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生物发酵行业空压系统中CAEC的应用

2020-12-09 324 上传者：管理员

摘要：该文阐述了在某生物发酵公司应用了压缩空气系统节能增效集成技术（CompressedAirsystemEnergyConservationtechnology，简称CACE）对原压缩空气供气系统进行改造，使运行能耗降低了40%以上，并提高了压缩空气的品质及控制系统，获得了较高的经济效益，可供同行业压缩空气系统改造借鉴参考。

关键词：
压缩空气
压缩空气系统
生物发酵行业
节能
露点
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传统的生物发酵行业工艺中，为满足好氧菌充分的新陈代谢得到所需的发酵产物，需要空压机不间断工作为发酵罐提供过滤后的压缩空气[1]，而空压机系统工作需要消耗大量电能，约占发酵生产总用电量的40%以上，因此空压机系统耗电多少直接影响了生产成本。

空压系统传统设计中，一般采用喷油螺杆空压机搭配冷干机模式，压缩空气经冷却降温、除尘除水、蒸汽加热等预处理，然后进入膜过滤，进行无菌处理。而过滤器膜精度高，空气中的油、水、杂质对其损害大，导致过滤器除菌不彻底、寿命缩短，进而影响发酵稳定生产。据有关发酵统计，因空气系统装备配置不合理，发生染菌而使生产不正常占比在20%以上[2]，所以合理选择供气设备至关重要。

1、某生物发酵公司空压站现状

某生物发酵公司空压系统用气，分为仪表用气和工艺用气两部分，其中仪表用气量较小，主要气耗为工艺用气部分。工艺用气主要为五台螺杆机采用工变频搭配和大小机搭配的方式运行，如表1所示，设备投入数量和运行状态取决于工艺气量需求，统计开启台数一般为一大两小或者一大三小。螺杆机组产出压缩空气汇入储气罐，经后冷器+冷冻水干燥+蒸汽再加热的复合干燥处理后，供给发酵工艺端。

表1工艺用气原空压机组配置

通过对现场运行的诊断分析，总结出改造前系统存在的问题主要有以下几点：

1）空压机组效率低，能耗大。

因受目前供气空压机配置及干燥工艺限制，空压机实际排气压力在0.5～0.6MPa间波动，而末端实际压力只需要0.25MPa，产生的压损主要来源于干燥机工艺及减压阀，导致设备运行效率难以提升，存在运行能耗较高的问题。

2）压缩空气系统管控水平有待提升。

由于原空压机种类、品牌杂乱，后处理方式、生产荷载和环境工况的多变性，系统本身需要进行控制和管理的整体优化。

3）压缩热未回收利用，存在能源浪费。

原供气系统一方面压缩机压缩热直接浪费，而另一方面后处理需要先冷冻干燥后蒸汽加热，存在能源浪费，并且露点时常不达标，总体存在提升空间。

4）缺乏能效监控管理和分析。

目前现场控制系统，无法对系统中空压机实时运行效率、管网压缩空气输配效率、终端设备运行参数、系统的用能状况进行监控分析，做出合理的用能调节，实现系统能耗最优化。

2、压缩空气系统改造技术

压缩空气系统节能增效集成技术（CAEC）是根据流体力学原理，分析压缩空气系统能量输配和转换效率，并采用先进节能控制方法结合智慧阀门技术、智慧能源技术、工业变频技术、余热综合利用、高级测控技术，对压缩空气系统中的空压机、后处理设备、管网阀门、终端设备等单元进行优化控制，实现压缩空气系统整体节能增效[3]。

2.1主机高效化技术

通过在线测量手段，分析空压机的运行效率，将效率低的空压机更换成高效空压机。同时结合局部增压技术和高效分级技术，实现主机运行效率的极大化。

2.2高效分级输送技术

根据用户压力需求，合理规划输送管网的压力等级。通过铺设不同压力等级的空压管网，来实现压缩空气的高效分级输配。

2.3空压机变频优化控制技术

通过变频调速手段来调整空压机的产气量，使得产气量和用气量相匹配，最大限度降低空压机的卸载。变频调速可将空压机的出口压力稳定在给定值附近，避免管网压力过大而造成空压机效率降低和管网泄漏增大等问题。

2.4空压机智能群控技术

空压机智能群控技术示意图如图1所示。通过配置完善的传感器网络系统，在线采集压缩空气的压力、流量、温度、露点、压缩机功率和电机频率等各项运转数据，并通过空压机优化调度算法，实现压缩机组的节能优化运行。

图1空压机智能群控技术示意图

2.5压缩空气后处理节能技术

采用压缩空气自身的热量对干燥机进行再生，如图2所示，经过特殊的设计，使得再生过程不消耗任何压缩空气，实现压缩空气干燥过程的零气耗和零电耗。

图2压缩空气后处理节能技术示意图

2.6压缩空气余热回收技术

采用高效换热器回收空压机润滑油和压缩空气中的热量，在保证空压机正常工作的前提下，生产60～90℃的高温热水。空气压缩机余热回收制取的能量可以直接应用于生产和生活用热。

3、应用内容

针对某生物发酵公司空压系统目前存在的4点问题，进行了以下方面的技改。

3.1主机高效化技术改造

依据长期测试现场用气量数据，并考虑工艺端对用气品质的要求，选用国际知名品牌的高效离心机替代现有螺杆机组，现役效率较好的螺杆机留作备机。离心机属于无油压缩机，改造后压缩空气不含油，有利于产品质量的稳定性，并且离心机稳定性好且运行效率更高，同时维护费用低。关键在于准确选型和合适的控制手段，保证离心机运行在高效区间，可以有效提高空压站的运行效率。

图3改造前空压站现场图

图4改造后空压站现场图

3.2压缩空气高效后处理改造

针对原系统压缩空气采用的冷冻干燥+蒸汽调节模式，压缩机余热未得到利用，为了保证后续过滤工艺可以稳定运行，却还要新增蒸汽加热来改善压缩空气相对湿度，能耗浪费严重，同时露点也无法得到保障。通过进行多模式零气耗余热吸附式干燥系统改造，拆除离心式压缩机最后一级后冷，利用产出高温压缩空气对干燥剂进行再生，考虑现场离心机排气压力低，排气温度低等问题，为干燥机配置了加热器和鼓风机，在利用余热降低能耗的基础上，露点可达到鼓风干燥机的效果，为末端生产提供干燥、洁净、无油的成品气。基于当前压缩空气系统压力特征，压缩空气经余热鼓风多模式干燥系统处理，实现净化气常压露点低于-50℃的同时，进行吹冷控制（吸附桶上下带温度传感器，进行温度和时间双重控制，其中温度控制优先），避免吹冷时间过长导致吸附剂二次污染，控制吹冷温度在45℃左右，达到干燥机出口温度在50～55℃，省去蒸汽加热环节。图5为改造后压缩空气后处理系统简图。

图5改造后压缩空气后处理系统简图

3.3管道系统优化改造

根据实际用气量的变化，考虑用户的分布特征，对部分管道进行修改，优化整体输配管路，减少弯头和减压阀的影响，同时原管路基本得到保留，作为备机系统管路使用，在新旧管路间增加快开阀组，保证新管路检修时顺利切换到老空压供气系统。

3.4能源管理和能效管控技术改造

通过数据采集系统、控制系统的改造，结合ZETA自主开发的能效分析管理系统，实现整个压缩空气系统运行数据就地及远程可视化，并基于多变环境工况和生产荷载条件下系统能效分析，配合智慧群控达成压缩空气系统的优化管理。图6为现场控制系统图，图7为云端能效分析管理系统图。

图6现场控制系统图

图7云端能效分析管理系统图

4、应用效果

在项目实施前，对原空压系统进行了长期的数据测定，核算原系统运行的单耗为0.157kWh/Nm3，作为改造前后运行状态的基准能耗。

表2改造前后运行数据对比

从表2改造前后运行数据对比可以看出，系统经半年运行，对比改造前，改造后露点有显著提升，更有利于发酵工艺稳定、持续生产。而单耗显著降低，新离心式空压机的投入后，在设备运行稳定性和故障率上比原螺杆机更优，维护费用也更低，将会大大减少生产中成本投入，提高企业竞争力。

5、结论