压缩空气系统加卸载节能运行仿真与试验

压缩空气系统加卸载节能运行仿真与试验

杨妍

新疆庆华能源集团有限公司 新疆伊犁 835000

摘要:目前全国压缩空气系统的总耗电约为3000亿千瓦时，约占国内全部工业用电量的6.5%。据调查，目前国内企业的压缩空气系统效率偏低，能量浪费高达40%，远高于国外企业的15%。做好降低压缩空气系统能耗工作，对于我国节能减排工作具有重要现实意义。常见的空压机系统的节能措施是对机组采用变频和变速的运行，但空压机变频和变速运行，牵涉到控制系统的改造，总投资费用高。

关键词:压缩空气系统;加卸载;节能运行;Simulink仿真

1、引言

目前空压机负荷调节，普遍是采用加卸载运行控制方式。对于每台螺杆空压机，存在运行能耗最小的最优卸载压力线，但对压缩空气系统的实际运行过程，还存在合理调度问题。目前压缩空气系统运行能耗高、利用效率低的原因是压缩空气系统的加卸载压力设置偏高、空压机加卸载顺序设置不合理以及空压机组运行控制性能差导致卸载时间长等。某厂由于电网调峰的需要，运行所需的压缩空气量存在较大范围的变化，压缩空气系统不合理的频繁加卸载，造成空压机卸载时间长，能源利用率低。本研究结合生产过程，通过实地测试某某厂输灰用螺杆压缩机的吸气参数、产气量与耗电量参数，然后对压缩空气系统进行建模分析，调整空压机的加卸载压力参数和运行台数，设置空压机组加卸载顺序，以寻找压缩空气系统优化运行方式，达到节能效果。

2、输灰用的压缩空气系统

某厂4×330MW机组输灰用的压缩空气系统，共有6台螺杆式空压机，长期5台空压机运行，1台备用。空压机采用加、卸载调节方式运行，加载时气压、流量均为额定参数，功率均为现场实测数据。目前压缩空气系统管网平均压力为0.70MPa，卸载压力为0.75MPa，加载压力为0.65MPa。

3、压缩空气系统的模型与验证

3.1双螺杆空压机能耗模型

由于压缩过程中喷油会冷却压缩空气，实际压缩过程往往被认为是多变过程，由气体多变过程方程及理想气体状态方程可推得:

式中，pi———吸气压力，Pa

po———压缩终了压力，Pa

Ti———吸气温度，K

To———压缩终了温度，K

n———气体多变指数

双螺杆空压机的驱动功由两部分组成，即从吸入压力绝热压缩至内压缩终了压力的压缩功以及等压下把气体排出所作的排气功。

3.2压缩空气系统Simulink仿真模型

根据上述数学建模，在MATLAB/Simulink搭建了单台空压机的仿真模型。仿真模型包括4个模块:控制器模块、空压机模块、辅冷器模块和储气罐模块，其中控制模块根据管网压力控制空压机加卸载及阀门的开度，空压机模块根据进气参数仿真空压机能耗以及产气量，辅冷却器模块用于控制进入储气罐的温度，储气罐模型根据进、出气量仿真管网的压力变化。为了对所建数学模型及仿真模型的有效性进行验证，搭建相关试验平台进行试验。试验平台主要由空压机、传感器和相关测量仪表等组成。

图1某厂压缩空气系统试验原理图

3.3模型验证

通过到某厂对压缩空气系统安装测量设备，在机组满负荷情况下进行测量试验。测量平均耗气量为215m3/min，环境温度为21℃，储气罐平均温度为45℃。根据压缩空气系统试验条件，设定与之对应的仿真初始参数，通过对比仿真结果与试验结果验证数学模型的准确性。压缩空气系统动态总耗功及压力模压缩空气系统加卸载过程中总功率与压力试验曲线与仿真曲线的变化趋势一致，最大相对误差为3.25%，说明所建立螺杆空压机动态特性的数学模型能对压缩空气系统的能耗及储气罐的压力变化进行较为准确的描述，可以用于预测压缩空气系统在不同工况下的能耗及压力的动态特性。

4、压缩空气系统的优化与分析

4.1 输气压力的调整

为了能够满足生产用气的最低要求，通常空压机的加卸载方式压力带宽普遍设置偏高，绝大部分用户都会将空压机压力带宽设置到0.1MPa以上，存在近0.1MPa的压力能量浪费。由于管道压力损失不确定，设备启动存在流量高峰等原因，压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2～0.3MPa，浪费严重。根据厂方的运行数据，输灰用压缩空气系统压力0.50MPa即可满足现场用气要求，而目前某厂输灰用压缩空气系统管网的平均压力为0.70MPa，比输灰要求的压力高出0.20MPa，显然压缩空气压力是偏高的。考虑输气管道的压力损失，将压缩空气系统管网的平均压力调整为0.65MPa，留出0.15MPa的压降余量，调整压缩机卸载压力为0.70MPa，保持加卸载压差不变条件下调整加载压力为0.60MPa。

将压缩空气系统管网的平均压力从0.7MPa调整为0.65MPa，相同耗气量下，空压机组的总功率会有所下降，平均节能比例为4.2%。

4.2空压机运行台数控制

某厂由于电网调峰的需要，运行所需的压缩空气量存在周期性的变化，低负荷情况下(尤其夜间)，系统需要的压缩空气较少，多台空压机往往会进入空载状态，浪费电能。此时可以人工进行启停空压机，减少空压机空载现象，节省电能。目前运行与优化运行的功耗都随着耗气量的增加而增加。优化运行方案在某一特定耗气量下总功耗会有一个突变，原因是该耗气量前后运行的空压机台数不一样。例如耗气量在90～131m3/min范围，这时启用3台空压机即可满足系统用气要求，而某厂目前运行方案仍然是5台空压机在运行，其中有3台空压机处于空载运行状态，大大浪费了电能，优化后可使两台空压机停运，此时节能相当可观，通过两者功率对比可得，此种情况下节能比例最大30.5%，平均节能比例达27%。耗气量在131～174m3/min范围，这时启用4台空压机即可满足系统用气要求，此时某厂目前运行方案会有2台空压机处于加卸载状态，优化后可使1台空压机停运，通过两种方案的压缩空气系统总功率对比可得，此情况下平均节能比例约13%。

5、总优化运行效果

综合3.1的输气压力调整以及3.2的控制空压机运行台数，耗气量在90～131m3/min范围，节能比例最大为33.3%，平均节能比例达30.7%，节能比例随着耗气量的增加而下降;耗气量在131～174m3/min范围，平均节能比例约为17.1%，节能比例随着耗气量的增加而下降;耗气量在174～215m3/min范围，平均节能比例为4.2%。

6、结论

通过对压缩空气系统进行了建模、Simulink仿真和现场试验，仿真结果与试验结果相对误差小于5%，验证了所建模型的有效性调整压缩空气系统的加卸载压力参数，将压缩空气系统管网平均压力由0.70MPa下调到0.65MPa，将产生节能效果4.2%;低负荷情况下，控制空压机空载运行台数，在90～131m3/min范围平均节能比例达30.7%，耗气量在131～174m3/min范围，平均节能比例约为17.1%，节能率随着耗气量的增加而下降;通过调整压缩空气系统的加卸载压力参数而达到输气压力的调整和加卸载顺序优化，无需增加硬件设备就能产生节能效果，易于推广，有较强的实际意义。

参考文献:

［8］张谦，赵远扬，王乐，等.压缩空气系统节能技术的研究进展［J］.流体机械，2016，3(44):38－40.

［9］孔德文，林惟锓，蔡茂林，等.螺杆空压机加卸载工况下节能运行分析［J］.北京航空航天大学学报，2012，38(3):405－409.