能源問題已經(jīng)成為 21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的制約瓶頸，與此相應(yīng)的全球氣候變化成為各國迫切面臨的重大挑戰(zhàn)。我國《“十一五”規(guī)劃綱要》把“十一五”時期單位 GDP 能耗降低 20%作為約束性指標(biāo)。目前我國化工行業(yè)的單位能耗水平同國際先進(jìn)水平還存在較大的差距，存在巨大的節(jié)能潛力。精細(xì)化工作為基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)縱深發(fā)展，所占比重不斷增大。由于精細(xì)化工生產(chǎn)本質(zhì)上的非穩(wěn)定性和不確定性，大部分設(shè)備長期處于低能效運(yùn)行狀態(tài)，其產(chǎn)品能源單耗是基礎(chǔ)化學(xué)品的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。而精細(xì)化工產(chǎn)品的高附加值特性使生產(chǎn)中的節(jié)能問題被長期忽略，未引起足夠重視。

　　電能是精細(xì)化工企業(yè)主要能源形式之一。用電設(shè)備除了工藝過程用于物料輸送和混合的泵、攪拌器外，大功率設(shè)備主要集中在公用工程站，例如壓縮機(jī)、制冷機(jī)、冷卻水輸送泵等。本文結(jié)合節(jié)能工作實(shí)踐，在分析精細(xì)化工企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出應(yīng)從公用工程供應(yīng)端節(jié)能，就空壓機(jī)組、冷凍機(jī)組以及冷卻水輸送泵的運(yùn)行，分析了常規(guī)控制方式的低效原因，提出變頻調(diào)速優(yōu)化控制方案，提高能源效率。

　　1 從公用工程供應(yīng)提高精細(xì)化工企業(yè)的能源效率

　　精細(xì)化工是以高新技術(shù)為基礎(chǔ)，以市場需求為導(dǎo)向，以產(chǎn)品具有特定功能、附加值高、小批量、多品種、系列化為特點(diǎn)的化學(xué)工業(yè)。小批量、多品種要求企業(yè)生產(chǎn)采用多品種綜合生產(chǎn)流程和多功能多用途的生產(chǎn)裝置。高技術(shù)密度和高附加值意味著開發(fā)成本和利潤率極高。

　　多功能多用途的設(shè)備特點(diǎn)決定了無法由某種特定產(chǎn)品來設(shè)計和確定*優(yōu)設(shè)備參數(shù)和*優(yōu)操作參數(shù)，難以從工藝過程（用戶端）提高能源效率。在節(jié)能工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，能源供應(yīng)端即公用工程發(fā)生裝置卻大有節(jié)能潛力。由于精細(xì)化工過程的產(chǎn)品多品種性和生產(chǎn)間歇性，公用工程需求量隨產(chǎn)品和操作步驟而變化，具有本質(zhì)非穩(wěn)定性。公用工程發(fā)生裝置和輸送裝置為了滿足生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的*大需求量，常采用*大需求量作為設(shè)計值。另外，在設(shè)計環(huán)節(jié)，從工藝設(shè)計到設(shè)備設(shè)計再到設(shè)備制造，每一個環(huán)節(jié)都采用安全系數(shù)，往往*終安裝設(shè)備的容量要比實(shí)際需求大不少。這兩個因素導(dǎo)致公用工程裝置長期處于“大馬拉小車”狀態(tài)，電機(jī)效率低。

　　公用工程設(shè)備擔(dān)任全廠的公用工程供應(yīng)，總電耗占全廠總電耗一半以上。若解決好這些大設(shè)備上的“大馬拉小車”現(xiàn)象，優(yōu)化它們的控制方式，可取得可觀的節(jié)電量。

　　2 變頻調(diào)速的原理和效益

　　變頻器是一種可以任意調(diào)節(jié)其輸出電壓頻率，使三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速的裝置。變頻器工作時，先將電源的三相交流電經(jīng)整流橋整流成直流電，又經(jīng)逆變橋“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。

　　化工企業(yè)普遍采用離心式風(fēng)機(jī)和泵輸送流體，這類負(fù)載符合二次方律，即負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，負(fù)載功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)離心泵或風(fēng)機(jī)的特性“流體體積流量與轉(zhuǎn)速成正比”，若采用調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制流體輸送流量，負(fù)載功率與流體流速的三次方成正比，負(fù)載功率隨流速降低而急劇降低。而傳統(tǒng)的節(jié)流控制方法則通過增加管路阻力來減小流速，在節(jié)流元件上增加了額外的功耗。

　　變頻控制的另一優(yōu)點(diǎn)是可以維持負(fù)載運(yùn)行在額定效率點(diǎn)。而節(jié)流控制時，一臺離心泵的泵效率在額定點(diǎn)處效率*高，向兩邊不斷降低，尤其是低速區(qū)泵效率降低更快。由于泵效率的降低，拖動電機(jī)的軸功率隨流量基本呈線性降低。變頻調(diào)速除節(jié)能外，還可以降低設(shè)備故障率，延長設(shè)備壽命，提高控制精度，從而產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)效益。

　　3 冷卻水輸送泵的變頻恒壓控制

　　化工生產(chǎn)中冷卻水用量大，用戶眾多，形成冷卻水管網(wǎng)。為避免或減小用戶管路閥門開閉對其他用戶流量的干擾，需保持輸水總管壓力恒定，即保持冷卻水輸送泵的出口壓力恒定。根據(jù)泵的特性曲線，在一定轉(zhuǎn)速下，若流量變化，泵的壓頭也要改變。為保持泵的壓頭恒定，通常采用旁路控制泵的出口壓力。旁路調(diào)節(jié)利用旁路來平衡泵的總流量來維持壓頭穩(wěn)定。從能源效率來看，從旁路流回到泵入口的冷卻水對生產(chǎn)沒有任何作用，泵為輸送這部分水所消耗的功為無用功，很不經(jīng)濟(jì)。

　　變頻調(diào)速控制恒壓供水，直接將從壓力變送器傳送過來的壓力值同設(shè)定值比較，通過 PID 控制算法得到變頻器輸出頻率，從而改變泵的轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)泵的出口壓力，形成閉路控制系統(tǒng)。

　　變頻恒壓控制的節(jié)能量并不與流量的三次方成正比，而只與其呈線性正比，節(jié)能量較前述的變頻流量控制的節(jié)能量顯著降低，這是由于當(dāng)有用戶關(guān)小閥門而引起總管路壓降增大導(dǎo)致額外的損失，但這是為保持用戶獨(dú)立而不可避免的。

　　4 空壓機(jī)組的變頻恒壓供氣控制

　　空壓機(jī)的種類有很多，有活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在 p min～p max之間來回變化。p min是能夠保證用戶正常工作的*低壓力值，p max是設(shè)定的*高壓力值。

　　加卸載控制方式存在極大的能源浪費(fèi)，主要體現(xiàn)在以下三個部分。①壓縮空氣壓力超過 p min所消耗的能量。當(dāng)儲氣罐中空氣壓力達(dá)到生產(chǎn)要求p min后，加卸載供氣控制方式還要使其壓力繼續(xù)上升，直到 p max。這一過程需要額外的壓縮功。②減壓閥減壓消耗的能量。氣動元件的額定氣壓在 p min左右，高于 p min的氣體進(jìn)入氣動元件前需要用減壓閥將其減至 p min，這是一種能量損失。③卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量。卸載期間，盡管壓縮機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但電機(jī)還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動需消耗電能。據(jù)測算，空氣壓縮機(jī)卸載時的能耗約占滿載運(yùn)行時的 10%～35%。

　　變頻恒壓控制根據(jù)儲氣罐壓力與設(shè)定壓力的偏差自動調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速維持壓力恒定，可以克服加卸載控制的以上缺點(diǎn)，達(dá)到系統(tǒng)高效節(jié)能、精確控制的目的。變頻恒壓供氣控制較加卸載控制的節(jié)能量從理論上給出數(shù)學(xué)表達(dá)式較為復(fù)雜，常根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)比較節(jié)能量。

　　實(shí)例 某企業(yè)有 4 臺螺桿式空氣壓縮機(jī)，均為 90 kW，原采用每臺均采用加卸方式控制。前三臺空壓機(jī)處于長期加載狀態(tài)，而第四臺加、卸載頻繁。據(jù)統(tǒng)計，每天卸載時間為 9 h，卸載時的電機(jī)功率為加載時的 20%.為穩(wěn)定壓力，對第 4 臺空壓機(jī)采用變頻 PID 控制。根據(jù)改造前后各一個月的用電統(tǒng)計，該臺空壓機(jī)變頻恒壓控制后節(jié)能達(dá) 30%.若以年運(yùn)行 300 天計，年節(jié)能量為W s =90×（15+9×20%）×300×30%=136 080 kW？h結(jié)合變頻調(diào)速，若對多臺壓縮機(jī)運(yùn)行進(jìn)行中央集中控制，合理設(shè)置啟停機(jī)規(guī)則，并對系統(tǒng)壓力設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化，可取得更為顯著的節(jié)能量。

　　5 冷凍機(jī)組的變頻控制

　　壓縮制冷循環(huán)由壓縮、冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)四個環(huán)節(jié)組成。冷凍機(jī)組的電耗環(huán)節(jié)有二：一是壓縮機(jī)，二是冷卻水系統(tǒng)。這兩個環(huán)節(jié)在實(shí)際運(yùn)行中都可能存在“大馬拉小車”的問題。

　　冷卻水系統(tǒng)。設(shè)計上，冷卻水輸送泵的容量是按照*大換熱量以及*惡劣條件，即壓縮機(jī) 100%負(fù)荷和環(huán)境氣溫*高，再取一定的安全系數(shù)來確定的。由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及工藝?yán)淞控?fù)荷的變化，實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計值，因此，冷卻水的進(jìn)出口溫差很小，甚至只有 1 ℃左右。從節(jié)能的角度講，只要冷卻水能及時將冷凝器中的熱量帶走保證制冷循環(huán)正常進(jìn)行，冷卻水流量越小，輸送泵所做的就越少，節(jié)能也就越明顯。

　　壓縮機(jī)系統(tǒng)。壓縮機(jī)通過調(diào)節(jié)制冷劑的吸入量來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器溫度或者制冷量。導(dǎo)流葉片電動調(diào)節(jié)器自動控制導(dǎo)流葉片的開度，導(dǎo)流葉片可以在設(shè)計值的 100%到 15%之間調(diào)節(jié)制冷劑流量，從而控制冷凍機(jī)組的制冷量。電機(jī)的設(shè)計值也是按負(fù)荷100%，在部分負(fù)荷下出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

　　若采用變頻技術(shù)改造制冷量控制系統(tǒng)，由于涉及導(dǎo)葉輪的控制和制冷機(jī)組內(nèi)部的改動，需要壓縮機(jī)廠家參與改造，不可自行改動。根據(jù)冷凍機(jī)組廠商約克（YORK）提供的數(shù)據(jù)，變頻控制制冷量的年節(jié)電達(dá) 15%～25%，在低負(fù)荷下，節(jié)能持續(xù)高達(dá)75%.

　　采用變頻調(diào)速技術(shù)改造冷卻水流速，則簡單易行。冷凍機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)需與車間冷卻水系統(tǒng)獨(dú)立，由于揚(yáng)程差距甚大不要共用冷卻水輸送泵。冷卻水系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速時，多采用冷卻水進(jìn)水和回水的溫差控制。溫差大，說明冷凍機(jī)組制冷負(fù)荷大，應(yīng)提高泵的轉(zhuǎn)速加大冷卻水流量，加大冷卻量；溫差小，冷凍機(jī)組負(fù)荷小，適當(dāng)減小冷卻水流量，以增加節(jié)能效果。由于冷卻水進(jìn)水溫度隨環(huán)境溫度而變化，影響換熱效果，因此，設(shè)定溫差應(yīng)根據(jù)進(jìn)水溫度適當(dāng)調(diào)整。進(jìn)水溫度低時，應(yīng)著重節(jié)能效果，設(shè)定溫差可適當(dāng)增大；進(jìn)水溫度高時，必須保證冷卻效果，設(shè)定溫差應(yīng)減小。利用變頻調(diào)速控制冷凍機(jī)組的冷卻水流量，有效功與流量的三次方成正比，其節(jié)能量是非?？捎^的，這里不再舉例分析。

　　6 結(jié)論

　　精細(xì)化工生產(chǎn)的不確定性和設(shè)計上的保守性，使“大馬拉小車”現(xiàn)象在生產(chǎn)中普遍存在。

　　從公用工程供應(yīng)端提高能源效率，是精細(xì)化工企業(yè)做好節(jié)能減排工作的可靠且簡便的途徑。空壓機(jī)組、冷凍機(jī)組和冷卻水輸送泵是公用工程系統(tǒng)的主要電耗大戶，利用變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)化控制它們的運(yùn)行，提高它們的運(yùn)行效率，不僅降低設(shè)備能耗，還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。