浅谈利用“物联网+大数据分析+云计算”进行压缩空气系统节能研究

金巍，袁玮，张晓强

（1.中国通用机械工业协会压缩机分会；2.北京中竟国际能源科技有限公司，北京 100000）

随着大数据技术的不断成熟，大数据的应用渗透到我们生活的方方面面。近年来大数据技术在工业领域的应用程度不断加深，在推动传统工业生产方式转换和生产效率提高的同时，也推动了工业领域节能减排工作的持续提升。依据国际铜业协会2018 年市场调查报告统计数据，在2017 年我国工业领域风机、水泵和空压机合计年耗电量为3.8 万亿度，其中空压机年耗电量为5700 亿度，占总耗电量的15%。作为压缩空气仅次于电力的第二大动力源，在工业生产过程中，仅有60%的能源有效利用于生产，其余40%的能源消耗于效率损失、压缩热以及泄漏与假性需求，2017 年压缩空气系统能源浪费约2000 亿度电，且呈上升趋势。

当前我国生产的空气压缩机单机能效与发达国家相比基本持平，甚至在一些功率段还好于发达国家，但从整体压缩空气系统的能效水平来看，远远低于发达国家10%-35%，差距较大。为什么会有这么大的差距？我们依据中竞国际能源公司近年来在压缩空气系统节能项目的实施经验，总结出以下几点。

1 当前压缩空气系统节能方面存在的问题

1.1 节能理念、方法仍处在传统节能阶段

当前节能对象基本是“空压机设备”或“空压机站房”，仍停留在“单机优化”或“单元优化”。常见的模式有：

（1）老旧空压机、干燥器等设备的“以新换旧”，取代不节能的空压机或后处理设备；

（2）工频空压机进行变频改造或增加变频空压机；

（3）单一品牌空压机组群控或空压机组与干燥设备连锁联控；

（4）空压机余热利用等。

从上面的模式中可以看出，依旧是“设备节能”或“单一技术节能”，即“头痛医头脚痛医脚”，而不是从整体压缩空气系统能源消耗的角度去分析。消除压缩空气使用不当造成的浪费，尽量减少压缩空气的泄漏做到零泄漏，去除压缩空气系统运行过程中由于用气设备或工艺流程设置不当，而造成多余的压缩空气消耗，也就是我们前面说的假性需求。

图1

如图1 所示我们的空压机组就相当于发电机组，储气罐、压缩空气干燥设备就相当于变电站，两者加起来就是我们的压缩空气站，也就是我们的产气部分；压缩空气管路相当于我们的供电线路，它的粗细影响着压缩空气的输送，它的泄漏意味着气量的损失；用气设备相当于我们的电灯、空调、洗衣机等用电设备，节能灯节电的道理我们大家非常清楚了，那在满足用气设备正常工作的情况下，减少所消耗的压缩空气量这个道理我想大家也就不言而喻了。最外围的虚框就是我们整个压缩空气系统的构成。

众所周知使用压缩空气驱动的专用设备属于耗气设备，而耗气设备的需求就是我们压缩空气站的供给，只有通过消灭浪费和泄漏，控制假性需求，通过技术革新或采用新技术来改变耗气设备实际压缩空气量的需求，才能最大化地发挥出供给侧的有效供给。

1.2 大数据维度不够，基础数据不准，信息化程度不高

大数据是全数据，需要实时性，以及效益的数据化。当前大多数企业采用的数据分析系统是传统的IT 系统数据，缺乏多维度分析的数据基础。另外，基础数据不准，能源消费数据精确度不够，获取数据频度过宽，甚至有些基础数据是人为主观经验估算的，准确性和精确性达不到数理统计的要求，设施设备信息化水平较低。总之，目前的信息化水平处于粗放有余，精细度不足，很难发挥其巨大的潜力。

1.3 了解大数据思维，却在一堆数据面前显得束手无策

大部分用能单位包括节能服务公司，虽然认识到系统节能的重要性，了解大数据思维。但缺乏行之有效的理论、方法和工具，不能针对性地分析出对压缩空气系统能耗影响的主要因素，无法运用“设备节能+技术节能+管理节能”的方法打出一套“组合拳”，实现节能量最大化和准确计算节能率。

目前实际运用中缺少压缩空气系统能耗监测平台，即使有大多数也只是数据监测，并没有进一步进行数据分析，让数据“说话”，体现数据的价值。

由于工业能源数据大爆炸式增长，传统关系型数据库已无法满足海量数据分析。依托于以海量、实时和多样性为特征的大数据技术，需要从底层架构重塑压缩空气系统诊断平台，不仅做到监测诊断，而且通过大量的数据进行分析、挖掘，指导企业的“节能节钱，节人节钱，运维节钱”的新节能理念。

2 突破系统节能的瓶颈

大数据关注的“是什么”，而不是“为什么”。经常网购的人会更容易体会，很多电商网站的推荐引擎它能够在顾客买书的时候，推荐顾客刚好喜欢的那些书籍，顾客可能不知道“为什么”，其实网站也不在乎“为什么”。但是网站通过成千上万甚至上亿人购买图书的喜好，经过数理统计学分析，就可以发现“关联物”，或者说大数据更擅长通过数理统计分析的方法，分析出人们所无法感知的一些关联，并建议我们采取行动。同理，在压缩空气系统节能领域，从全系统、全方位角度获取压缩空气系统运行的海量数据，细化数据的频度单位，通过数学建模分析，发现压缩空气系统节能的“关联物”。

“看到才相信”与“相信即看到”之间的差别就在于理念，在于系统思维方式！

压缩空气系统节能就要用系统化思维方式解决问题，要从三个维度即设备、技术、管理来综合治理，打出一套“组合拳”，从而解决“头痛医头脚痛医脚”的根本问题。其次，运用“物联网+大数据分析+云计算”实现先进理念和系统思维方式的核心手段，没有数据采集、精确的计量和大数据分析作为支撑，很难实现系统精准节能。

3 利用大数据云技术升级迭代传统节能理念

针对我国工业企业压缩空气系统能效现状和问题，中竞国际能源公司致力于打造从源头到末端的系统整体节能解决方案，从北欧引入先进压缩空气系统节能理念、方法和工具，并在国际专家、中国标准化研究院和中国通用机械工业协会压缩机分会等专家的共同合作与指导下，共同探索“引进、吸收、二次创新”之路，充分结合我国工业企业的具体情况，运用“互联网+节能”的思维，从致力于形成自主知识产权来降低用数据思维为工业企业进行节能服务的难度，到运用“物联网+大数据分析+云计算”进行压缩空气系统节能，实现了传统节能的升级迭代，跨入“新节能理念”领域。

在实施压缩空气系统节能项目的过程中，突破以往只关注源头动力设备的传统节能方式，更加注重源头动力设备和末端用气设备之间的相关关系，提供数据化、个性化的节能诊断和节能改造。通过对企业压缩空气系统进行全方位、立体化的调查、监测，以及基于大数据分析理论计算和改造经验评估节能潜力，为客户提供全方位的中控室诊断、空压站房诊断、供气管网诊断和末端用气设备诊断服务。

3.1 利用大数据技术，搭建压缩空气系统智慧云平台，提供综合解决方案

通过建立压缩空气系统数据中心，利用设备上部署的传感器，通过数字模拟分析系统，解决数据采集、存储、分析、预警和控制等各环节问题。对企业压缩空气系统进行实时监测与预警，通过大数据的趋势分析，智能预判其用气负荷变化，并及时反馈。在此基础上，进行用能诊断，对海量数据深层次地挖掘，优化其能源消费，提供综合解决方案。

通过不断精细化迭代分析，数据模型循环上升，开始是静态数据(电量、压力、温度、设备维护数据)加少量动态数据(运行数据、状态数据)，挖掘出节能空间，并支持空压机计划性维护。随着维护水平的提升，需要更多的数据支撑，这时可能需要部署更多的传感器，按照更高的采样精度进行采集传输，形成新的分析模型，实现智慧运维。

3.2 利用压缩空气系统智慧云平台，对企业节能减排、工作决策提供数据支撑

随着大数据时代的来临，工业企业的能源监管平台也逐步完善，管理方式由粗放式管理转为精细化管理，能源消耗结构也逐渐清晰，利用压缩空气系统智慧云平台，有效实时与企业能源管理平台实现无缝对接，帮助企业对用能和排放数据进行统计、查阅和管理，并对节能减排措施的运行态势进行分析、预警，实现运维智能化，对企业赋能。

通过海量数据(包含实时采集数据流和历史数据)导入，进行深度智能分析和数学建模，优化和改进现有业务流程。通过一年的压缩空气系统监测数据，结合日常管理参数设定，发现其中潜在的各种相关性，根据压缩空气系统的变化趋势进行事前预判，有效地避免了设备运行故障。

中竟国际能源公司实施的首个压缩空气系统节能项目已入选北京市发改委组织评选的《北京市2018 年节能低碳技术产品推荐目录》，该项目具有优秀的示范作用和积极地推广意义。

毋庸置疑，节能产业各方对利用大数据技术都表现出了极大的兴趣，不少企业、大学和科研机构已经开始了在节能减排工作中对大数据进行数理统计分析的尝试和探索。中竞国际能源公司在压缩空气系统节能运用大数据领先了半步，我们有理由相信，不久的将来，“大数据”技术必将在我国工业领域的节能减排工作中得到更多的应用和发展。