浅谈空压站能耗管理系统设计

（南方电网综合能源股份有限公司，广东 广州 510075）

随着我国社会、经济、工业的快速发展，各类可循环再生、环保清洁的动力源，例如风能、水能等，逐渐成为不可或缺的动力源。压缩空气动力源的原料是空气，其动力原理就是利用空气压缩机将空气转化成为气体压力能源，其特点是成本低、可再生、安全以及无污染等，相较于其他动力能源，压缩空气能够不受环境、天气等外在因素的影响，所以在我国各领域中都有着极其广泛的应用。然而空压站虽然优点很多，但其本身的能耗问题成了阻碍空压站快速发展的障碍，如何在确保空压站正常运行的基础之上，合理、有效地降低空压设备自身的能耗，是人们重点研究与探索的课题。

1 空压站能耗管理的意义

压缩空气可谓是工业企业生产过程中的第四能源，电能消耗占企业工厂总能耗的5%~30%。在空压站的实际应用中，用气企业的全生命周期成本包括设备购置费用、运行维护费用及使用成本（电费）。根据相关统计资料数据显示，我国每年空压设备的耗电量已经占到全国总发电量的6%，如果这些空压设备能够降低20%的能耗，其市场前景与经济价值就会十分巨大。按照2018 年全国发电量67 914.2 亿kWh 计算，可实现节约电量814.97 亿kWh，按照0.65 元/kWh 平均电价估算，其市场经济价值可达529 亿元，市场前景可观。

2 空压站能耗管理中的主要问题分析

2.1 设备选型问题

空压设备的类型与型号众多，各行业使用的空压设备不尽相同，对其性能要求也差别较大。然而有一些企业在对空压设备进行选型时，关注的却是眼前的一次性投入，却忽视了空压设备的能耗与性能参数，选用的空压设备往往存在排气量和排气压力过大，造成浪费资源的情况出现，使空压设备的运行效率大大降低[1]。

从相关统计数据中（如图1 所示）不难看出，我国空压设备的使用效率远远达不到世界平均水平，而使用效率最高的国家要高出我国24%。由此可见，我国在提高空压设备效能方面还有着极大的提升空间。

2.2 设备控制问题

我国在空压设备的使用过程中，普遍采用的是人工值班制度对空压设备进行控制，根据生产需求对空压设备的启动或停车进行实时调整。同时为了避免出现频繁启、停空压设备，其供气控制一般采用的是加载和卸载控制，即空压设备有3 种交替工作状态。设备满负荷运行时，设备的供气量不大于末端用气量，且设备排气口压力比空压设备内部压力小。设备卸载运行时，供气量比末端用气量大且排气口压力比内部压力大，此时将空气入口阀关闭，从而使供气端压力减小。当空压设备的供气量逐渐小于末端用气量时，空压设备则再次加载运行[2]。

空压设备在加载运行过程中，会因启动设备而产生一定的冲击电流，不但会威胁电网的安全，而且也导致了电力资源的浪费。而当空压设备处于卸载运行状态下时，空压设备的压缩机却仍然在运行，此时的空载能耗可以达到满负荷运行时能耗值的20%~40%。除了浪费电力资源之外，反复切换空压设备的运行状态也会使管道影响压力，使产品质量下降，设备损耗加快，空压设备的维护成本与使用寿命也随之缩短[2]。

图1 世界主要国家空压设备使用效率统计

2.3 损耗、泄露及浪费问题

空压设备在完成压缩空气的过程中，所经过的设备组件包括冷却器、过滤器、干燥器、控制阀门与传输管道等。而在传输时，会因管道长度、管头及管道直径等因素影响排气压力。据统计，每损耗0.1 MPa 排气压力，其损耗的电力就会有7.5%的多余损耗。

空压站的隐患之一就是气体泄露，由于空压设备处在复杂的工作环境中，因此，对其进行维护保养也是十分重要的，在长时间运行后，空压设备往往会发生密封片松动、老化等问题。如果不能及时对问题部位进行维护，就会加剧气体泄露，使空压设备的能源损耗大幅度增加。

空压设备在正常运作时，其消耗的电力仅是其总耗电量的10%，剩下的电能则转变成了热能量，即机器摩擦热量、压缩气体热量等。这些废热的温度在80 ℃~100 ℃，而产生这些热能量所消耗的功率却占到了70%。由此可见，如果能够科学、合理的利用这些“废热”，就可以有效提升生产的效率。然而现在普遍存在的问题是，企业对于这些热能并没有加以利用，从而导致浪费余热的问题较为严重。

3 空压站能耗管理系统设计探究

为提升压缩空气系统的能效水平，《压缩空气站能效分级指南》团体标准已于2019 年1 月1 日起正式实施。按照供气压力露点及供气量的不同和压缩空气站综合输功效率的大小，压缩空气系统的能效可分为5 个等级，1 级最高，5 级最低，并对应各等级给出系统用电单耗值。按照常见的工业企业压缩空气站供气量100 m3/min、供气压力0.7 MPa、压力露点-20 ℃的条件查询，1 级、2 级、3 级、5 级能效等级对应用电单耗分别小于0.100 kWh/（m3/min）、0.109 kWh/（m3/min）、0.120 kWh/（m3/min）、0.144 kWh/（m3/min）。因此，团体标准的实施，为建设超高效空压站提供了技术依据和对比标准[4]。

按照当前工业互联网的发展理念，既有空压站系统节能改造及新建项目有必要建立一套空压站专用能耗管理系统，集设备监控、数据采集、实时控制与反馈、数据存储等功能于一体，实现压缩空气站能效水平实时监测和自动控制功能，建立远程无人值守的自动化工作模式，从而降低企业能源费用和生产成本。

空压站能耗管理系统框架设计采用B/S 结构和组件开发技术进行系统架构设计和系统开发。通过采集空压站系统现场设备层电能、供气流量等现场数据参数，利用能源网关设备汇集统计收集的数据参数并上传到服务器层，在后台进行统计计算分析以及显示设备能效状态，实现对企业现有空气系统的能效管理。其中低功耗能源网关设备是数据采集的重要物理设备，可实现数据的本地采集、存储和定时数据远传，设备包含RS-232 和RS-485 串口，两路串口可以同时使用，实现RS-232 和RS—485 与以太网双向透明传输。

3.1 空压站能耗管理系统能效监测的主要参数

3.1.1 用电量

监测每台空压机用电量，监测空压站系统总用电量，包含空压机、冷干机、冷却水系统等全部用电量。采用多功能智能电表，精度等级0.5 级，双路RS-485 通信接口，可存储6 个月的历史电能的数据记录。

3.1.2 排气温度、压力

监测空压机出口压力、温度，监测空压站系统总管出口压力、温度。

3.1.3 供气流量

监测每台空压机的供气流量，监测空压站系统总管出口的供气流量。采用远传式气体流量计，精度等级1.5 级。

3.1.4 压力露点

监测空压站系统干燥器出口处，采用在线露点仪测量，精度等级±2 ℃。

3.2 空压站能耗管理系统主要功能

3.2.1 空压机组运行工况监测

包括设备运行工况监测，可对设备运行的电压、电流、有功、无功、功率因数等实时数据进行监测。对压缩空气流量、压力、温度等实时数据进行监测。

3.2.2 群控系统

基于PLC 集成控制技术，通过多机台运行参数实时采集和反馈，实现空压机台联动运行和远程启停，实现空压站无人值守。

3.2.3 空压站能效监测

空压站能效监测对主要监测参数进行了历史统计和实时展示，以曲线、图表等多种形式进行分析展示。对单位产气量能耗进行实时计算和曲线展示，设定能耗水平基准，对异常情况进行记录分析，支持单耗-时间散点图、用电量-时间散点图、排气量-时间散点图、节能量分析等功能。

3.2.4 能耗报表

结合实际运行需求，定制各类统计报表，包括单独计量点的报表以及不同机组能耗报表或单耗报表，设备负荷变动报表等，报表可以输出Excel 格式，便于进一步分析交流[5]。

4 结论

综上所述，通过空压站能耗管理系统的设计研究和应用，实现了空压站能效数据监测的可视化和自动控制功能，为实现空压站远程无人值守自动化管理打下了坚实的基础。同时，在空压站的建设运营过程中，能源站第三方投资供气模式逐渐得到了应用推广，企业可以根据实际情况选择合适的空压设备，同时设计科学合理的空压站能耗管理系统，加大空压系统设备的维护保养力度，真正实现空压站降能耗、提产量、促效率的目标，产生明显的经济效益和社会效益。