步彬

（河北大河邯鋼設計院有限公司，河北 邯鄲 056000）

摘  要：我國壓縮空氣系統約有10%~35%的節能空間，如空壓機變頻改造、使用高效壓縮機、干燥器節能升級等，這些項目如果結合能源合同管理模式，可以將先進的節能技術快速地實現產業化，從而提高鋼鐵企業的技術競爭力。另外，針對鋼鐵企業周邊形成的城市熱島效應，可以采用第二類吸收式熱泵將余熱進行回收，產生的高溫水可用于物料加熱和職工洗浴，甚至還能外供市政供暖，以期減輕冬季采暖污染，從而探索出鋼鐵與民生共贏發展模式。

關鍵詞：壓縮空氣；節能；能源合同管理

0  前言

為了加快碳中和進程，向創新驅動發展戰略提供動力，我國頒布了“十四五”規劃，鋼鐵企業節能減排的任務形勢較為嚴峻，需要在各個生產環節提高能源的利用效率。壓縮空氣由于安全、潔凈、易輸送的特點，被廣泛地應用于工業自動化控制系統，成為冶金行業里僅次于電力所消耗的動力源。根據壓縮機行業的統計資料，壓縮空氣耗電量約占工業總用電量的9%^[1]，約為4000 億千瓦時，可謂是工業電能的消耗大戶。近年來，國內外都在積極開發壓縮空氣系統的節能研究，認為壓縮空氣系統存在著15%~30%的節能空間^[2]，對于中國而言意味著近300 億元的新興市場，如何有效降低空氣能耗成為適應國策的朝陽產業。針對上述問題，本文以能源合同管理模式為契機，開展壓縮空氣系統的節能分析與研究，通過專家平衡管理方式降低系統能耗，并且探索空壓機壓縮熱的高效利用模式，從而追求鋼鐵生產與改善民生的共贏發展模式。

1  壓縮空氣系統節能研究與應用

根據行業調查分析，壓縮空氣系統運行五年的費用主要由三大部分組成，設備投資占據總費用的5%，設備維護費用約為18%，運行電能消耗約為77%^[3]。由此可見，壓縮空氣系統節能研究，應側重于生產運行方面。

圖1 壓縮空氣系統工藝流程示意圖

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

1.1 壓縮空氣系統的能源合同管理模式

能源合同管理（Energy Performance Contracting, 簡稱EPC)，是一種基于節能項目的投資管理模式，由節能服務公司提供前期資金投入和全過程服務，在客戶的產業鏈上進行設備改造和節能服務的項目，合同期間按照文書約定的比例定期分享節能收益，即客戶以減少的能源消耗費用來支付項目合同成本^[4]。

在壓縮空氣領域中，有很多項目可以開展能源合同管理模式，諸如空壓機變頻改造、高效空壓機的更替使用、壓縮機余熱回收、干燥器節能降耗升級、循環水節能泵安裝和系統專家平衡管理等。該模式一方面可以解決企業目前普遍面臨著的流動資金不足的現狀，另一方面能夠吸收先進技術迅速實現節能收益。河北鋼鐵集團在這方面取得了一定的成效，例如在邯鋼西區能源中心開展的新型干燥器能源合同管理模式。

該廠冶煉鋼軋空壓站共設有9臺大型空壓機，配備了微熱再生式干燥器進行除濕處理，每臺干燥器再生時消耗氣量約占空壓機額定產量的12%，此外還需消耗電能對已冷卻的壓縮空氣進行再加熱處理，加上每年消耗掉的大量分子篩氧化鋁等濾料，壓縮空氣系統的運行成本高居不下。為此，結合新研發的零自耗壓縮熱再生式干燥器，通過能源合同管理模式吸收市場資本，淘汰落后的高耗能干燥器，每年可以降低空壓機運行成本約600余萬元。

圖2 節能型干燥器工藝流程示意圖

Fig.2 The schematic diagram of energy-saving dryer

2.2  壓縮空氣系統余熱的回收再利用

目前，壓縮空氣冷卻循環水多采用濕式冷卻塔進行降溫，會產生排污損失、蒸發損失和飄水損失，該部分損失約占冷卻循環水量的1%~3%^[5]。另外，循環水冷卻時會將熱量直接排放至大氣中，導致鋼鐵企業附近環境溫度遠高于其他地區，加劇了城市熱島效應（Urban Heat Island effect，簡稱UHI）^[6]。

空氣壓縮機需要冷卻處理的循環水一般不會超過50℃，屬于低于60℃的溫水，工業中能夠利用這部分溫水的用途較少。但是，對于這部分熱量可以利用第二類吸收式熱泵（Absorption Heat Transformer，簡稱AHT）進行采集 ^[7]，通過消耗少量電能或者蒸汽作為驅動熱源，產生大量的100℃高溫水用于加熱物料、職工洗浴和食堂烹飪等，甚至在北方還可以連接至市政供暖管道，用以減少燃煤采暖造成的大氣污染。

另外，采用第二類吸收式熱泵，空氣壓縮機的冷卻水能夠形成閉路循環，一方面可以避免濕式冷卻塔帶來的各種損失，另一方面可以有效地降低循環水泵的功耗。采用濕式冷卻塔方式，循環冷卻水直接與大氣接觸，飛蟲飄絮容易混入系統并滋生藻類，需要定期添加藥劑和排污，同時循環水泵除了克服管路摩擦阻力外還需要額外提供上塔高度勢差做功。

圖3空壓站冷卻循環水余熱回收工藝流程示意圖

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

H_{濕式冷卻塔的水泵揚程}＝AB段阻力＋換熱器阻力＋CD段阻力＋DE段阻力＋h (m)

H_{第二類吸收式的水泵揚程}＝AB段阻力＋換熱器阻力＋CD段阻力＋DE段阻力＋EF段阻力＋蒸發器阻力 (m)

涼水塔的高度勢差往往占水泵出口壓力的50%以上，并且高度勢差要遠遠大于新增加的阻力損失，由此可見采用第二種吸收式熱泵后，空壓機的循環水泵功耗會得到較大幅度的降低。

圖4 空壓站冷卻循環水泵做功對比示意圖

Fig.4 The contrast diagram of cooling water pump power

通過工程熱力學的相關計算，可以得出三級壓縮離心式空壓機的交換熱量約占電耗的79%。以年產500萬噸鋼鐵企業為例，需要消耗0.8MPa清潔壓縮空氣量約為150000Nm³/h，電機總消耗功率約為16000kWh，同時可伴隨著產生約有12640kW的換熱量需要通過冷卻循環水來進行降溫。

    （1）

P_t,n—壓縮機的技術功，kw。

n—氣體多變壓縮的多變指數，取n=1.3。

T₁—壓縮前氣體的絕對溫度，K。

p₁—壓縮前氣體的絕對壓力，Pa。

p₂—壓縮后氣體的絕對壓力，Pa。

R_g—空氣的氣體常數，取Rg=0.287 kJ/(kg•K)。

q_m—壓縮機的處理能力，kg/s。

Q_s—壓縮機通過換熱器向冷卻循環水交換的熱量，kW。

C_p—定壓比熱，取Cp=1.004 kJ/(kg•K)。

T₂—壓縮后氣體的絕對溫度，K。

T₃—壓縮后氣體通過換熱器后的絕對溫度，K。

該部分散熱量若通過第二類吸收式熱泵采集可以產生約121t/h的80~100℃高溫水，按照城鎮住宅60w/m²的采暖指標設計，可以供應建筑面積高達84300m²的城鎮居民使用。

COP—第二類吸收式熱泵的供熱性能系數。

Q_w—第二類吸收式熱泵用于提高水溫的熱量，kW。

Q_z—第二類吸收式熱泵用于驅動熱源的熱量，kW。

C_w—水的比熱，取Cp=4.1868 kJ/(kg•K)。

tw₁—高溫水的回水溫度，℃，一般可取tw1=80℃。

tw₂—高溫水的供水溫度，℃。

q_m—高溫水的流量，kg/s。

2.3  壓縮空氣專家平衡管理系統

壓縮空氣是一種高品質的能源介質，它的原料雖然廉價，但是制作成本相對昂貴，壓縮機消耗的電能僅有不到20%是用于提升空氣的勢能，其余均為機械摩擦或熱量消耗。因此，企業在建設規劃中，應梳理壓縮空氣用戶，對于可以采用電動裝置的工藝應盡量減少氣動設施使用，以期避免高階資源的低層次利用。目前，大多數鋼鐵企業仍然采用粗狂式的能源供應方式，即用戶隨著生產形勢變化可以任意調節介質用量，而能源供應單位則必須無條件保證其生產使用，因此為了保證壓力穩定勢必會提高整個系統的冗余下限值。根據阿特拉斯公司的資料，空氣壓縮機每提升0.013MPa壓力需要增加能耗1%，輸出壓力每降低0.1MPa則減少耗能5%～6%^[8]，由此看見，較高的系統冗余下限會帶來相當大的資源浪費。

針對上述情況，可以將壓縮空氣的氣源、輸送網絡和用戶視作一個完整的產業鏈，利用工業自動監控系統采集數據，依靠數字技術進行系統優化控制，結合峰谷用量預判經驗形成一個壓縮空氣專家平衡管理系統。它的核心理念是先由能源供應單位、生產一線用戶和數控專業人員組成專家團隊，對氣源、輸送網絡和用戶進行系統優化，然后利用在線檢測裝置對系統用氣壓力、流量等參數進行采集，通過計算機軟件的分析歸納設定系統的最佳運行點。同時，還需要根據各用戶生產計劃或者系統日常運行趨勢預判性地執行開停機或加卸載操作，以最小的系統冗余下限來保證生產使用，從而降低壓縮空氣系統的運行成本。

圖5 壓縮空氣管網系統壓力平衡前后對比示意圖

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

氣源的優化應根據空壓站規模和使用情況而定。一般來講，空壓站內除了配置相同規格的空壓機組外，還需設置一臺小型的變頻機組，其產能應為大型機組的50%~80%，用于平抑系統壓力波動變化。為了避免匯流母管上末端設備的憋壓現象，各空壓機應采用斜三通匯流至并聯管路上。同時，廠房內還應加強通風降溫，相關試驗顯示環境溫度每提升11℃，壓縮機做功效率就會下降3%^[9]。需要注意的是，每種規格的空壓機都有特定的性能曲線，額定工況下運行效率最高，一味追求降低供應壓力反而會使空壓機做功效率下降。此外，還應當加強輸送管網和用戶泄漏量的檢查。當空氣壓力為0.7MPa時，供氣管道上1mm孔洞的泄漏量為1.5L/s，相當于壓縮機損耗增加0.4kW^[10]，而工業壓縮空氣泄漏率一般在5%以上，由此可見減少系統泄漏量對于壓縮空氣系統仍然有較為可觀的節能空間。

3 結  論

通過壓縮空氣系統節能研究與應用，以能源合同管理模式為契機迅速打開節能市場，不僅能夠幫助鋼鐵企業消化吸收先進的節能技術，還有助于促進我國“十四五”節能減排工作順利完成。另外，回收空壓機余熱用于民用公益事業，既可以實現減少能耗的低碳綠色生產模式，又可以改善鋼鐵企業周邊的城市熱島效應，從而探索出一條鋼鐵與民生協同共贏發展模式。

（1）通過能源合同管理模式，利用節能服務公司的技術和資金，迅速將先進的節能技術實現產業化，促進企業壓縮空氣系統的節能改造進程，提升鋼鐵企業的技術競爭力。

（2）采用第二類吸收式熱泵對空壓機的壓縮余熱進行回收，產生的高溫水可用于物料加熱、食堂烹飪和職工洗浴，甚至還可以將其連接至市政供暖管道，減少北方城市燒煤取暖造成的大氣污染。

（3）依靠壓縮空氣專家平衡管理系統，對氣源、輸送網絡和用戶進行系統優化，通過預判性平衡管理降低系統的冗余下限值，從而提高空壓機做功效率，整體降低壓縮空氣系統能耗指標。

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