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上海黎明資源再利用有限公司

0 引言

空壓機是一種用電動機將氣體進行壓縮的設(shè)備，在日常工業(yè)生產(chǎn)中應用較為廣泛，但同時也是能耗大戶。空壓機組為生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供特定的壓力源或空氣流量。已建焚燒廠在無法大規(guī)模地改變現(xiàn)有主設(shè)備的情況下，通過節(jié)流方式提升企業(yè)整體的經(jīng)濟效益，而空壓機是較好的切入點，因其日常運行中能耗成本占全壽命周期成本比例較大，企業(yè)通過對空壓機變頻改造、熱能利用、集中供氣等措施，對整個系統(tǒng)進行節(jié)能改造［1］。

1 背景概述

黎明產(chǎn)業(yè)園區(qū)下設(shè)有焚燒廠、沼氣發(fā)電廠、有機質(zhì)處理廠、建筑垃圾處理廠及填埋場滲瀝液處理站。初期設(shè)計時未統(tǒng)籌規(guī)劃，各自為政，獨立供氣。其中焚燒廠設(shè)計壓縮空氣用量為70 Nm3/ min，選用單螺桿式壓縮機組，三用兩備，額定流量32.8 Nm3/min，額定壓力 0.8 MPa，型號為阿特拉斯 G200。近年來，空壓機排氣溫度頻繁上升，換熱器清理工作量大，后端帶水現(xiàn)象嚴重。沼氣發(fā)電廠和有機質(zhì)處理廠分別配有一臺額定流量22 Nm3/min 和 16 Nm3/min 的機組。

整體優(yōu)化前數(shù)據(jù)統(tǒng)計，正常運行時焚燒廠兩臺空壓機加載運行，在系統(tǒng)用氣量突增時第三臺空壓機間斷運行，日平均加載率約為50%，頻繁啟停造成電能的浪費?？諌簷C冷卻系統(tǒng)采用水冷方式，利用廠內(nèi)閉式循環(huán)水作為冷源吸收空壓機轉(zhuǎn)子、潤滑油及壓縮空氣釋放出的熱能。換熱后此部分能量未合理利用，且換熱后排氣溫度依舊較高，溫度維持在80～95 ℃。沼氣站空壓機累計一日加載0.5 h，有機質(zhì)站空壓機累計一日加載1 h。為確保機組的安全、穩(wěn)定、高效運行，同時節(jié)約廠用電、提高整體經(jīng)濟效益，有必要對原空壓系統(tǒng)進行升級改造。

2 系統(tǒng)優(yōu)化方案

本次系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化分別通過對原分散系統(tǒng)進行整合、機組工頻電機及空壓機組熱能利用三個方向進行。

2.1 園區(qū)一體化供氣改造方案

1)改造前運行情況

由于項目分批建設(shè)，未統(tǒng)一規(guī)劃園區(qū)壓縮空氣供應方式，在設(shè)備選型時都按照最大用氣量計算，局部瞬時性負荷是間歇性用氣，系統(tǒng)實際的耗氣量遠低于設(shè)計值?？諝鈮嚎s機運行中頻繁發(fā)生加/卸載，焚燒廠正常運行中機組的加載率約為55%，沼氣、有機質(zhì)廠加載率僅為30%。頻繁的加/卸載造成能源的浪費，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，未運行在最佳效率區(qū)段。同時，對空壓機內(nèi)部元件造成額外的沖擊，產(chǎn)生使用壽命縮短、油氣分離器滲油等問題。

2）改造后運行情況

鑒于焚燒廠位于整個園區(qū)中心地帶，沼氣發(fā)電廠、有機質(zhì)處理廠及其擴建項目都分散在焚燒廠的東南西北，呈環(huán)形布置。由焚燒廠空壓站向園區(qū)各分廠統(tǒng)一供氣，提高空壓機組的利用率，減少不必要的卸載待機耗電，見圖1。同時結(jié)合變頻改造工程，通過增加一套變頻控制裝置，確保輸出穩(wěn)定的氣源壓力，降低機組的卸載時間，減少電機的空轉(zhuǎn)，實現(xiàn)節(jié)省能源，見圖2。變頻調(diào)整單元具有精確的壓力控制能力［2］，使壓縮空氣輸出與末端用戶所需要的氣量相匹配。變頻改造后的機組通過PLC 控制單元、人機界面、變頻器、壓力傳送單元、電動機、螺桿轉(zhuǎn)子構(gòu)成的閉環(huán)偏差調(diào)整回路，實時調(diào)節(jié)得以實現(xiàn)。

圖1 園區(qū)一體化供氣示意圖

3）節(jié)能控制原理

變頻器依據(jù)中間儲罐壓力信號，將其與設(shè)定的目標壓力進行比較，PID 自動調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)中間儲罐壓力與目標壓力相一致［3］。當園區(qū)壓縮空氣耗氣量增加時，實際壓力低于目標壓力，變頻器自動發(fā)出調(diào)增信號，電機轉(zhuǎn)速上升，反之降低。周而復始，實時根據(jù)儲罐壓力變化調(diào)整，變頻改造前后壓力波動情況見圖2。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)圖見圖3。

圖2 變頻改造前后壓力波動情況

圖3 壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

2.2 熱能利用方案

1)改造前運行情況

黎明產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)使用的空壓機均采用水冷式機組，水源采用閉式循環(huán)水，水冷系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常發(fā)生換熱器結(jié)垢，導致設(shè)備換熱效果不佳。排氣溫度明顯上升，夏季期間時常超過95 ℃。而螺桿式空氣壓縮機的額定產(chǎn)氣量會隨溫度的上升而減少，空氣壓縮機的額定產(chǎn)氣量是在81 ℃標定時的產(chǎn)氣量。但排氣溫度每提高1 ℃，產(chǎn)氣量就會減少0.3%。大幅影響空壓機組的整體效能。原空氣壓縮機冷卻系統(tǒng)組成較為簡單，采用閉式循環(huán)水作為油氣分離器的冷卻水源，水質(zhì)、水量、水溫的變化對冷卻器的效果都會帶來巨大的影響［4］。

2)改造方案

通過對系統(tǒng)的梳理，決定在原油氣分離器冷卻裝置前布置一套熱能回收裝置，既減少了后端閉式冷卻水負荷，減少熱污染，同時可以在前段將高品位的熱能優(yōu)先利用，加熱生活水，用于員工日常洗浴。改造前后空壓機的油冷卻器示意圖見圖4。

圖4 改造前后空壓機的油冷卻器示意圖

3)改造后運行情況

本次對空壓機油氣分離器冷卻裝置進行改造升級，增加了冷卻系統(tǒng)總體的換熱面積，降低了機組排氣溫度。經(jīng)過半年運行，排氣溫度控制在80 ℃以下，空壓機組的運行效率有所提升。同時運行機組絕大部分熱能被有效收集利用。

3 使用效果及經(jīng)濟性

3.1 變頻節(jié)能效果

此次改造增加的變頻設(shè)備參數(shù)如下：變頻器型號VFD-200，空壓機電機功率200 kW，建議變頻范圍35～50 Hz。

園區(qū)一體化供氣工程完成后，焚燒廠空壓機加載率由50%上升至63%。仍有余量為后續(xù)有機質(zhì)擴建項目供氣。同時，原沼氣發(fā)電廠和有機質(zhì)廠獨立空壓機均已停用。

原沼氣發(fā)電廠空壓機組的耗電量：

132×5+53.8×55=3 619（kW·min）=60 kWh

原有機質(zhì)廠空壓機組的耗電量：

90×10+36×50=2 700（kW·min）=45 kWh

空氣壓縮機的實際輸出功率計算式見式（1）。

式中：Pw——功率；

k——常數(shù)；

P——輸出壓力；

Q——輸出流量。

通過改變供電頻率，從而調(diào)節(jié)負載，對應的產(chǎn)氣量Q也隨之改變，見式（2）。

式中：F——電機運行頻率。

200 kW 的空氣壓縮機額定輸出（即加載狀態(tài)）功率為Pw=200 kW，母管壓力為0.7 MPa，可以計算出：k×Q=200/0.7=285。卸載時的功率為加載時的40%，則PW=200×40%=80 kW。

因電機出廠時有最低轉(zhuǎn)速要求，即滿足電機自有的散熱要求，因此，設(shè)定的最低頻率為35 Hz。此時，空壓機輸出流量為：

所對應的輸出功率為：

Pw=0.7 k×P×Q=0.7×285×0.7=140 kW。

對應卸載時的功率：Pw=140×40%=56 kW。

依據(jù)廠內(nèi)實際情況，目前加載率在63%，等于額定產(chǎn)氣量的63%，因此，所需功率為：

Pw=63%×200=126 kW。

當頻率為35 Hz 的輸出功率在140 kW，因此定/變頻改造后的加載率約90%，每分鐘加載53 s，卸載7 s。

焚燒廠在定頻運行時的電能消耗量為：

200×30+80×30=8 400（kW·min）=140 kWh

變頻運行后的耗電量：

140×53+56×7=7 812（kW·min）=130 kWh

通過上述節(jié)能改造，園區(qū)一體化供氣+變頻控制，每小時節(jié)省140-130+45+60=115 kWh。

按照每年運行8 300 h，新能源上網(wǎng)電價0.65元計算，每年可以節(jié)約電費

115 kWh×8 300×0.65元=620 425元。

此次改造新增變頻設(shè)備、材料費及人工費約52萬元，按照目前的運行方式，預計12個月內(nèi)可回本。

3.2 熱能利用改造

熱能利用改造后，為計算其經(jīng)濟效益，在2018年10月對空壓機的運行參數(shù)進行測定，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 空氣壓縮機冷卻系統(tǒng)水源溫度

夏季生活水溫度25 ℃，冬季8 ℃，春秋15 ℃，產(chǎn)生的熱水溫度在60 ℃左右，因夏季生活水溫較高，產(chǎn)水量較大，機組熱回收率60%。

空壓機回收熱功率：

P1=200 kW×60%=120 kW

夏季生活水溫在25 ℃左右，水的比熱4 200 kJ/(kg·℃）。

熱水產(chǎn)量：

Q=120×3 600÷4 200÷（60-25）=2.9 t/h

基本可以滿足廠內(nèi)員工的洗浴用水，在極端情況下，如下班高峰階段會有1-2 h需要電加熱輔助。

而用電加熱制1 t洗浴水（50 ℃），Q=C×M×T每升高1 ℃，Q=4 200×1 000×1=4 200 000 J，損耗記為13%，每度電等于3 600 000 J，每噸水升高1 ℃需1.36 kWh電能，假設(shè)自來水的水溫18 ℃，則需要32×0.87=27.8元，如每天需用25 t水，則全年費用為25×27.8×365=253 675元。

整體熱能利用項目需花費35萬元，參照目前的運行方式，預計20個月即可回本。

4 結(jié)論

黎明園區(qū)一體化供氣改造及焚燒廠空壓站新增變頻裝置解決了原空壓機組頻繁加/卸載的現(xiàn)象，不但起到節(jié)能降耗的效果，而且對設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運行創(chuàng)造了較好的外部環(huán)境。對空壓機組冷卻系統(tǒng)升級及熱能利用方面，不但解決了夏季排氣溫度持續(xù)偏高的問題，而且“變廢為寶”廢熱回收利用，提高了園區(qū)整體的經(jīng)濟性，投運至今近一年時間，運行情況穩(wěn)定，兩項優(yōu)化工程的投資回收期都在2年以內(nèi)，效益顯著，值得推廣。