压缩空气技术走向高效时代

2019压缩空气技术的发展趋势报告

作者:Hans-Jürgen Bittermann 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:20 发布时间:2019-09-02
压缩空气是很昂贵的能源,但它也可以变得更具经济性。新的综合解决方案(压缩空气+热电厂)、高效回收来自压缩机的废热以及精心规划设计和密集的压缩空气分配管道都能够明显地节约成本。本文介绍了几种有效降低流程工业领域中压缩空气成本的方法。
压缩空气技术走向高效时代

压缩空气是除电力之外,在工业和商贸领域中使用最广泛的能源。它的广泛应用是源于其易于操作、速度快、功率密度高、安全且具有很好的EMV电磁兼容性等特点,但它较高的成本也不容忽视。因此,了解并最大程度地利用好所有的节约潜力十分重要。实现这一目标最快捷有效的办法就是解决泄露的问题。毫无泄露的密封对于压缩空气用户一般是做不到的,约有30%的压缩空气都是无意地逃逸到环境中去的。

压缩空气技术走向高效时代

无论是空压机站的设备还是控制软件的更新升级,Boge公司都会从压缩空气系统的审核检验开始,了解空压机站的当前实际状况,并在用户现场安装箱式测量仪,以及用两周的时间采集、记录用户空压机站的压缩空气使用和控制状况的数据,最终专家根据采集的数据估算出优化的潜力大小。优化的重点是余热利用、使用更高级别的控制系统、调节各台空压机的转速(变频)和利用更加高效的压缩空气制备。

压缩空气的分配网络

合理的压缩空气分配网络对于提高压缩空气利用的经济性是至关重要的。德国机械制造业协会VDMA于2018年夏季起草了行业标准15391-1“压缩空气分配 - 经济和安全规划 - 第1部分:规划设计和新安装设备”,该部分共计86页,为广大压缩空气系统设计者提供了内容丰富的辅助设计工具。

通过本文介绍的实例,用户可以清楚地了解压缩空气分配网络的重要性。Bode Chemie公司通过空压机站的技术改造每年能减少30多万KW的电力消耗和160 t左右的CO2排放量。原来分布在2座厂房建筑中(安装使用了共计3台空压机)的分散式压缩空气供应网络也被全部重新改造。新建的压缩空气系统的核心是将所有的空压机都放置在一个房间里进行控制管理,并使用Atlas公司研发生产的可调转速的、喷油润滑的GA 45 VSD型螺杆式空气压缩机。原来的3台空压机也移到新的空压机站,并纳入到新的压缩空气供应系统中,因此整个压缩空气供应系统有着很高的峰值缓冲性能和所需的冗余储备。所采用的技术改造措施也将工作压力从原来的0.95 MPa降低到了0.7 MPa。

 “我们的压缩空气+热电厂技术将压缩空气和热量的生产结合到一起,实现了“零损耗”生产压缩空气。” ——Roman Felbek先生,altAIRnetive公司
“我们的压缩空气+热电厂技术将压缩空气和热量的生产结合到一起,实现了“零损耗”生产压缩空气。”——Roman Felbek先生,altAIRnetive公司

压缩和发热是紧密相关的,正如这次技术改造再次证实的那样,由altAIRnetive公司研发的“压缩空气+热电厂”技术原理是利用燃烧天然气的内燃机产生驱动空气压缩机的工作动力 ,这一做法的机械功率为26~300 kW,始流温度为108℃,其有效地将空气压缩和生产热能结合到了一起。其优点是几乎没有效率损失,因为压缩空气时产生的热量几乎全部被利用于生产过程,而不是像传统的空压机那样释放到环境大气中。空气压缩时产生的热与内燃机产生的热相结合产生的热效率与现代化加热系统相当,据供应商介绍说如今几乎是“零损耗”地使用压缩空气了,整套设备的投资回收期平均不到两年半。

压缩空气

压缩空气的绿色电力

此外,“压缩空气+蓄能发电厂”(简称为CAES)的技术模式也十分重要。尽管我们对压缩空气+蓄能发电的理解还不够深刻全面,但这一技术能够长期和经济的储存绿色电力。Atlas公司介绍说其工作原理相当于抽水蓄能发电厂,在电力供应过剩时,空压机将空气压缩成很高压缩比的压缩空气。在1~20 MPa之间,根据这一系统的不同类型,可以达到不同的压力。同时,这种方式压缩的空气暂时存放在合适的容器中。

在使用这些压缩空气时,利用储存的压缩空气驱动涡轮机组(涡轮机加发电机)减压,产生的电力可以馈送到电网中去。为了能够在实践中直接应用这种新技术,Atlas公司与Schleswig-Holstein地区的社区风力发电场进行了合作,总结出了A-CAES(绝热式)压缩空气蓄能发电系统的关键数据。得出的结论是与其他电力储存系统相比,这一系统更加经济。此外,A-CAES还具有理论上无限次循环利用的优势。传统的电力储存方式会出现蓄电池和氢燃料电池老化的问题,并因其老化而失去储存电力的能力,从而降低了储存电力的性能,但A-CAES系统的使用寿命仅受机械零部件和很小的缩水因素的影响。

发散式的空压网络

Boge公司还提供全新的检测分析服务,并将这种检测分析服务作为公司持续改进计划中(简称CIP)的一个部分。这么做是为了使联网的空气压缩机连续不断地提供传感器检测到的空压机工作状况数据,然后气动技术软件可以对这些数据进行评判。例如当空压机动力装置出现异常时,用户的移动终端设备就会收到提示消息。这一软件系统还能够提供空压机工作运行情况的预报,即空压机可能出现的磨损警报。

CIP不断地验证空压机的机械性能,并向生产厂家提供相应的数据。生产厂家对这些数据进行分析,从而找出改进优化的潜力,例如找出进一步降低能耗的措施。Boge公司在CIP的框架内,为用户提供了免费的空压机硬件和软件升级服务。Aerzen公司最新推出了AERaudit污水处理厂能效分析的技术服务。污水净化处理厂总的能源需求中有80%用于生物曝气,因为那里有着耗能很高的鼓风机站。如今,用户利用一台移动式的测量装备就可以实时地采集到通风曝气的能源消耗数据。这台仪器能够实时地检测到流量、系统压力、温度和功耗等数据,并根据污水净化设备的负载情况记录下来。在这些数据的基础上,Aerzen公司会为用户提供更加高效的节能方案。

按照ISO 8573.1标准的规定,Aerzen公司使用3位数字表示压缩空气的质量,第1个数字表示压缩空气中的颗粒浓度,第2个数字表示其中的水分,第3个数字表示压缩空气中的残余油蒸汽含量。针对残余油蒸汽的检测,Beko公司正在扩大其测量技术领域中的产品范围。与以前的检测仪器相比,新的Metpoint OCV compact检测仪有着更短的检测周期和模块化的结构设计。因此,新仪器具有装置紧凑、安装使用方便和性能更加强大的特点,同时也有着更高的压缩空气残余油蒸汽检测精度。

有些生产过程中,例如ACU Pharma und Chemie公司要求压缩空气中不能有残余油蒸汽,其使用的是特殊的喷射磨机,它需要非常干净和干燥的压缩空气来实现最佳的微粉化工艺。该公司过去使用的是3台润滑油润滑的螺杆式空气压缩机,采用的是复杂的集中控制与分散控制相结合的压缩空气无油处理系统,其中包括了吸附残余油蒸汽的活性炭吸附器。在扩建空压机站时,企业对所有的空压机进行更新换代,其目的是为了经济、灵活并高可靠性地生产无油和干燥的压缩空气。经过慎重考虑最终选择了Gardner Denver公司研发生产的4台DH型无油空压机,其中包括了压缩空气处理系统。DH系列空压机采用的全新空气压缩技术值得信任。其空压机缸体所需的润滑、密封和冷却都是用水来完成的。这不仅实现了清洁、无油的压缩过程,而且还能够高效地生产压缩空气。

GA 45 VSD型螺杆式空气压缩机
GA 45 VSD型螺杆式空气压缩机

低损耗的设计原理

空压机站通常都是按照模块化原理设计的,其利用IE3和IE4级的节能电机保障基本的压缩空气供气,在用气高峰时,则可以灵活地使用峰值负载空压机来满足增加了的压缩空气需求。未来,在部分负载工况下会用高效率的空压机来保证供气。Kaeser公司研发生产的ASD系列转速可调的螺杆式空压机提供了很高的性能和工作可靠性,容积流量为3.15~5.5 m3/min,拥有能源消耗很低、占地面积小的特点。该系列空压机使用的是西门子公司研发生产的同步磁阻电动机,在部分负载工况时,这种电动机比感应电动机的效率提高了10%。节能型的变频电动机还能驱动Renner公司研发生产的RSF 87 D型螺杆式空压机,这种空压机的核心部件是压缩模块,它能与模块化设计的其他空压机部件最佳地匹配在一起。因此,整台空压机就可以准确地按照用户对压缩空气的要求来设计制造。

最后,谁在购买空压机时只看中采购成本,谁就背离了经济上最有利的解决方案。但是各个高效的组成部分之和也并不一定能够得到合理的整体效益。