論

通過對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行了建模、Simulink仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差小于5%，驗(yàn)證了所建模型的有效性，得到結(jié)論如下：

(1) 調(diào)整壓縮空氣系統(tǒng)的加卸載壓力參數(shù)，將壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)平均壓力由0.70 MPa下調(diào)到0.65 MPa，將產(chǎn)生節(jié)能效果4.2%；

(2) 低負(fù)荷情況下，控制空壓機(jī)空載運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在90～131 m3/min范圍平均節(jié)能比例達(dá)30.7%，耗氣量在131～174 m3/min范圍，平均節(jié)能比例約為17.1%，節(jié)能率隨著耗氣量的增加而下降；

(3) 通過調(diào)整壓縮空氣系統(tǒng)的加卸載壓力參數(shù)而達(dá)到輸氣壓力的調(diào)整和加卸載順序優(yōu)化，無需增加硬件設(shè)備就能產(chǎn)生節(jié)能效果，易于推廣，有較強(qiáng)的實(shí)際意義。