智能调峰e型零气耗鼓风热干燥器系统的研究

2023-09-13许鹏程董鹏举

压缩机技术 2023年4期

关键词：干燥器峰谷压缩空气

许鹏程，董鹏举

(贝克欧净化科技南通有限公司，江苏南通 226010)

1 国家电网的峰谷平供电特征

1.1 国家电网的电价特征

国家电网工业用电大都采用峰谷平不同电价供电，其主要原因是国家电网日间用电需求高，电力供应不足，夜间用电需求低，电力供应过剩。峰谷平电价可以促使人们合理调节用电负荷，平衡电力供需，促进节能减排，保障电网安全稳定运行。

峰谷平电价是指在不同时间段内采用不同的电价，即在用电峰期电价较高，谷期电价较低，平期电价适中。这样，能够引导用户在峰期减少用电，同时鼓励在谷期增加用电。这种差异化的电价政策可以促进用户采取合理用电方式，平衡用电负荷，实现节能减排。

此外，采用峰谷平电价政策还可以调节能源消费结构。由于峰期电价高，谷期电价低，这样就刺激了清洁能源的发展，如水能，风能和太阳能等，更加经济和环保，降低了总体碳排量。

1.2 国家电网的峰谷平电价与碳中和的关系

峰谷平电价与碳中和有密切的关系。碳中和是指机构或个人通过采取减排和汇存来抵消自身碳排放的过程。在能源消费中，采用清洁能源和节能减排可以减少碳排放，是实现碳中和的关键。

采用峰谷平电价政策可以促进用户在谷期使用电网的过剩能源，从而实现碳中和。由于谷期电价相对较低，使用过剩能源供电成本也较低，从而鼓励用户更多使用过剩能源。峰期电网电力需求大大高于谷期，电价较高，减少峰期电能消耗就降低了碳排放总量。

综上所述，采用峰谷平电价政策有助于促进使用过剩能源和节能减排，从而实现碳中和。

2 普通零气耗鼓风热压缩空气干燥器的运行特征

2.1 不规律周期性耗电

鼓风热干燥器的工作原理简单来说就是采用双吸附塔设计，一塔的吸附剂在吸附压缩空气中的水分同时，另一个吸附塔对已经吸附饱和的干燥剂进行再生。当吸附塔出口的压力露点升高到设定值时，双塔功能切换。由于再生过程不使用干燥的成品气，所以是一种节能型的零气耗压缩空气干燥器。

在加热再生阶段，干燥器使用鼓风机将环境空气通过加热器加热到接近170～200 ℃后，送入湿的吸附塔对吸附剂进行再生，再生完成后，通过闭环循环，辅以冷却器降温，把吸附剂冷却到接近环境温度。

干燥器的整个工作过程根据压缩空气含水量的不同，呈不规律的周期性变化，如图1所示。橙色温度曲线处于高位时代表干燥器主要耗电设备加热器在工作，图中2次加热再生时间都落在了日间进行，这不但要付出用电高峰时的高价电费，增加了生产成本，而且也增加了国家电网的碳排放量。

图1 鼓风热干燥器不规律周期耗电图

2.2 装机功率大，节约潜力大

鼓风热干燥器一般用于大流量的压缩空气处理，以干燥150 m3/min压缩空气干燥器为例，装机容量大约在130 kW，年平均功率约为80 kW，年运行时间一般为8000 h，仅一台干燥器一年的耗电量就约为640000 kW·h。

3 智能调峰e型压缩空气干燥器的设计原理

3.1 智慧运行

智能调峰e型干燥器利用现代智能科技对传统的通用机械设备进行精准的运行控制，使干燥器在日间电力波峰和平峰期，仅对压缩空气进行吸附工作，把耗电的再生阶段自动推迟或提前到电力波谷时期，使得整体设备在保持连续工作的前提下，智慧运行在电力过剩的夜间，最大可能的帮助电网减少日间碳排放，仅用夜间过剩的电力就可以实现全负荷的高效运转，为企业大幅度的降低了生产用电成本。

3.2 技术实现

3.2.1 网络爬虫技术

爬虫(spider)是一种在互联网上自动获取信息的程序，通过对国家电网每月电价信息的实时跟踪和解析，能自动获取全国所有省份峰谷平以及尖峰的准确分时规则及对应电价，形成e型干燥器的云上参考数据库，并随时对该数据库进行自动更新。

3.2.2 工业物联网技术IIoT 与云计算技术

利用工业物联网(Industrial Internet of Things)技术将云端专用服务器与本地运行的e型干燥器结合起来，将干燥器所有的本地设备参数及运行参数上传到云端服务器，云端服务器通过强大的云计算功能，对比爬虫先前所获取的全国电力规则和分时电价数据库，对实时采集到的干燥器大数据进行趋势分析，通过IIoT向干燥器下达工作指令，对每个工作流程进行优化，系统可以同时精准控制万余台干燥器的工作流程，结合人工智能进行智能化决策，保证干燥器在供电波谷开始时启动设备耗电流程，例如加热再生流程，在供电波峰到达之前，结束一切耗电流程，使干燥器进入静默待机状态。这就进一步提高了生产效率的同时也降低了生产成本。

3.2.3 智联云管家

保证云端服务器与本地运行的干燥器通讯顺畅是干燥器可靠运行的关键，贝克欧科技与上海交通大学共同研制的智联云管家为上述设备云地之间数据互传提供了可靠的保障。智联云管家采用OTA技术，底层固件与上层运行软件均可以通过移动网络的4G或5G技术进行在线更新，还可以对干燥器执行大脑中心PLC进行在线程序更新。在客户的设备日常使用中，设备的系统也在客户的不知不觉中不断的完善和进化。

3.3 吸附冗余量设计

一般情况下，国家电网供电低谷时段每日不超过三分之一的时间，也就是每天不超过8个小时，这样，为保证极致的干燥器节能效果，干燥器本身在任何条件下，都要保证吸附流程连续24小时工作，这可以根据压缩空气的含水量以及设备配置，利用热平衡计算出吸附剂的需求量，为了保证湿压缩空气的空塔流速以及和吸附剂的接触时间，适应负载波动，这就需要对干燥器进行冗余量设计。经过多次实验，我们最后确定干燥器采用三塔设计方案。由三塔轮值吸附工作，保证在最恶劣的条件下，也能保证用户的压缩空气品质。另外两塔在供电低谷时段完成再生流程，进入到静默待机状态。

3.4 全自动智能运行

综上所述，完整的e型干燥器系统由用户本地运行的干燥器、干燥器内置的智联云管家以及云端强大的服务器和云数据库共同构成。当设备安装就位后，智联云管家根据所接入的移动网络判断出自己的地理位置并将此信息发送到云端服务器。云端服务器中，一直后台运行的爬虫已经建立并实时更新了基础信息数据库，数据库包括供电尖峰、峰、平、谷在每个省的时段划分规则和对应的电价。云端服务器中运行的干燥器智能管家根据收到的干燥器的地理位置，自动匹配对应的数据库数据，并建立运行模型。随着干燥器运行数据源源不断上传到云服务器，干燥器的运行趋势分析也越来越精准。运行模型经过短期的自学习和数据积累，干燥器就精准的避开尖峰、高峰和平峰供电时段，自动控制耗电流程运行在供电波谷时段，从而实现节能减排和节约生产成本的目的。同时，云端服务器会自动同步信息到移动客户端的APP界面，使干燥器操作者能达到“手机在手，掌控所有”的先进设备管理水平。干燥器手机管理界面如图2所示。

图2 干燥器移动客户端界面

4 智能调峰e型压缩空气干燥器对碳中和的贡献

根据智能调峰e型干燥器的设计原理，我们可以看出，该型干燥器耗电流程只运行在国家电网供电低谷时段，而电网低谷时段电能多为过剩能源和清洁能源。干燥器系统通过智慧型运行模式，把本来在日间的用电时段智能的调节到了夜间低谷时段用电，降低了日间国家电网的碳排放量，使用了夜间电网的过剩电能并减少了电网的无功损耗，从而对碳中和做出了贡献。

5 智能调峰e型压缩空气干燥器对运行成本的节约计算

5.1 江苏省峰谷平时段与电价

根据《江苏省发展改革委转发<国家发展改革委关于第三监管周期省级电网输配电价及有关事项的通知>的通知》(苏发改价格发[2023]552号)文件要求，继续对100 kV安及以上的工业用户执行峰谷分时电价。

时段划分：

高峰时段8：00～11：00、17：00～22：00

平时段11：00～17：00、22：00～24：00

低谷时段0：00～8：00

执行单一电价高峰段电价上浮67.19%，低谷电价下浮54.82%。

根据国家电网发布的《国网江苏省电力有限公司关于2023年6月代理购电工商业用户电价的公告》内容获悉，江苏省工商业用户电价表如下表所示，框中标出的是适用于大多数工业企业的用电单价。

5.2 普通干燥器与e型干燥器运行电费对比

干燥器运行年耗电费用(元)=年耗电量(kW·h)×电价(元/kW·h)

普通干燥器呈不规律周期性再生流程耗电，虽然每个周期具有随机性，从一整年的时间跨度来看，再生流程耗电周期落在供电峰谷平时段的概率是均等的。因此，可根据峰谷平各时段的时长占比和对应电价，计算得到当地的加权平均电价，作为普通干燥器的电费计算用电价。

以江苏省公布的电价表为例，高峰时段电价1.2115元/kW·h，历时8 h；平时段电价0.7246元/kW·h，历时8 h；低谷时段电价0.3274元/kW·h，历时8 h。计算得到加权平均电价为0.7545元/kW·h。

而智能调峰e型干燥器的再生流程耗电阶段发生在供电低谷时段，如图3所示。故取低谷电价作为其电费计算用电价。查电价表得出，江苏省低谷时段电价为0.3274元/kW·h。

图3 智能调峰e型鼓风热干燥器工作时序图

在设备耗电量一样的情况下，峰谷平时段的电价差即决定了运行费用差。仍以江苏省为例：

每千瓦时节约电费=加权平均电价0.7545元/kW·h-低谷时段电价0.3274元/kW·h=0.4271元/kW·h

智能调峰e型干燥器节约电费比率=每千瓦时节约电费0.4271元/kW·h÷加权平均电价0.7545元/kW·h=56.6%

同样以干燥流量为150m3/min的压缩空气，年耗电量约为640，000 kW·h的干燥器为例，如选用一台普通干燥器，计算得出年电费成本约在48.288万元；如采用智能调峰e型干燥器，计算可得年电费成本约在20.9536万元，可节约运行电费支出27.3344万元，其节约运行成本比率高达56.6%。两种干燥器全年按月份列出的实际运行费用对比图见图4所示。