王水安， 鄭 國， 黃積業(yè)， 龍新峰， 樓 波

(1.華南理工大學電力學院， 廣東廣州 510641； 2.湛江電力有限公司， 廣東湛江 524099 ； 3.華南理工大學化學與化工學院， 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，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，能量浪費高達40%，遠高于國外企業(yè)的15%[2]。做好降低壓縮空氣系統(tǒng)能耗工作，對于我國節(jié)能減排工作具有重要現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學者對雙螺桿壓縮機的工作過程性能、螺桿壓縮機系統(tǒng)建模、壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等進行了深入研究。LIU等[3]考慮運行工況和部分設計參數(shù)的影響，建立了螺桿壓縮機預測模型，通過實驗驗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數(shù)值模型， 通過實驗和模擬研究了螺桿壓縮機的運行參數(shù)與設計參數(shù)對壓縮機絕熱效率和容積效率的影響。KRICHEL S V等[5]將螺桿空壓機系統(tǒng)分為4個獨立的子模塊，建立了較為準確的數(shù)學模型，并通過仿真和試驗證實了數(shù)學模型的有效性。吳萬榮等[6]對雙螺桿空壓機系統(tǒng)進行了數(shù)學建模并進行仿真分析，研究了空壓機系統(tǒng)的動態(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，并對氣缸的節(jié)能應用進行詳細分析。蔡茂林[2]闡述了氣動系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了氣動系統(tǒng)節(jié)能的瓶頸難題，并在此基礎上給出了新的節(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優(yōu)化運行是空壓機系統(tǒng)節(jié)能的一項簡單有效的節(jié)能措施，孔德文等[9]對螺桿空壓機運行能耗進行了分析，并提出空壓機在加卸載運行工況下最優(yōu)控制方案。劉沖[10]針對水泥行業(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)化對策，并應用在實際案例，取得較好的節(jié)能效果。毛聯(lián)杰[11]通過對電解鋁廠壓縮空氣系統(tǒng)改造不僅提高壓縮空氣管網(wǎng)的自動監(jiān)控水平和工作穩(wěn)定性，同時也達到了節(jié)能降耗的目的。樂瑞等[12]采用試驗測試的研究方法，對紡織廠空壓機組能耗進行了診斷，并對其存在的問題提出了優(yōu)化建議。

常見的空壓機系統(tǒng)的節(jié)能措施是對機組采用變頻和變速的運行，但空壓機變頻和變速運行，牽涉到控制系統(tǒng)的改造，總投資費用高。目前空壓機負荷調(diào)節(jié)，普遍是采用加卸載運行控制方式[6]。對于每臺螺桿空壓機，存在運行能耗最小的最優(yōu)卸載壓力線[9]，但對壓縮空氣系統(tǒng)的實際運行過程，還存在合理調(diào)度問題。目前壓縮空氣系統(tǒng)運行能耗高、利用效率低的原因是壓縮空氣系統(tǒng)的加卸載壓力設置偏高、空壓機加卸載順序設置不合理以及空壓機組運行控制性能差導致卸載時間長等。燃煤電廠由于電網(wǎng)調(diào)峰的需要，運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，造成空壓機卸載時間長，能源利用率低。本研究結(jié)合生產(chǎn)過程，通過實地測試某燃煤電廠輸灰用螺桿壓縮機的吸氣參數(shù)、產(chǎn)氣量與耗電量參數(shù)，然后對壓縮空氣系統(tǒng)進行建模分析，調(diào)整空壓機的加卸載壓力參數(shù)和運行臺數(shù)，設置空壓機組加卸載順序，以尋找壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化運行方式，達到節(jié)能效果。

1 輸灰用的壓縮空氣系統(tǒng)

某燃煤電廠4×330 MW機組輸灰用的壓縮空氣系統(tǒng)，共有6臺螺桿式空壓機，長期5臺空壓機運行，1臺備用，各空壓機參數(shù)列表如表1。空壓機采用加、卸載調(diào)節(jié)方式運行，加載時氣壓、流量均為額定參數(shù)，功率均為現(xiàn)場實測數(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 各空壓機參數(shù)

2 壓縮空氣系統(tǒng)的模型與驗證

2.1 雙螺桿空壓機能耗模型

由于壓縮過程中噴油會冷卻壓縮空氣，實際壓縮過程往往被認為是多變過程，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)

雙螺桿空壓機的驅(qū)動功由兩部分組成，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。空壓機每轉(zhuǎn)單個工作容腔所需的理論驅(qū)動功[13]為：

式中，Wt—— 每轉(zhuǎn)單個工作容腔所需的理論驅(qū)動功，J

Vi—— 吸氣結(jié)束時齒槽間體積，m3

pt—— 管網(wǎng)壓力，Pa

Vo—— 壓縮結(jié)束時齒槽間容積，m3

其中：

(3)

式中，θ—— 結(jié)構(gòu)容積比，有機器結(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[13]

當空壓機加載運行時，整臺空壓機所需的理論驅(qū)動功率為：

(4)

空壓機實際消耗的功率為：

(5)

ηT=ηiηm

(6)

式中,z—— 螺桿空壓機陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)

ns—— 陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min

ηT—— 空壓機等溫效率

ηi—— 空壓機指示效率

ηm—— 空壓機機械效率

2.2 雙螺桿空壓機容積流量

與活塞式空壓機不同的是螺桿空壓機在工作過程中因陰陽螺桿之間的間隙發(fā)生內(nèi)泄漏，使得空壓機產(chǎn)氣量和效率都會有所降低。螺桿空壓機實際容積流量按下式[14]進行計算：

(7)

式中，Qv，Qvt—— 分別為有空壓機實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，各種類型的螺桿空壓機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計及制造決定的[14]。實際過程中不同工況壓比會有所不同，因此容積效率也有所差異，容積效率通常采用以下經(jīng)驗公式進行計算[15]。

(8)

2.3 儲氣罐數(shù)學模型

儲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—— 儲氣罐壓力，10-6MPa

Rg—— 空氣氣體常數(shù)，為285

T2—— 儲氣罐內(nèi)氣體溫度，K

m—— 氣體質(zhì)量，kg

V—— 儲氣罐容積，m3

a，b—— 空氣的范德瓦爾常數(shù)，分別為0.1358和0.0364

ρa—— 空氣密度，kg/m3

Qi—— 儲氣罐進氣量，m3/min

Qo—— 儲氣罐出氣量，m3/min

(11)

式中，pav—— 儲氣罐平均壓力，Pa

t1，t2—— 分別為空壓機起始運行和終止運行時間，s

2.4 壓縮空氣系統(tǒng)Simulink仿真模型

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

2.5 空壓機系統(tǒng)功耗驗證模型

空壓機實際功耗可以通過現(xiàn)場測量電機的電壓、電流、功率因數(shù)計算得到，單臺噴油螺桿空壓機加卸載時消耗功率如下：

(12)

式中，U—— 線電壓，V

I—— 線電流，A

cosφ—— 功率因數(shù)

多臺空壓機總耗功為：

(13)

空壓機組運行一段時間的平均功率為：

圖1 單臺螺桿空壓機的Simulink模型

(14)

為了對所建數(shù)學模型及仿真模型的有效性進行驗證，搭建相關試驗平臺進行試驗。試驗平臺主要由空壓機、傳感器和相關測量儀表等組成，圖2是壓縮空氣系統(tǒng)試驗原理圖。

圖2 燃煤電廠壓縮空氣系統(tǒng)試驗原理圖

2.6 模型驗證

通過到某電廠對壓縮空氣系統(tǒng)安裝測量設備，在機組滿負荷情況下進行測量試驗。測量平均耗氣量為215 m3/min，環(huán)境溫度為21 ℃，儲氣罐平均溫度為45 ℃。根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)試驗條件，設定與之對應的仿真初始參數(shù)，通過對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果驗證數(shù)學模型的準確性。壓縮空氣系統(tǒng)動態(tài)總耗功及壓力模擬值與試驗值對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓縮空氣系統(tǒng)動態(tài)性能實驗值與仿真值比較

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曲線與仿真曲線的變化趨勢一致，最大相對誤差為3.25%，說明所建立螺桿空壓機動態(tài)特性的數(shù)學模型能對壓縮空氣系統(tǒng)的能耗及儲氣罐的壓力變化進行較為準確的描述，可以用于預測壓縮空氣系統(tǒng)在不同工況下的能耗及壓力的動態(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的加卸載方式壓力帶寬普遍設置偏高，絕大部分用戶都會將空壓機壓力帶寬設置到0.1 MPa以上，存在近0.1 MPa的壓力能量浪費[10]。由于管道壓力損失不確定, 設備啟動存在流量高峰等原因, 壓縮機的供氣壓力有時比現(xiàn)場要求壓力高出0.2～0.3 MPa，浪費嚴重[12]。

根據(jù)廠方的運行數(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行仿真，得到空壓機組調(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，空壓機組的總功率會有所下降，平均節(jié)能比例為4.2%。

3.2 空壓機運行臺數(shù)控制

燃煤電廠由于電網(wǎng)調(diào)峰的需要，運行所需的壓縮空氣量存在周期性的變化，低負荷情況下(尤其夜間)，系統(tǒng)需要的壓縮空氣較少，多臺空壓機往往會進入空載狀態(tài)，浪費電能。此時可以人工進行啟停空壓機，減少空壓機空載現(xiàn)象，節(jié)省電能。通過在Simulink上對壓縮空氣系統(tǒng)在不同耗氣量的工況進行仿真，得到空壓機組優(yōu)化運行前后平均功率及管網(wǎng)平均壓力見圖5。

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

圖5 空壓機組優(yōu)化運行前后平均功率及管網(wǎng)平均壓力

3.3 總優(yōu)化運行效果

綜合3.1的輸氣壓力調(diào)整以及3.2的控制空壓機運行臺數(shù)，現(xiàn)場對總優(yōu)化運行方案和優(yōu)化運行前進行了仿真模擬和相關試驗，仿真及試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真及試驗結(jié)果功率對比

由圖6可知仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相接近，相同平均耗氣量下，試驗結(jié)果會比仿真結(jié)果稍大一些，這是因為試驗過程中耗氣量波動引起的結(jié)果。通過對比優(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

通過對壓縮空氣系統(tǒng)進行了建模、Simulink仿真和現(xiàn)場試驗，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相對誤差小于5%，驗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) 低負荷情況下，控制空壓機空載運行臺數(shù)，在90～131 m3/min范圍平均節(jié)能比例達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，無需增加硬件設備就能產(chǎn)生節(jié)能效果，易于推廣，有較強的實際意義。