工業(yè)企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)電力需求側(cè)管理的分析與應用

郭 濤

(天津一汽豐田汽車有限公司 天津300457)

0 引 言

黨中央、國務院高度重視電力需求側(cè)管理工作，把電力需求側(cè)管理作為深入推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、推動能源生產(chǎn)和消費革命、生態(tài)文明建設(shè)，促進電力經(jīng)濟綠色發(fā)展的重要舉措。推進工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理，有助于優(yōu)化工業(yè)用電結(jié)構(gòu)，調(diào)整用電方式，提高工業(yè)電能利用效率和效益，促進工業(yè)、電力和環(huán)境的平衡協(xié)調(diào)發(fā)展。通過建立健全工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理工作規(guī)范，指導用能單位開展電力需求側(cè)管理工作，加強電能管理，調(diào)整用能結(jié)構(gòu)，提高終端用電效率，優(yōu)化資源配置，持續(xù)提高單位工業(yè)增加值能效，實現(xiàn)節(jié)約、環(huán)保、綠色、智能、有序用電。

壓縮空氣具有安全、無公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等優(yōu)點，已成為工業(yè)領(lǐng)域中特別是汽車企業(yè)應用最廣泛的動力源之一。在一汽豐田泰達工廠，壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備消耗的電能占工廠全部電能消耗的 15%左右，全年耗電量接近30000MWh，電費約2800萬元，已成為工廠耗電量最多的設(shè)備之一。隨著國家不斷倡導電力需求側(cè)管理，設(shè)備課作為能源的供給及管理部門，響應國家政策要求，大力投入到壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)電管理工作中。

本文介紹了一汽豐田泰達工廠為了進一步降低企業(yè)用能成本，通過電力需求側(cè)管理工作方法，組織專業(yè)技術(shù)團隊從管理、工藝、設(shè)備 3個維度實施全方位的能效提升措施及有效管理，打造設(shè)備在全生命周期費用的最低化。

1 工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理工作內(nèi)容介紹

1.1 電力需求側(cè)管理

指加強全社會用電管理，綜合采取合理、可行的技術(shù)和管理措施，優(yōu)化配置電力資源，在用電環(huán)節(jié)制止浪費、降低電耗、移峰填谷，促進可再生能源電力消費，減少污染物和溫室氣體排放，實現(xiàn)節(jié)約用電、環(huán)保用電、綠色用電、智能用電、有序用電，進一步優(yōu)化電力資源配置，提升工業(yè)能源消費效率。

1.2 電力需求側(cè)管理工作開展模式

基于策劃—實施—檢查—改進的(PDCA)持續(xù)改進模式，使電力需求側(cè)管理工作融入工業(yè)領(lǐng)域用能單位和電能服務機構(gòu)的日?；顒?。

策劃：實施全面診斷，明確信息化和制度化要求，制定電能管理目標、指標和實施方案，確保相關(guān)工作有序開展并達到相應績效。

實施：執(zhí)行工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)實施方案，開展全面治理，保障用電可靠性，實施節(jié)約用電、需求響應、綠色用電、環(huán)保用電、智能用電等措施。

檢查：采用自評價、第三方評價等方式，評價工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理工作開展情況，對配用電系統(tǒng)的關(guān)鍵特性和過程進行監(jiān)測，對照目標指標評價確定實施績效，并報告結(jié)果。

改進：采取措施持續(xù)改進工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理體系。

1.3 工作流程

用能單位開展工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理工作流程主要包括全面診斷、綜合治理和效果評估3個階段。

1.3.1 全面診斷

用能單位自主或委托電能服務機構(gòu)開展用電情況全面診斷，依據(jù)電力需求側(cè)管理相關(guān)標準和規(guī)范要求形成診斷報告。

1.3.2 綜合治理

用能單位組織完善信息化和制度化等工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理基礎(chǔ)工作，根據(jù)實際需求確定工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理綜合方案并有效實施，對配用電系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施、采集和計量器具及相關(guān)制度進行綜合改進和優(yōu)化治理。

1.3.3 效果評估

用能單位可采用自評價和/或第三方評價等方式，綜合評價電力需求側(cè)管理開展情況，核算階段性實施效果，明確待改善建議項和持續(xù)改進目標，評估報告等評價結(jié)果可作為項目階段性成效證明。

1.4 節(jié)約用電

1.4.1 節(jié)電途徑

用能單位宜遵循“先管理、優(yōu)工藝、再改造”的順序開展節(jié)約用電。首先強化配用電制度與現(xiàn)場管理，減少浪費損失、控制波動與不穩(wěn)定，再尋求工藝優(yōu)化、消除工序或系統(tǒng)間不協(xié)同等影響因素，在系統(tǒng)診斷的基礎(chǔ)上，采取技術(shù)合理、經(jīng)濟可行的路線，實施技術(shù)改造。

1.4.2 管理節(jié)電

用能單位宜建立制度措施對配用電設(shè)備和相關(guān)人員進行科學管理，以實現(xiàn)電力、電量及成本節(jié)約。用能單位宜設(shè)置能源管理崗位，聘任專業(yè)電能管理人員，建立完善電力需求側(cè)管理體系，并與相關(guān)管理系統(tǒng)(ERP/MES/APS/SCM 等)有機融合，從能源管理轉(zhuǎn)向能源價值管理，實現(xiàn)能源流—業(yè)務流—價值流的高效轉(zhuǎn)化。以系統(tǒng)化管理思維，樹立從單點轉(zhuǎn)向全面、從部門轉(zhuǎn)向全員的全面節(jié)能意識，持續(xù)改進電能績效。

管理節(jié)電措施可包括落實責任制度、建立電能標準體系，開展電能數(shù)據(jù)庫建設(shè)、強化數(shù)據(jù)分析、實施電耗目標管理，優(yōu)化電力計費繳費方式、采用移峰填谷、容量改需量、電平衡測試、能源審計、參與電力直接交易等。

管理節(jié)電措施宜與技術(shù)節(jié)電相配合，以實現(xiàn)系統(tǒng)化改善并鞏固所取得成果。節(jié)能措施實施后宜由具有相應資質(zhì)的第三方機構(gòu)評估效果，出具評估報告。

1.4.3 技術(shù)節(jié)電

用能單位宜根據(jù)自身特點、配用電設(shè)備容量和工藝運行要求等，采取技術(shù)措施、通過技術(shù)進步來實現(xiàn)電能節(jié)約。

技術(shù)節(jié)電措施主要指通過提高電能利用效率節(jié)約用電量和電力負荷的產(chǎn)品(技術(shù))，包括無功補償、諧波治理、高效裝置、能效管理、余熱余壓利用、可再生能源分布式發(fā)電、熱泵空調(diào)等。

2 壓縮空氣系統(tǒng)電力需求側(cè)管理措施及節(jié)能效果分析

2.1 管理面

2.1.1 建立健全工廠用氣管理體制機制

管理體制明確，從產(chǎn)氣、輸氣、用氣3個階段，明確職責分工及管理體制。產(chǎn)氣端，設(shè)備課負責；輸氣端，設(shè)備課負責；用氣端，使用部署負責(設(shè)備課技術(shù)支持)。

獎懲機制明確，結(jié)合能源責任制考核制度，對各部署負責人實施壓縮空氣用能指標考核管理。

2.1.2 明確供給基準

定期召開各部門能源擔當聯(lián)絡(luò)會，實施對使用設(shè)備的壓力變化排查，了解使用端壓力的變化，從而及時調(diào)整產(chǎn)氣端的供氣壓力，修訂原動力供氣壓力基準。

實施生產(chǎn)日及休日壓力區(qū)別化，休日降壓運行(保障沖壓車間生產(chǎn)補給件用氣，未來有導入休日專用空壓機的計劃)，從而降低空壓機能耗(表1)。

表1 休日壓縮空氣壓力設(shè)定變更表Tab.1 Table for changing compressed air pressure on holidays

2.1.3 規(guī)范用氣時間

制定休日壓縮空氣申請制度，執(zhí)行電子申報流程審批用氣，減少不必要的用氣使用時間(圖1)。

圖1 休日各車間壓縮空氣使用需求申請電子表Fig.1 Application form for compressed air use demand in various workshops on holidays

2.1.4 規(guī)范用氣使用

避免非正規(guī)用氣，如禁止使用壓縮空氣進行降溫；避免漏氣浪費，及時對使用端進行漏氣點排查、修復；定期開展漏氣點大排查，對各課漏氣情況進行監(jiān)管；對 24h特殊用氣點，就地設(shè)置專用小型空壓機，從而減少大型空壓機的運行時間。

2.2 工藝面

通過優(yōu)化空壓站布局，緩解輸氣端壓降過大問題。泰達工廠2條生產(chǎn)線有2個不同地點的空壓站，導致系統(tǒng)整體性布局不佳，加之空壓機形式單一，系統(tǒng)壓降過大且負荷調(diào)整能力弱，用氣量波動大時，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，導致能耗偏高；另外，隨著工廠車型更新、產(chǎn)能提升，末端用氣量與最初空壓機的設(shè)計量已不匹配，導致機組運行臺數(shù)被動增加，但負荷率偏低，能耗偏高。

針對這一問題，技術(shù)人員對工廠用氣現(xiàn)狀進行數(shù)據(jù)分析，在學習行業(yè)論文及空壓機專業(yè)文獻基礎(chǔ)上，周密論證方案，實施以下對策：改變固有的工廠空壓站配置模式，在整個系統(tǒng)的壓力薄弱區(qū)域?qū)胴摵烧{(diào)整能力更優(yōu)的變頻螺桿空壓機，將全工廠空壓機組合模式變更為離心+變頻螺桿形式。同時在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，導入最適合于工廠現(xiàn)狀的節(jié)能產(chǎn)品，即永磁電機變頻螺桿空壓機+壓縮熱再生吸干機的組合。改善后空壓機總運行臺數(shù)減少 1臺，總能耗降低705kWh，各空壓機負荷率提高到90%以上。

改善前：泰達工廠2個空壓站合計要運行6臺空壓機，總計運行功率達到5060kW，且2個空壓站里都有1臺空壓機負荷率偏低，不足50%(圖2)。

改善后：泰達工廠變?yōu)?3個空壓站，合計運行空壓機減為5臺，總計運行功率降為4355kW，每臺機組的負荷率均在85%以上(圖3)。

通過近2個月的運行測試，空壓機能耗費用每個月遞減 18.25萬元，全年可為工場減少電費成本219萬元(圖 4)。

圖2 泰達工場壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)布局圖(改善前)Fig.2 Compressed air pipe network layout in TEDA factory(before improvement)

圖3 泰達工場壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)布局圖(改善后)Fig.3 Compressed air pipe network layout in TEDA factory(after improvement)

圖4 泰達工場空壓機使用情況對比圖Fig.4 Comparison of use of air compressors in TEDA factory

對各用氣車間壓縮空氣控制壓力方式實施優(yōu)化，由入口壓力控制改善為末端壓力控制，從而使供氣壓力更接近用氣壓力，降低了空壓機吐氣壓力的設(shè)定(圖 5)。

圖5 壓縮空氣減壓閥末端壓力控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure control at end of compressed air pressure reducing valve

2.3 設(shè)備面

以空壓站整體為考慮單元，通過各項節(jié)能技術(shù)舉措對空壓機、干燥機、冷卻水泵、冷卻塔實施全方位能效管理。

通過降低吸氣溫度、穩(wěn)定吸氣壓力、維持穩(wěn)定冷卻器效率、保持空壓機機械性能、降低吐氣等多項措施，確?？諌簷C本體的比動力接近設(shè)計值。通過能源管理系統(tǒng)，對每臺空壓機的比動力進行自動監(jiān)管，設(shè)置上下限報警，及時提醒運行人員空壓機運行效率的變化情況。設(shè)備管理人員根據(jù)每臺空壓機的效率數(shù)據(jù)，作為機組維護、大修、改造計劃的制定依據(jù)。

離心式空壓機的電耗 W(kWh/h)與排氣量、環(huán)境溫度、壓力比及效率等因素有關(guān)，計算公式：

式中：ρ為標準狀態(tài)下空氣密度，ρ＝1.293kg/m3；VK為空壓機的排氣量，m3/h；R'為氣體常數(shù)，R'＝0.278kJ/(kg·K)；T為環(huán)境溫度，K；P2為排氣壓力，MPa；P1為進氣壓力，MPa；ηT為空壓機的等溫效率；ηM為空壓機的機械效率。

3 結(jié) 語

本次對壓縮空氣系統(tǒng)電力需求側(cè)管理進行節(jié)能分析和應用，從管理、工藝、設(shè)備 3個層面對整個系統(tǒng)的運行情況綜合考慮，制定了較有針對性的對策，對策實施后改善效果相當明顯，達到了預期的目的和效果。