船厂空压站节能技术和节能标准现状研究

高道清 胡杰鑫 李巧平 老轶佳 李倩倩 王靖瑶 匡文琪

摘 要：空压站是船厂的重要功能单元，其运行过程中存在能源浪费问题。本文重点针对船厂空压站节能问题，从空压机选型、变频改造、供氣管网优化和余热回收等角度，研究相关技术发展现状；从国家标准、行业标准和团体标准等层级，分析现有相关节能标准布局情况；最终提出船舶空压站节能领域标准化存在的问题。研究成果对未来船厂空压站的节能降耗研究和节能标准建设具有一定的指导意义。

关键词：船厂 ，空压站，节能技术，节能标准

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.22.009

0 引 言

压缩空气是船厂的重要动力能源之一，主要应用于打磨、喷涂、喷砂等工艺流程。船厂空压站是提供压缩空气的功能单元，具体由空压机组、压缩空气净化干燥设备、供配电系统、冷却系统、储气罐、气体输送管路及其配件构成。随着用气规模的不断扩大，空压站成为船厂主要能源消耗单元，其能耗可占全厂总能耗的25%-40%。船厂空压站巨大的能耗问题已备受关注，然而其节能降耗应用研究仍处于起步阶段，针对船厂空压站的节能标准化研究仍处于优化完善阶段。因此，有必要梳理船厂空压站节能问题，开展节能技术和节能标准现状调研，以指导船厂空压站节能技术研究和节能标准建设，提高船厂空压站节能水平。

1 空压站节能问题分析

1.1 选型不当

空压机设备选型通常以最大负荷为依据，并在此基础上增加1个安全系数。船厂工艺流程复杂，对压缩空气的需求量波动较大，按最大负荷选型后，往往会存在设备排气压力与排气量均过大，甚至与实际需求不匹配的情况，造成不必要的能源浪费。此外，部分企业在选型过程中还存在过分强调设备一次性投资的问题，从而忽略了空压机的能效指标[1]。

1.2 控制方式落后

目前，空压站机组的加载和卸载，仍然主要依靠人工控制。机组加载过程爬升耗能高，卸载过程空载运行资源浪费大，故频繁加、卸载的间歇运行方式造成了巨大能源浪费[2]。同时，这种运行方式还会导致供气压力波动大，冲击空压机内部元件和影响压缩空气的供气质量。

1.3 管路损耗泄漏

压缩气体在管路传输过程中，由于管道的管径、管头、管长及其配件的设计不合理，往往会损耗排气压力。有关资料显示，管道排气压力每损耗1×105 Pa，电能将多损耗7.5%[1-2]。由于空压站设备的工作环境复杂，设备检修保养的工作量很大，普遍存在管网腐蚀、孔洞，密封片老化、松动，以及其他管道配件受损等情况，如果得不到及时的维修，将大大加剧管网压缩气体泄漏风险（泄漏率可达20%-25%），进一步增加空压站的能耗[3]。

1.4 余热浪费

空压机运行过程中将消耗大量的电能，其中约90%的电能被转化为热能。空压机的运行温度平均每上升 1℃，产气量一般下降0.5%，故空压机通常配备散热系统并将这部分余热作为“废气（约80℃-120℃）”排放[4]。研究表明，80%-94%的空压机余热可被回收[5- 6]， 这为余热高效回收提供了理论依据。空压机余热存在品质较低、回收难度较大等问题，故多数船厂并未充分利用这部分热能，空压机的余热浪费也造成了空压站耗能高。

2 空压站节能技术现状

2.1 空压机选型

空压机的类型应根据船厂压缩空气流量要求的变化特点，明确系统基本负荷和变化负荷，在进行节能和经济比较后确定。由于船厂用气量大和需求量波动较大，对于基本负荷，可选用高效离心机组替换老旧空压机；对于变化负荷，可采用节能效果显著的变频螺杆机组。因此，船厂常采用高效离心机组或高效离心机组+变频螺杆机组合等形式，以达到降低空压站能耗的目标。

2.2 空压站系统变频改造

船厂空压站变频系统常包括PLC控制器、变频器、监测装置以及传感器等。在实际工程改造中，PLC 控制器可接收监测设备和传感器的压力信号等信息，并将其与设定的目标压力进行比较，控制变频器自动调整电机转速，实现中间储罐压力与目标压力相一致[7]。空压站变频改造后，确保稳定的输出压力，降低机组卸载时间（加载率可提高20%以上），减少电机空转，大幅降低了整体空压站能耗。

2.3 智慧空压站改造

智慧空压站是在常规空压站的基础上增加智能管控系统，利用网络连接所有空压机控制系统（如PLC控制器、变频器、传感器等），并在网络中增加能效分析服务器和负荷调度控制器，用于监控空压站的能效，并起到总体分配调度作用，实现数字化站房、智能化控制、无人值守和整站节能，最终达到节能降耗的目标[8]。2023年，上海外高桥造船进行智慧空压站改造后，实现了精细化负荷调控，产气效率提升16%以上，整体节能率可达25%以上。此次智慧空压站的成功改造为船舶行业空压系统改造和推广起到了重要的标杆引领和借鉴作用。

2.4 供气管网优化

合理布置管网，降低其阻力系数，比如船厂空压站的供气管网支管从主管的上边或侧面连接，尽量减少90°弯管（可采用曲率半径大的弯管）、阀门、接头及通流截面突变的管件等。管网负载应保持平衡，选用先进的密封技术，减少风管泄漏率。对供气管网进行节能技术改造，在各气体分配管路安装电动调控阀以实现独立分配气体压力。在管路安装压力监测装置，加大供气管网、接头、阀门等维修保养力度。

2.5 余热回收技术

目前，余热回收技术主要包括热交换技术、热转化技术和余热制冷制热技术。其中，船厂空压站余热回收最常用技术是热交换技术，通过换热设备能够将自身余热加以利用，进而减少能耗。在船舶制造业领域，青岛北船重工首次提出了空压机冷却水余热用于采暖和生活用热的节能新思路[9]。周亮等[10]通过文献调研发现空压机余热常采用预制热水的方式回收利用，包括直接利用、润滑油间接及热泵方式，其回收周期为0.5-2.67年，回收率可达60%以上。2019年，江南造船厂首次大规模采用水源热泵机组提取空压站冷却水余热，余热与冷水进行热交换以制备生活热水，这一创新性举措提高了空压站的整体节能效果。

3 空压（机）站节能相关标准现状

经过对现行国家标准、行业标准和团体标准的梳理分析，船厂空压（机）站节能相关现行标准见表1。

3.1 国家标准

GB/ T 27883-2011《容积式空气压缩机系统经济运行》、GB/T 26921-2011《电机系统（风机、泵、空气压缩机）优化设计指南》、GB 50029-2014《压缩空气站设计规范》和GB/T 16665-2017《空气压缩机组及供气系统节能监测》主要涉及对空压（机）站系统设计、运行和监测的整体性规范，为船厂行业企业空压（机）站系统的节能减耗提供了重要指导。GB/T 19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》和GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》则主要对空压（机）站系统内的具体设备的能效等级和能效定值进行针对性规范，为船厂行业企业节能产品的能效标识、能效认证提供了重要依据。

GB/T 36218-2018《船舶生产企业主要耗能设备管理要求》首次规定了船舶建造过程中所使用的主要耗能设备（包括空气压缩机组）的使用管理、保养及维修管理和节能培训与宣传。标准的实施明确了船厂空压机组使用管理要求，提高了空压机组节能问题的识别效率，有利于优化设备运行和降低能耗。同时，标准还强调对能耗高于合格指标的空压机组，应采用节能新技术、新方法和节能改造措施，这为后续空压站节能技术研究和节能标准建设提供了支持和依据。

现行的国家标准存在对船厂空压（机）站节能规范的指导性不强的问题。以GB/T 27883-2011《容积式空气压缩机系统经济运行》和GB/ T 19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》为例，标准的适用对象是容积式空压机，而由于船厂用气规模大，使用空压机类型较多的是离心式空压机，标准内容并不完全适用。此外，GB/T 36218-2018《船舶生产企业主要耗能设备管理要求》要求企业对空压机组制定保养及维修的管理规定，未详细提及具体管理措施，企业在组织实施过程中可能存在标准要求落实不彻底的问题。

3.2 行业标准

CB∕T 4497-2019《船舶行业变配电站、压缩空气站、气体供应间、锅炉房、泵站、油库及加油站、加油车、材料堆场、物资仓库安全要求》规定了船舶行業企业包括空压站在内的相关站房的安全技术与管理要求。标准中关于空压站安全要求中的部分措施具有节能性效果，比如标准要求压缩空气管道外观无腐蚀、要求企事业单位应建立维护保养、巡检规定，这有利于减少管路损耗泄漏和加强空压站维护管理，从而降低能耗。

CB/T 4522-2022《船舶行业绿色工厂评价导则》中提到船厂的空压站通用设备应对应达到GB/T19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》和GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》中能效限定值的要求，并要求单位产品综合能耗优于相关标准的限定值或准入值。因此，降低船厂空压站能耗是评价船厂成为船舶行业企业绿色工厂的重要措施。CB/T 4522-2022《船舶行业绿色工厂评价导则》标准的实施促进了船厂空压站节能技术的升级应用和相关节能技术标准的研究制定。

目前，船舶领域中仍缺乏空压站节能相关的针对性行业标准。CB/T 4522-2022和CB∕T 4497-2019中涉及到船厂空压站节能内容存在不全面、不具体的问题，比如CB∕T 4497-2019将管道维护保养、巡检的规定的制定权交至具体单位，未列出全面详细的具体条例。行业标准是国家标准的下一层标准，然而经过梳理发现，现有的行业标准并未有效补充标准体系，存在层级标准分布不合理的问题。

3.3 团体标准

T/CGMA 033001-2018《压缩空气站能效分级指南》规定了工业压缩空气站设备、系统要求，运行要求，能效指标和等级，能效计算、能效测量方法及综合评价方法等。该标准结合GB/ T 16665-2017《空气压缩机组及供气系统节能监测》中空压机输功效率和热能回收利用率的计算方法，将两者加权计入输功效率得出综合输功效率，并将其作为空压站能效分级的重要依据。目前，广船国际等企业已建成节能效果显著的一级能效压缩空气站，这表明《压缩空气站能效分级指南》为船厂空压站能效优化指明了具体方向。

T/CGMA 033002-2020《压缩空气站节能设计指南》全面详细地规定了空压站的工艺节能设计、工艺设备选型、公用设施、监控系统、能效设计计算和能效验收评价。《压缩空气站节能设计指南》弥补了国家标准和行业标准中空压站系统节能设计标准的空白，为空压站系统设计和改造提供节能设计标准。标准的实施将更好更快地推进船厂中T/CGMA 033001-2018《压缩空气站能效分级指南》规定的大于三级能效指标的空压站建设。

空压站余热回收可大幅提高空压机能源的利用效率，故在GB/T 16665-2017《空气压缩机组及供气系统节能监测》和T/CGMA 033001-2018《压缩空气站能效分级指南》中，将热能回收利用率列为一项重要的节能指标。然而，相关的国家标准和行业标准中并未详细提及空压站余热回收利用方面的内容。T/QGCML 607-2023《空压机余热回收利用技术规程》的发布弥补了标准空白，它规定了空压机余热回收利用技术规程的术语和定义、构成及原理、技术要求、工艺流程、测试与验收，为船厂螺杆空压机余热回收利用提供了重要标准依据。

团体标准是经营主体自主制定、发布、采纳和自愿采用的标准。经过梳理分析发现，现有的团体标准有效地补充了空压站节能标准体系。随着空压站新技术的出现和新要求的提出，团体标准的制定也在与时俱进，如T/ZJDJ 009-2023《压缩机用超高效变频调速永磁同步电动机》和T/CIET 099-2023《工业碳中和节能设备评价技术规范 压缩机》等标准的发布。然而，在空压机组变频改造、智能改造等方面，仍缺乏更具指导性的标准依据。更加细化全面的节能标准，例如空压站的节能性维护保养和余热回收等，仍需要进一步补充和完善。

4 结 语

本文分析了空压站节能问题，并总结了空压站节能技术发展现状，相关的节能技术发展迅速，但节能技术的应用能力较弱，建议进一步加强实践经验总结，强化成果转化应用。梳理现有空压站节能相关标准，总结现有标准的发展现状和存在问题，可指导后续节能标准的建立和完善，以充分发挥标准的规范引领作用，提高船厂空压站节能水平，满足国家政策和市场要求。

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[10]周亮，贾冠伟，郭泽宇，等.空压机余热回收利用技术[J].液压与气动，2023，47（1）：22-31.

作者简介

高道清，工程师，主要从事船舶标准化、绿色节能研究。

胡杰鑫，通信作者，高级工程师，主要从事标准数字化研究。

李巧平，工程师，主要从事船舶标准化、绿色节能研究。

老轶佳，研究员，主要从事船舶、企业标准化研究。

李倩倩，高级工程师，主要从事船舶、企业安全风险研究。

王靖瑶，高级工程师，主要从事船舶、企业安全风险研究。

匡文琪，高级工程师，主要从事船舶、企业安全风险研究。

（责任编辑：袁文静）