CN112685849A - 单机或空压站形式的压缩空气系统相对能效的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩空气系统运行监测技术，旨在提供一种单机或空压站形式的压缩空气系统相对能效的分析方法。对于以单机形式运行的压缩空气系统，根据压缩机的等温冷却功率计算单机压缩机的相对能效；对于以空压站形式运行的压缩空气系统，获取各单机压缩机的相对能效数据后，对指定时段内各单机压缩机的相对运行能效取平均值，以不同设备在指定时段内运行时间的比例为权重，计算空压站指定时段内相对运行能效模型。本发明首次引入了相对能效分析的概念，直观反应设备的相对状态；引入基于设备运行时间比例权重的概念，给出运行台时都在变化的空压站的整体运行能效；实现不同环境工况、生产荷载条件下，单机以及空压站整体能效的高精度可视化分析。

Description

单机或空压站形式的压缩空气系统相对能效的分析方法

本案申请是中国发明专利申请“压缩空气系统绝对能效和相对能效的分析方法”的分案申请，原申请的申请日为2019年02月12日；申请号为201910111932.6。

技术领域

本发明涉及压缩空气系统运行监测技术，特别涉及单机或空压站形式的压缩空气系统相对能效的分析方法。

背景技术

在冶金、有色、钢铁、化工和石化等行业中，压缩空气作为重要的能源，其系统为典型的非线性动力系统，运行直接受到多变环境工况和生产荷载强度的影响，运行过程整体而言复杂多变。这样一个复杂的系统，传统设计、运行和维护所能够监测的参数为一系列相互耦合的工艺参数，如压缩机的排气压力、流量、排气温度、各级进出口压缩空气温度、电机电压、电机电流、电机功率、进口导叶开度、旁通阀关度等等。这些参数存在的问题是本身都是耦合参数，很难根据其中一项判定系统运行状态，尤其是能效状态。而考虑到压缩空气随工况的变化，实际运行过程中，现场所采用的控制参数多为系统压力和电机电流。这两个参数的控制都结合压缩机进口导叶开度和旁通关度，基于压缩机的防喘振特性来进行。

对于压缩空气系统的设计体系而言，由于气体在压缩工程中复杂的热动力特性，传统的设计方式分析压缩机效率多采用基于各种假设条件的三种模型：绝热模型、等温模型和多变模型。实际运行中，考虑到多级冷却模式(水冷和风冷)，效率分析的参照选取最佳的等温过程做为参照依据(绝热条件难满足、多变过程太复杂)。在这样的分析条件下，压缩空气系统的压比直接受到环境工况的影响。但是，实际运行过程中，却缺少分析监测环境工况对压缩机运行状态影响的文献。另外，传统分析方法中，即便考虑了环境工况，所监测的压比往往是压缩机排气压力与吸气口大气压力的比值。这一点从本质上就存在问题，问题表现为压缩机进口都设有相应的过滤段(自洁式或者进口自带过滤)，大气压力需要在离心机进口吸入作用下，首先经过过滤段。经过该段，必然有局部阻力损失，且该损失的取值直接受环境清洁程度的影响。或者说，对于压缩机而言，实际有效的压比不应该是吸气口大气压力，而应该是进口过滤段后，气体的压力取值。这是传统监测中存在的一个直接问题，这个问题的另一面是，由于缺乏对进口段气体压力的有效检测，过滤器阻力的监测往往就较为模糊，导致过滤器的清洗、运维和更换都缺少直接客观的依据。

即便是在这种存在问题的监测条件下，实际上，用户得到的关于压缩机运行能耗的参数往往只是电机运行的电流、电压、功率和功率因数以及用电量的取值。以离心机和螺杆机为例分析，对于离心机压缩机而言，其进口导叶开度每调整一个角度，离心机的特性曲线就会变化一次。这是设备本身特性复杂导致的问题，但是导叶开度对压缩空气系统运行特性影响的监测数据确是极度缺乏的。即便是监测了进口导叶开度随工况的变化情况，但由于所监测的各项参数的耦合特性，也难以断定其对压缩机运行能效的影响。对应螺杆机而言，虽然是容积式的，其排气的体积流量基本与环境工况无关。但是，对于压缩空气系统而言，压力的维持实际上是受质量流量的控制，也就是说，螺杆机在同一地点，随春夏秋冬变化，其实际产气量、相应的运行能效状态其实是变化的。另外螺杆机多通过加卸载和变频来实现匹配系统运行压力的变化控制，这从另外一个角度提升了其运行能效分析的复杂性。速度式和容积式的压缩机都存在同样的问题，而对于复杂链式流程的压缩空气系统，往往是由多台空压机并联组成的体系，整个空压站就更加缺少运行能效监测分析体系了。

在运行效率方面，国标GB19153和GB50029有一定的规定：GB19153规定了一定容量范围内的活塞机和螺杆机等容积式压缩机的能效等级——采用比功率的定义，通过电机功率与排气量的比值来划分能效的等级。比功率是压缩机在对应工况下单位产气能耗绝对取值的一种直接体现，缺少工况变化的内容，很重要但却不足以刻划系统运行能效随工况地变化情况。GB50029建立了空压站综合输功效率的概念，其公式如下：

η＝δ×η_W

δ＝1+0.2×η_R

η——压缩空气站综合输功效率，％；

δ——压缩热回收修正系数：

η_w——压缩空气站输功效率，％；

η_R——压缩热能回收率，％；

E_R——压缩空气站回收热能，单位为千瓦小时(kW·h)；

E_K——空气压缩机组消耗的总电量，单位为千瓦小时(kW·h)；

P_x——空气压缩机吸气压力，绝对压力，单位兆帕(MPa)；

Q_z——测量时间段内，压缩空气站供气总量(空气压缩机吸气状态)，单位为立方米每分钟钟(m³/min)；

t——测量周期时间，单位为小时(h)；

P_Z——压缩空气站供气压力，表压，单位为兆帕(MPa)。

E_z——测量时间段内，压缩空气站用电总量，单位为千瓦小时(kW·h)。

这个内容相对而言，考虑到了工况变化对整个空压站运行效率的影响，并以等温轴功率做为基准，建立了分析整个空压站运行效率的体系。该套体系存在的问题表现为如下几个方面：1)整站分析，缺少单机分析的依据；2)压缩空气站是由不同压缩机组成的，不同设备运行时间比例不同，会导致空压站的运行特征有差异，而该系统无法表征这一变化过程；3)压缩热能回收率η_w的表达式中，分子涉及进口压力和总管压力的取值，是实时变化的(瞬时与总能耗矛盾，瞬时是功率，总能耗是电量，功率是变动的)，而分母取值为某一时间段的功耗，这两个概念就存在矛盾；4)压缩热能回收率η_w的表达式相当于一个等温过程的轴功率，而其对应的工况下，电机的功率还应该考量电机特性，即不同荷载强度下，电机的转换效率，而公式中缺乏这一影响的分析；5)余热回用效率的引入，实际上是与GB19153相矛盾的。余热回收的问题，应该单独分析，考虑GB19153，接入余热回用必然是超一级能效的，但是这和压缩机本身运行效率是并行的。压缩空气系统能效，首先应该考虑的是压缩机本身的特性；然后基于单机的能效特性对整个空压站运行特性进行分析。当然对于现代压缩空气系统，余热回用是节能的重要特征，所以应该单独列体系进行详细分析，最后综合考虑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种单机或空压站形式的压缩空气系统相对能效的分析方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种以单机形式运行的压缩空气系统绝对能效的分析方法，包括以下步骤：

(1)在约定气体流量的取值状态下，测定单机运行压缩机的产气量Q_i和对应的运行功率N_i；同时，对压缩机运行时的影响因素进行监测，所述影响因素包括：吸气口温度、湿度、大气压、过滤器后的有效压力、排气压力和有效压比；

(2)定义压缩机的绝对能效为：

式中：η_Ai为编号为i的单机压缩机实时绝对运行能效取值；N_i为单机压缩机的运行功率，kW；Q_i为单机压缩机的产气量，m³/min；

将随运行时间变化的压缩机绝对能效与前述各影响因素的数值变化曲线绘制在同一个坐标体系中；

该式中所用的压缩机功率为实际工况下的运行功率，并非压缩机的轴功率概念，可以直接分析压缩机生产单位压缩空气所消耗电能。结合所检测的环境参数(温度、压力和湿度)判定不同环境工况条件下，对应设备单耗的变化情况和规律。尤其是离心机，相同进口导叶(IGV)和放散阀关度(BOV)条件下，不同环境工况对单耗的影响可用图表的方式来表达，纵坐标可以选择绝对能效，横坐标的取值分别为进口空气温度、压力和湿度。同时在图中可以列入上述两个开/关度进行不同取值影响的分析。

数据监测分析中可将随运行时间变化的压缩机绝对能效与前述各影响因素的数值变化曲线绘制在同一个坐标体系中。该参数不需要进行修正，是实际运行过程中耗电量与产气量的比值，唯一需要调整的是对标时所确定的用户方需要明确的气体状态(标准状态)；

(3)根据用户方对气体标准状态的定义，结合各影响因素的监测结果(即前述吸气口温度、湿度、大气压、过滤器后的有效压力、排气压力及有效压比等仪表显示的气体参数)修正对压缩机绝对能效的影响，获得对应状态下的压缩机绝对能效数据。

有别于传统的比功率分析概念，本发明还需要监测吸气口温度、湿度、大气压、过滤器后的有效压力、排气压力及有效压比，在同一界面与绝对能效一起用不同颜色曲线来表示，对应纵坐标可以分析各种因素对绝对运行能效的影响，并为单因素分析奠定基础，这在传统体系中是没有同类型监测分析的。

举例说明，进口温度、湿度和压力对绝对能效分析的影响，可以在大量数据监测的基础上，以绝对能效取值为纵坐标、分别不同采样时刻环境参数为横坐标，构建数据曲线。则可以直接判定对应时刻，给定机器条件下，各因素对绝对能效取值的影响。就可以客观显示这些因素对压缩机运行特性的影响，回答相同进口导叶(IGV)和旁通阀 (BOV)开关度条件下，环境工况、生产荷载强度对绝对能效的影响规律。

本发明还提供了一种以空压站形式运行的压缩空气系统绝对能效的分析方法，包括以下步骤：

(1)按前述方法，获取空压站中各单机压缩机的经修正的压缩机绝对能效数据；

(2)对指定时段内编号为i的各单机压缩机的绝对运行能效取平均值：

式中：

为指定时段内编号为i的压缩机所有采样比功率的平均值；η_Ai为编号为i的压缩机实时绝对运行能效取值；M_i为编号为i的压缩机在该时段内的采样总数；

(3)以不同设备在指定时段内运行时间的比例为权重，计算空压站指定时段内绝对运行能效模型：

式中：

η_AS为指定时段内空压站的绝对能效；t为指定时段的时间取值，h；t_i为指定时段内编号为i的压缩机运行的时间取值，h。

本发明还提供了一种以单机形式运行的压缩空气系统相对能效的分析方法，包括以下步骤：

(1)按前述方法，获取单机压缩机的经修正的压缩机绝对能效数据；

(2)根据给定压缩机的特性，基于绝对运行能效计算单机压缩机的相对能效：

式中：

η_R1i为编号为i的单机压缩机的根据给定压缩机特性的相对运行能效；η_Ai为编号为i的单机压缩机实时绝对运行能效取值；η_DAi为编号为i的单机压缩机在当前运行工况下对应设计的设计绝对运行能效。

基于此，本发明提供了一种以空压站形式运行的压缩空气系统相对能效的分析方法，包括以下步骤：

(1)按前述方法，获取空压站中各单机压缩机的相对能效数据；

(2)对指定时段内编号为i的各单机压缩机的相对运行能效取平均值：

式中：

为指定时段内编号为i的单机压缩机的根据给定压缩机特性的相对运行能效的平均值；η_R1i为编号为i的单机压缩机的根据给定压缩机特性的相对运行能效；M_i为编号为i的压缩机在该时段内的采样总数；

(3)以不同设备在指定时段内运行时间的比例为权重，计算空压站指定时段内相对运行能效模型：

式中：

η_RS1为指定时段内空压站的相对能效；t为指定时段的时间取值，h；t_i为指定时段内编号为i的压缩机运行的时间取值，h。

本发明进一步提供了一种以单机形式运行的压缩空气系统相对能效的分析方法，包括：

根据压缩机的等温冷却功率，计算单机压缩机的相对能效：

式中：η_R2i是编号为i的单机压缩机的相对运行能效；P_Xi是压缩机进口过滤器后的有效吸入压力，MPa；Q_i是压缩机指定约定状态条件下的排气量，m³/min；P_Oi是压缩机实测排气压力，MPa；η_Mi是压缩机在等温冷却轴功率对应荷载率下的转换效率；N_i是压缩机当前工况下的实测运行功率，kW。

有别于GB50029的定义，第二类单机相对运行能效模型是个实时变化的取值，压力、流量和功率均为瞬时取值，这样就不存在瞬时和平均意义上的矛盾，另外计入了电机特性，更为合理。第一类相对运行能效是分析对于给定设计特性条件下，绝对运行能效的相对变化；而第二类相对运行能效是将所有工况放在等温冷却的标杆下，进行分析，不同机器的设计差异，隐含在实际运行功率的取值当中。该模型的好处在于纳入了有效吸入压力和压比(有效吸入压力是指过滤器后的有效进口压力)，可进一步对不同压力、压比、生产荷载强度条件下的能效进行可视化分析。

基于此，本发明进一步提供了以空压站形式运行的压缩空气系统相对能效的分析方法，包括以下步骤：

(1)按前述方法，获取空压站中各单机压缩机的相对能效数据；

(2)对指定时段内编号为i的各单机压缩机的相对运行能效取平均值：

式中：

为指定时段内编号为i的单机压缩机的相对运行能效的平均值；η_R2i为编号为i的单机压缩机的相对运行能效；M_i为编号为i的压缩机在该时段内的采样总数；

(3)以不同设备在指定时段内运行时间的比例为权重，计算空压站指定时段内相对运行能效模型：

式中：

η_RS2为指定时段内空压站的相对能效；t为指定时段的时间取值，h；t_i为指定时段内编号为i的压缩机运行的时间取值，h。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明通过对应状态条件下的绝对能效分析，基于相应的图表形式，可以直观分析不同生产及环境工况条件下，给定单机的实际单耗及其变化规律，尤其是不同进口参数条件下，绝对能效的连续变化规律的可视化分析，这在现有的能效分析体系中是一项空白；

2)本发明中的绝对能效所能反馈的是在给定状态下(包括环境、生产、设备本身)压缩机单耗的实际取值，无法进一步表明其距离对应工况下压缩机设计特征的差异性，或者说无法判定机器本身的状态是否良好，本发明首次引入了相对能效分析的概念，将运行绝对能效与其对应的设计绝对能效相比较，直观反应设备的相对状态，属于创新概念；

3)对于新老国家标准中能效分析的不足，本发明进行直接的改进，建立的新的能效分析公式；

4)通过创新引入基于设备运行时间比例权重的概念，给出运行台时都在变化的空压站的整体运行能效，这在传统的理念中是根本无法体现的内容，属于本发明的创新体系内容；

5)不同环境工况、生产荷载条件下，单机以及空压站整体能效的高精度可视化分析，是本发明的又一创新点所在。

具体实施方式

本发明面向复杂的压缩空气体系，建立了单机或空压站运行能效分析的体系，并构建相应能效分析的数学模型模型。首先有别于传统的能效分析体系，本发明提出了绝对能效分析和相对能效分析的概念。

1.绝对运行能效分析

绝对能效分析体系分为两个部分，其一为单机的绝对运行能效分析；其二为在单机分析基础上，考虑单机运行时间特征的空压站总体的绝对运行能效分析。基本思路和模型如下：

1)单机绝对运行能效分析

对于运行中的压缩机，不论哪种机型，编号为i的压缩机在当时当地的运行条件下，首先测定其产气量Q_i(m³/min)(约定气体流量的取值状态)，同时测定对应的运行功率N_i(kW)，定义该压缩机的绝对能效为：

其值表征在其运行工况下实时比功率的取值，可应用GB19153的数据表判定其运行能效的等级，这个可以做成模型建立差值数据库，来判定对应压力下的运行比功率与不同能效等级标准进行对比，给出直接结果。这一参数，在实际运行中目前还缺少实时和历史趋势的监控分析。

但是有别于传统的比功率分析概念，本发明还需要监测吸气口温度、湿度、大气压、过滤器后的有效压力、排气压力及有效压比，将随运行时间变化的压缩机绝对能效与各影响因素的数值变化曲线绘制在同一个坐标体系中；在同一界面与绝对能效一起用不同颜色曲线来表示，对应纵坐标可以分析各种因素对绝对运行能效的影响，并为单因素分析奠定基础，这在传统体系中是没有同类型监测分析的。

举例说明，进口温度、湿度和压力对绝对能效分析的影响，可以在大量数据监测的基础上，以绝对能效取值为纵坐标、分别不同采样时刻环境参数为横坐标，构建数据曲线。则可以直接判定对应时刻，给定机器条件下，各因素对绝对能效取值的影响。就可以客观显示这些因素对压缩机运行特性的影响，回答相同进口导叶(IGV)和旁通阀 (BOV)开关度条件下，环境工况、生产荷载强度对绝对能效的影响规律。

2)某时间段空压站整体绝对能效分析

空压站内压缩机类型、厂家往往不单一，对每个投运压缩机增加计时分析，对于给定时间段而言，运行了不同的机器，按照编号，首先对上述各单机的绝对运行能效取平均值：

式中：

——指定时段内编号为i的压缩机所有采样比功率的平均值；

η^Ai——编号为i的压缩机实时绝对运行能效取值；

M_i——编号为i的压缩机在该时段内的采样总数。

上述公式给出了指定时段内，编号为i的压缩机的平均绝对运行能效的取值。

以不同设备在该时段内运行时间的比例为权重，建立空压站指定时段内绝对运行能效模型如下所示：

式中：

η_AS——指定时段内空压站的绝对能效；

t——指定时段的时间取值(h)；

t_i——指定时段内编号为i的压缩机运行的时间取值(h)；

该模型考虑了同一个空压站，不同设备运行对整体绝对运行能效取值，这个模型的好处是明确了不同时段内，不同运行方式组合带来的绝对运行能效的变化。

2.相对运行能效分析

如上所述，整个空压站的能效分析，需考虑单机和站体两种模式。绝对能效虽然直观，但是问题也很明确，压缩机所运行的工况是变化的，不同工况下绝对运行能效的取值必然变化，无法和工况的变化直接挂钩。而在不同工况中，等温冷却效应是压缩空气系统功耗的极致，这个之和压缩过程挂钩，不考虑余热利用部分。在这个前提下，构建单机相对运行能效分析和空压站整体相对运行能效分析的模型如下：

1)单机相对运行能效分析

相对运行能效模型依然首先面向单机展开，模型分为两重含义，其一是根据给定压缩机的特性，基于绝对运行能效模型建立；其二以等温冷却功率做为参考依据，两个效率的模型分别如下

式中：

η^R1i——代表编号为i的压缩机，第一类型相对运行能效；

η^Ai——代表编号为i的压缩机，在当前运行工况下的绝对运行能效；

η^DAi——代表编号为i的压缩机，在当前运行工况下对应设计的设计绝对运行能效。

第一类相对运行能效意义是在当前的工况(包括进口导叶和旁通阀开度)下，运行比功率偏离高效工况的程度。对于所有压缩机而言，设计取值的比功率是最优取值，随着压缩机运行，其特性必然出现衰减，这种衰减首先应该以压缩机本身设计参数为依据。第一类相对运行能效分析，可作为健康诊断和运行维护的数据基准。如可认定当第一类相对运行能效取值低于80％时(具体阈值可根据实际的情况来确定)，需要对该机器进行运行维护。

与第一类单机相对运行能效模型相对应，对于每一个工况(进出口压力、压比、温度、湿度、流量、IGV/BOV)，在对应的压力压比和流量条件下，以等温冷却效应为基准，建立第二类单机相对运行能效模型为：

式中：

η_R2i——编号为i的压缩机，第二类相对运行能效；

P_Xi——编号为i的压缩机，进口过滤器后的有效吸入压力，MPa；

Q_i——编号为i的压缩机，指定约定状态条件下的排气量，m³/min；

P_Oi——编号为i的压缩机，实测排气压力，MPa；

η_Mi——编号为i的压缩机，在等温冷却轴功率对应荷载率下的转换效率；

N_i——编号为i的压缩机，当前工况下的实测运行功率，kW。

如公式所示，有别于GB50029的定义，第二类单机相对运行能效模型是个实时变化的取值，压力、流量和功率均为瞬时取值，这样就不存在瞬时和平均意义上的矛盾，另外计入了电机特性，更为合理。第一类相对运行能效是分析对于给定设计特性条件下，绝对运行能效的相对变化；而第二类相对运行能效是将所有工况放在等温冷却的标杆下，进行分析，不同机器的设计差异，隐含在实际运行功率的取值当中。该模型的好处在于纳入了有效吸入压力和压比(有效吸入压力是指过滤器后的有效进口压力)。

2)指定时段内空压站整体相对运行能效模型

基于单机的运行能效的两类模型，考虑指定时段内各机型机器运行时间比例特征，基于相对运行能效瞬时值的统计平均值，构建整个空压站的相对运行能效模型分别如下：

第一类空压站相对运行能效模型

第二类空压站相对运行能效模型

上述两式引入了各单机基于运行时间占比的权重，以及不同机器对应时段内第一类和第二类相对运行能效的平均值的概念。

通过上述能效模型，多变工况下，各投运压缩机乃至整个空压站的整体运行能效状况可以得到实时和历史分析，可直接为运行、维护、优化和健康诊断奠定基础。

Claims (2)

1.一种以单机形式运行的压缩空气系统相对能效的分析方法，其特征在于，包括：

根据压缩机的等温冷却功率，计算单机压缩机的相对能效：

式中：η_R2i是编号为i的单机压缩机的相对运行能效；P_Xi是压缩机进口过滤器后的有效吸入压力，MPa；Q_i是压缩机指定约定状态条件下的排气量，m³/min；P_Oi是压缩机实测排气压力，MPa；η_Mi是压缩机在等温冷却轴功率对应荷载率下的转换效率；N_i是压缩机当前工况下的实测运行功率，kW。

2.一种以空压站形式运行的压缩空气系统相对能效的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按权利要求1所述方法，获取空压站中各单机压缩机的相对能效数据；

(2)对指定时段内编号为i的各单机压缩机的相对运行能效取平均值：

式中：

为指定时段内编号为i的单机压缩机的相对运行能效的平均值；η_R2i为编号为i的单机压缩机的相对运行能效；M_i为编号为i的压缩机在该时段内的采样总数；

(3)以不同设备在指定时段内运行时间的比例为权重，计算空压站指定时段内相对运行能效模型：

式中：

η_RS2为指定时段内空压站的相对能效；t为指定时段的时间取值，h；t_i为指定时段内编号为i的压缩机运行的时间取值，h。