【壓縮機網】一、引言

 

　　當前工業實際生產應用中壓縮空氣系統存在較大的能耗浪費，以及粗獷的管理使用方式。該問題已成為所有設備管理人員、設備制造人員步入節能管理、智能制造以及精益化生產過程中必須考慮的問題，也是必然要去改進的問題。

 

　　目前使用狀態下，壓縮空氣系統普遍存在以下問題：首先是空壓站數據缺乏監測和深入挖掘；其二是啟停靠人工控制；其三是空壓機系統使用過程中產生的較大能耗浪費。那么究竟得通過何種方式發現這些問題點？又如何對這些問題點進行合理的分析，最終提出有效的解決方案？如何達成真正的節能降耗的空壓機系統智慧能源管理？

 

　　本文將依據此邏輯展開，以江蘇某應用企業（后文稱“甲公司”）為實際案例，第一部分將簡單介紹沃爾伯格數字化能源管理系統；第二部分將以甲公司為例，介紹壓縮空氣系統使用過程中產生的具體問題，根據上述具體問題，介紹沃爾伯格提出并實施的解決方案；第三部分將分享并展現節能服務應用后的壓縮空氣系統現狀。

 

　　二、沃爾伯格空壓機系統數字化能源管理系統

 

　　2.1 壓縮空氣云能源管理系統簡介

 

　　沃爾伯格數字化能源管理系統是自主研發的邊緣數據采集器等設備，集中采集工廠設備的實時數據，專注于數據可視化呈現，對設備進行實時管控，精準分析產氣、用氣情況，快速查找存在浪費的原因。然后通過AI智能聯控技術，做到產氣壓力恒定、用氣適量供應、無人化管控等方式，大幅降低單位能耗、人工管理及設備保養成本。

 

　　2.2 壓縮空氣云能源管理系統的基本架構

 

　　系統基本架構分為4個層次，分別是終端層、設備層、業務層和拓展層（見圖1）。

 

　　2.3 壓縮空氣云能源管理系統控制的實現方式

 

　　沃爾伯格通過自主研發的邊緣數據采集器，采集和控制空壓機等設備數據。依托于自主研發的壓縮空氣云能源管理系統，來呈現各類數據及應用（見圖2）。

 

 

　　2.4 壓縮空氣云能源管理系統聯控功能

 

　　系統在檢查設備狀態后，按照特殊的策略，判斷設備需要啟停、輪休、加卸載等要求，及時下發指令，進行遠程聯動。實現聯控主要經過以下幾個步驟：

 

　?。?）錄入設備基本參數

 

　　收集所有空壓機的基礎運行參數，參數分為2種，一種是空壓機的電氣化參數，包括額定電壓、額定電流、額定功率等；另一種是功能化參數，包括“標準產氣量”、“實際產氣量”、“終端用氣量”等。在此基礎上，錄入車間的其他輔助設備參數，如“車間壓力”、“流量”、“有功功率”等（見圖3）。
 

 

　　（2）測試壓縮空氣到用氣終端的輸送時間：

 

　　調整空壓機的產氣壓力，測試壓縮空氣經過漫長的管路輸送，到達各個分支終端所需的時間，方便后期的能動預判。

 

　　（3）測試空壓機產氣端、管路輸送端、終端用氣的壓損：

 

　　對空壓機進行產氣前、產氣后的壓損測試，對管路進行傳輸前、傳輸后的壓損測試，對終端用氣進行理論需要壓力、實際需要壓力進行測試。

 

　　（4）試運行測試：

 

　　確認所有固定參數后，運用AI算法及智能控制技術，結合實際產氣、用氣的動態變化，生成一系列合理的能動指令，下發給空壓機進行開機、關機等操作。

 

　?。?）正式運行：

 

　　反復的磨合、測試后，使產氣壓力在極小的區間波動，保持空壓機的0卸載、高加載率，實現節能聯控的要求（見圖4）。
 

 

　　2.5 壓縮空氣云能源管理系統實現的效果

 

　　（1）減少用氣浪費，精確采集終端實時用氣量，用多少氣就產多少氣。

 

　　（2）減少壓損浪費，檢查產氣端輸氣到用氣端，改造不合理的輸氣管路。

 

　?。?）減少壓力浪費，避免用氣量的驟增、驟減，導致空壓機頻繁啟停。

 

　?。?）減少故障浪費，實現智能啟停、智能輪休，避免設備超負荷、帶病運行。

 

　?。?）減少人工浪費，通過PC端、手機App，實時掌控空壓站運行效率。

 

　　（6）減少保養浪費，提前發布預警、報警，避免設備意外停機影響生產。

 

　　（7）減少空載浪費，用氣量減少時，及時聯控空壓機進行停機。

 

　?。?）減少后處理浪費，與空壓機進行聯動，跟隨啟停。

 

　　（9）減少操作不當的浪費，用數據分析，對每個工人同時段用氣量、產量進行比對，發現浪費源頭（見圖5）。
 

 

　　甲公司于2020年6月8日與沃爾伯格建立起空壓機站節能診斷合作關系，并于當日成功通過匠心智聯邊緣數據采集器、壓力傳感器等數據采集設備建立起空壓機站能耗分析系統。于8月進行了精度控制前后的數據對比論證。下面將通過目前已采集數據，進行案例分析。

 

　　三、用戶數據分析

 

　　1、甲公司空壓機站概況

 

　　通過沃爾伯格調查發現，該空壓站系統有1路輸氣管路，涉及3臺永磁變頻式空壓機及相關配套設備。平均每日開機時長為12小時。目前空壓站的主要節能技術就是變頻空壓機的使用（見圖6）。

 

　　2.甲公司空壓機站未使用沃爾伯格系統狀態分析

 

　　原有的空壓機管理方式經過沃爾伯格檢測論證后，主要分為空壓站數據缺乏監測和深入挖掘、啟?？咳斯た刂?、能耗浪費三個維度的問題，具體分析如下：

 

　　2.1 目前空壓站數據缺乏監測和深入挖掘，故而存在以下問題：

 

　　1）所有設備都未并入互聯網，只能在站房現場、設備的控制面板上查看實時參數。

 

　　2）設備預警、報警出現時，無法告知負責人處理，導致產氣壓力大幅波動，影響生產。

 

　　3）缺少24小時全天候的設備監控，缺少系統性的運行數據，無法做實時分析和事后追溯。

 

　　4）缺乏整站的輸出氣體質量和能耗監測，存在盲目產氣、用氣浪費、含水含油量等雜質超標等情況。

 

　　5）現場改善難。重要參數沒有存儲歷史數據，只能憑人工經驗進行判斷。

 

　　2.2 目前空壓站啟停仍靠人工控制,故而也存在以下關鍵問題：

 

　　1）班次交接或生產換線時，需要安排專門的人員在空壓站現場手動啟停設備。

 

　　2）設備啟停、加卸載缺乏合理地控制策略配合。

 

　　3）從產氣到輸送到用氣終端存在一定的延遲，導致人工控制效果不佳。

 

　　4）缺乏全面的整站監控，人工控制的合理性、經濟性、有效性缺乏數據論證。

 

　　2.3 通過數據采集匠心智聯分析發現存在的能耗浪費問題：

 

　　1）管網用氣的變化頻繁，導致設備同時頻繁加卸載或者空載，控制效果差。

 

　　2）變頻設備未能及時升頻、降頻，使用效果差。

 

　　3）設備的設計能效與產氣、用氣要求不匹配，產生浪費。

 

　　4）設備在用氣需求減少時，未能及時停機導致出現空載，產生浪費。

 

　　5）設備在產氣端壓力波動頻次過高、波動幅度過大，產生浪費。

 

　　6）用氣終端壓力波動頻次過高、波動幅度過大，產生浪費。

 

　　3.沃爾伯格依據甲公司空壓站問題提出的解決方案

 

　　依據上述的種種問題，沃爾伯格技術工程師與甲公司進行了深入的技術交流，于2020年6月18日，正式開啟節能檢測服務，同時于8月3日開啟聯動控制節能方案。以下是相關的解決方案分享：

 

　　3.1 升級為智能數字化空壓站

 

　　（1）實現全流程監測。加裝傳感設備，監測從產氣到用氣的全程數據，包含站房溫濕度、官網壓力、流量、末端用氣壓力、后處理設備壓降、峰谷尖電、電氣比等。

 

　?。?）實現數據可視化。各類數據經過處理、匯總，形成看板、組態、報表等內容，供用戶查看。

 

　?。?）豐富的應用終端。支持臺式電腦（Windows系統、Linux系統等）、平板電腦、手機（App端，包括安卓Android和蘋果iOS系統），可隨時查看。

 

　?。?）便捷的web瀏覽操作。無須安裝，只需使用瀏覽器即可聯網查看。

 

　?。?）軟件、硬件聯動。發生預報警時，支持手機短信提醒、頁面游字提醒，以及現場的報警燈的提醒。

 

　?。?）實現虛擬2D空壓站展示。將現場設備及管道結構，模擬到組態圖中，可以在辦公室隨時觀測到站房實況。

 

　?。?）支持查看歷史數據，提供流量、壓力、電量、電氣比等多種數據報表。

 

　　（8)支持聯控分析、能耗分析等多種異常結果溯源分析，從多個頁面中將各種相關參數的曲線進行疊加，多緯度剖析異常的原因（見圖7）。

 

 

　　3.2 智能數字化控制

 

　　3.2.1 全方位監控實時狀態

 

　　所有與空壓機正常運行有關的參數，包括空壓機的震動、內壓，空濾的負壓，接觸器的溫度保護，電機軸、冷卻水的溫度，冷卻水的壓力、流量、電動閥門等，均可以通過硬件、軟件相結合的方式實現數據的采集、保存和處理，實時監控空壓機的運行狀態。

 

　　3.2.2 精準自動控制

 

　　通過安裝邊緣數據采集器，與空壓機的控制板相連，將空壓機的實時信息上傳至管控系統。系統經過參數分析、工況分析、用氣需求分析等多種工具，自動發送指令給空壓機，按要求實現遠程啟停、輪休、切換用氣管路等精準控制功能。

 

　　3.2.3 能耗自動分析

 

　　實時顯示空壓站總管路、分支管路的流量、壓力、露點、電量等能耗情況，可以從多個統計時間維度，如10分鐘、1小時、1天、1個月、1年，分析對應的用電量、用氣量等原始數據，并通過大數據算法，自動計算電氣比，生成壓力曲線。提供能耗對比，自主選擇已經過去的2個時間段，系統即可自動篩選出相應數據，進行并行比較，找出用電、用氣異常點。

 

　　3.2.3 主動報警信息

 

　　安裝多種傳感器，實現空壓機、空濾壓差報警，電機、主機震動報警，電機、接觸器溫度報警等功能，及時診斷設備健康狀況，確定是否需要檢修，減少事故發生，保障設備安全。

 

　　3.2.4 自動發送報警信息

 

　　通過手機App、電子郵件、短信息等方式，通知到相應維修人員，具體方式可由客戶自主確定。

 

　　3.2.5 制定保養計劃

 

　　提前制定并實施天、月、季度、年的保養計劃，提醒負責人按時保養。

 

　　3.2.6 生命周期監控

 

　　監控空壓機及各類配件的使用壽命，當壽命即將耗盡時發布預警，提示更換配件。同時，在配件的使用過程中，會生成配件使用報告，記錄配件的使用情況。

 

　　3.2.7 壓力恒定

 

　　通過AI算法，設置上下限壓力區間，使主管網壓力波動小于等于0.015MPa，壓降小于等于0.03MPa（見圖8）。

 

　　3.2.8 報表管理

 

　　大部分的數據可以形成報表，供用戶導出查看，如電氣比、流量壓力數據，故障報表、能耗報表等。

 

　　3.2.9 故障管理

 

　　設備的預警、故障信息可以實時查看，并匯集成表。最新的預警或者故障信息會顯示在首頁滾動播出。

 

　　3.2.10 設備組態圖

 

　　根據項目現狀的進行設計，自定義組合、擺放設備的位置，系統提供多樣的模塊供用戶選擇，如更改圖標的類型、管道的顏色等（見圖9）。
 

 

　　3.3 故障處理能力

 

　　3.3.1 處理流程

 

　　保全記錄：系統出現預警、報警等故障后，所有的具體信息都會在設備保全里面進行列表展示，并顯示故障的持續時間、當前的處理狀態。

 

　　預警、報警配置：對需要實時監測的重要參數，對其設置預警、報警閾值。一旦超過限制，系統將預報警內容以短信的形式，發送并提醒對應的負責人進行處理。

 

　　保養處理能力

 

　　配置計劃保全：生成保全計劃，明確各類設備的保養項目、保養周期。

 

　　3.3.2.保全提醒

 

　　系統在保全記錄里，各自周期的保全記錄都會有到期提醒，比如周保全是1星期觸發1次，月保全1個月觸發1次。

 

　　3.3.3 保全日歷

 

　　每臺設備每個月的保養計劃，都可以統一展示，方便維修人員提前查看保養要求，做好配件準備。

 

　　3.3.4 點檢能力

 

　　使用系統自帶的App版本，掃描設備的二維碼，即可查看當前設備需要操作的任務，并按要求進行拍照或文字編輯。當對應的流程操作結束后，PC端就可以查看到具體的處理結果。

 

　　自此，甲公司已經通過匠心智聯的產品形成了自己數字化設備運維體系

 

　　3.4 用氣趨勢分析

 

　　3.4.1 總體的用電情況

 

　　從峰期、谷期、尖期三個方面，采集并匯總實施的電度數，并折算成電費數，用電情況一目了然。甲公司項目現場同等產量條件下平均每日電耗為1772度。

 

　　3.4.2 浪費分析

 

　　包含兩個方面，一個是效率浪費，另一個是系統浪費。

 

　?。?）效率浪費：監測設備的用電量、用氣量，并計算電氣比；分析的維度包含年、月、日、小時和分鐘。

 

　?。?）空載浪費：設備空載時不產氣，導致存在電力浪費。

 

　?。?）空壓機壓力浪費：空壓機在產氣端壓力波動過大導致浪費，系統將超出正常壓力的部分進行統計匯總，計算出了浪費值。

 

　　（4）假性需求壓力浪費：用氣終端壓力波動過大導致浪費，系統將超出正常壓力的部分進行統計匯總，計算出了浪費值。

 

　　四、節能收益

 

　　以2020年的數據分析，6月8日起開始應用管理系統；8月用電數據截止至撰文日期30日，用電趨勢詳見圖10、11、12。
 

 

　　因此，上述兩個月由于產能受限，不能充分體現壓縮空氣云能源管理系統帶來的節能收益。我們以8月份為例，來分析具體的能耗情況。從8月3日開始，正式開啟系統聯控，具體見圖13。

 

　　接下來，我們取8月24日至29日、7月6日至11日、6月8日至13日共3個區間進行對比，每個區間均為周一至周日，具體數據見表1。
 

 

　　從數據報告及數據柱狀圖可以很清晰地看到開聯控前后數據的對比，從而得出以下試用結論（見表2）。
 

 

　　從表中計算得知，2020年全年合計用電（按300天計算）約為543,600kW·h。如應用壓縮空氣云能源管理系統，按目前已經實現的節能比例，則可節省用電92,100kW·h；節能比例約為16.94%；其中依據項目現狀還存在一定的節能空間，預計節能率達到21.4%左右。按平均電價0.7元/kW·h計算，年可節省電費64,470元，節能效果顯著。

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