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压缩空气融合能源变迁助力工业革命

  【压缩机网能源变迁

  能源是人类文明发展的基石,其变迁史本质上是一部人类技术进步与社会形态演进的史诗。从原始社会的钻木取火到工业革命的煤炭时代,再到当代的多元能源体系,每一次能源转型都深刻重塑了人类的生产生活方式。

  从火种到光明的文明跃迁,能源变迁犹如一条隐形的脉络,始终贯穿于人类文明从蒙昧走向辉煌的每个关键节点,其变迁跨越了四个阶段。

  1.薪柴时期:生物质能的原始启蒙(史前-18世纪)

  在工业革命之前,人们利用木头和晒干的粪肥来取暖和做饭,依靠人力来磨谷物,使用由马或其它动物驱动的马车进行交通运输。早期人类依赖生物质能维持基本生存,随着青铜器与铁器的发明,畜力与水力开始成为重要补充。

  核心能源:木材、秸秆、畜力等生物质能

  1.1能源形态与技术创新

  火的利用:北京周口店遗址的灰烬层(距今50万年)证实人类最早利用热能。

  机械能突破:中国汉代水排(水力鼓风冶铁)、波斯垂直轴风车(7世纪)。

  1.2社会结构影响

  能源获取半径决定村落规模(平均5平方公里/聚落)。欧洲中世纪森林覆盖率从80%降至15%(因木材燃料需求)。

  时间跨度:史前至18世纪工业革命前。

  1.3关键突破:

  人类掌握火的使用(约100万年前),推动熟食文化与工具制造。农业革命中,水车(中国汉代)、风车(波斯)等机械能应用初现。

  2.煤炭驱动的工业革命(18世纪-19世纪末)

  蒸汽机的出现使煤炭跃升成为工业社会的“黑色黄金”,催生了工厂制度与城市化进程。这种能源载体实现了从低密度向高密度、从分散向集中的跃迁,大幅提升了社会生产力。

  蒸汽机催生工业革命,煤炭产量与日俱增。英国煤炭产量从1700年300万吨增至1860年6000万吨。铁路与钢铁工业崛起,能源密度提升10倍以上。1930年随着蒸汽发电厂和燃煤发电厂的发展,煤的用量也在增加。

  3.石油和天然气重塑地缘政治(20世纪至今)

  石油的广泛应用使20世纪成为“碳氢化合物世纪”。1859第一口商业油井是在特苏维尔钻探的。内燃机(1886年)与汽车文化重塑城市形态,1973年石油危机暴露能源政治化风险,OPEC掌握全球油价主导权。

  4.清洁能源:在全球气候变化和能源安全双重挑战下,清洁能源已成为21世纪能源转型的核心议题(21世纪初-今)

  清洁能源作为实现碳中和目标的核心载体,其技术谱系已形成多维度分类体系。根据能源转化原理与资源特性,可划分为“可再生能源”与“清洁化石能源”两大基础类别:可再生能源领域,太阳能、风能、水能、生物质能及地热能构成五大支柱技术体系;清洁化石能源领域,“核能、天然气”与“氢能”成为转型过渡期的关键载体。

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  工业革命推动能源变迁

  第一次工业革命-蒸汽机时代:18世纪60年代至19世纪中期人类开始进入了蒸汽机时代。一般认为,蒸汽机、焦炭、钢和铁是促成工业革命技术加速发展的四项主要因素。

  第二次工业革命-电气化时代:第二次工业革命以电力的广泛应用为显著特点。从19世纪60—70年代开始,出现了一系列电气发明。德国人西门子制成发电机,比利时人格拉姆发明了电动机,电力开始用于带动机器,成为补充和取代蒸汽动力的新能源。

  第三次工业革命-信息化时代:20世纪40-50年代以来,在原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域取得的重大突破,标志着新的科学技术革命的到来,并一直持续到现在。

  第四次工业革命-智能化时代:第四次工业革命也称为工业4.0,是指利用信息物理融合技术(CPS)促进产业变革的时代,也就是所谓的智能化时代。这个概念最早出现在德国,于2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出,其核心目的是为了提高德国工业竞争力,在新一轮工业革命中占领先机。

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  工业的发展也可以理解为是对能源的开发过程,每场工业革命的背后都是一场能源革命。

  第一次工业革命:煤炭的大规模开发;

  第二次工业革命:石油的大规模开发,以及二次能源电的普及;

  第三次工业革命:综合型能源开发,特别是不可再生能源开发技术的成熟;

  第四次工业革命:可再生的清洁能源的开发,也就是新能源目标,旨在通过这五大支柱,推动能源结构转型,实现可持续发展。

  压缩空气无处不在

  压缩空气是首选能源,在工业中,压缩空气通常与电力、天然气和水被称为四大公用事业。压缩空气几乎可以在商业、生活、科研和工业的所有领域中找到,但是压缩空气具有的许多节能和环境效益是其它三项不可替代的。压缩空气成为各种应用和过程提供动力的首选能源。

  如今的企业发现,压缩空气是创新解决方案和应用的真正来源,压缩空气的能量被用于成千上万的应用,对全球工业的生产发展至关重要。很难想象在现代化生产和生活中没有不涉及压缩空气的产品或项目,压缩空气几乎可以在商业、生活、科研和工业的所有领域中找到。

  压缩空气发展历程

  压缩空气发展历程就是空压机(空气压缩机)的发展历史,空压机的起源可以追溯到中国古代的木制风箱。随着科技的进步,公元1640年,德国制造了机械式真空,这标志着现代压缩机械的开端。至1800年左右,英国成功研制出第一台单级往复活塞式空气压缩机,其排气压力达到1.38MPa(表压),为后来的空压机技术发展奠定了坚实基础。

  1.压缩空气应用在工业革命中有四个发展阶段

  1)初创阶段(19世纪初)

  背景:早期的空压机用于矿井通风、气动工具等。

  特点:早期空压机多为活塞机,手动或蒸汽驱动,效率较低,且应用范围有限

  2)发展阶段(20世纪中期)

  背景:随着工业革命的深入和制造业的发展,空压机在各个领域得到了广泛应用

  特点:电力工业的发展使得电动空压机成为可能,内燃机技术的改进也为空压机提供了新的动力来源。

  3)技术革新阶段(20世纪末期)

  背景:现代工业特别是电子、石油化工、新材料、新材料、新工艺、新技术的不断涌现,压缩气体设备必不可少。

  特点:螺杆式、离心式等新型空压机相继出现,并逐渐取代活塞式空压机成为主流。

  4)智能化与绿色发展(21世纪以来)

  背景:信息技术、物联网、大数据等技术的发展为空压机的智能化提供了可能。同时,智能空压机推动了工业生产需要向更加绿色、节能的方向发展。

  特点:智能化、变频、无油空压机开始出现,具有远程监控、故障预警、自动调节等功能。

  压缩空气未来将会朝着更加高效、智能、环保的方向发展。

  2.世界压缩空气发展

  压缩空气设备制造业覆盖了全世界,主要以空压机和净化设备为主,且有多个知名品牌,空压机包括瑞典的阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)、德国的凯撒、美国的英格索兰(Ingersoll Rand)、寿力(Sullair),英国的康普艾(CompAir),以及日本的日立等。压缩空气净化设备包括:超滤Ultrafilter、唐纳森(Donaldson)、汉克森(Hankison)、多明尼克·汉德(DH)等等。这些公司不仅生产各种形式的空压机和净化设备,更在全球范围内占据了重要和领先的市场份额,这些公司在技术和市场宣传上投入巨大,实力雄厚,在市场上拥有广泛的影响力。

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  3.中国压缩机发展

  旧中国工业基础薄弱,空压机产业几乎为零,依赖进口与仿制。新中国建设需求,国家急需大量的矿山开采设备及钢铁工业的生产,尤其是空气压缩机等风控工具,这促成了我国空压机制造业的兴起,首批十二家专业厂建立,以活塞式空压机为主。

  到二十世纪九十年代,国际空压机巨头到中国开展业务,国际品牌纷纷入驻,合资工厂引领先进空压机技术,主要以螺杆空压机为主。

  2000年前后,民营资本大量进入螺杆空压机行业,国企改制及民营螺杆空压机崛起。国产螺杆空压机进入黄金期,逐步占据市场,外资品牌市场份额逐年缩小。中国空压机企业崛起,展现出强大的市场竞争力。

  根据GlobalIndustry Analysts研究数据,2023年我国工业领域空气压缩机市场规模达68.00亿美元,预计到2030年将达108.00亿美元,2023-2030年间复合年均增长率为6.80%。

  压缩空气节能方案解析

  在工业中,压缩空气通常与电力、天然气和水被称为四大公用事业,也是三次能源,以电产气为主,在发达国家或地区,其耗电量占工业用电量8~13%。2021年度全国工业用电量5.5亿亿千瓦时。压缩空气用电量按10%计算为5509亿千瓦时,相当于6座三峡电站年设计发电量(882亿千瓦时/年)。压缩空气的节能和储能将是对双碳经济发展的最大贡献。

  1.压缩空气应用分类

  从用途的角度来看,压缩气体可以分为:

  1)动力服务应用:动力服务包括那些使用空气或其它气体产生运动或施加力,或两者兼有的应用。例如线性致动器、气动工具、夹紧装置、气动升降机和气动输送机。

  2)过程服务应用:过程服务被定义为空气或其它气体进入过程本身的任何应用。例如燃烧、液化和将气体混合物分离成组分、油的氢化、制冷、支持生物过程的通风以及食物脱水。

  3)控制服务应用:控制应用是指空气或其它气体触发、启动、停止、调节或以其他方式控制机器或过程的应用。控制应用出现在整个电力和过程使用中。一些稳定流程工厂实际上是完全自动化的。

  2.压缩空气节能方案

  1)更换节能设备:通过改造或购买方式,把高耗能空压系统设备换成低能耗的。

  2)热能回收:将空压机排空的热量回收,减少其它用途耗热。如热能回收,压缩热再生吸干机。

  3)节能效益分享:由节能服务公司投资建设,双方按合同约定比例分享节能效益。

  4)售气模式:能源公司将生产出来的压缩空气以一定价格销售给业主方,销售给业主方的气体价格低于业主方自主运行的价格。

  5)建立能效压缩空气站:空压系统供应商按客户用气要求,提供最佳综合输功效率空压站的解决方案。

  3.压缩空气节能控制环节

  1)生产环节:针对压缩机,后处理设备(储气罐冷干机、吸干机、过滤器等)进行能耗的优化处理控制,从生产环节控制压缩空气系统的节能,包括提高空压机自身效率、运用变频调速技术、空压机控制技术、余热回收技术、分压力供气和压力流量控制技术等。

  2)输送环节:压缩空气通过管网输送至各用气点,其输送和使用过程在系统中都存在输送过程压降大和压缩空气泄漏等问题。通过优化管网配置降低管网压降和减少压缩空气泄漏。

  3)应用环节:管理好企业终端用气设备(如气缸、电磁、喷嘴等),每个企业都应从自身的实际情况出发做具体分析,盲目照搬照用非但不能降低系统能耗,还会造成压缩空气节流,增加企业运行成本。因此,实地考察、深入了解系统压缩空气使用与机组运行情况,合理正确应用节能技术显得非常重要。

  4.品质与节能的鸿沟

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  压缩空气追求品质和节能是整个系统共同完成的,没有设备和系统的品质保证,再牛的物联技术也是巧妇难为无米之炊。

  5.物联技术助力压缩空气节能

  1)生产端数字化、网络化

  压缩空气设备助力工业发展,反过来,工业技术进步推动压缩空气设备生产,从工业1.0到2.0、3.0、4.0都存在当今压缩空气设备生产过程。先进的生产力是设备保障的源头,是压缩空气随心所欲的基础,是节能降耗的根本。谁领先一步,就能步步领先。

  2)使用端节能解决方案

  通过物联智能控制及云端计算力,让压缩空气从使用开始就能自动工作:大数据采集、上传分析、节能计算、节能控制、设备维护管理。让系统安全、高效地运行。

  6.解决方案差异

  1)数据采集与算法需专业

  压缩空气系统物联技术不是人人都懂得其底层逻辑,差异在于算法,而不是算力。

  2)生产端-数字化工厂

  离开了精益生产和质量管理体系,压缩空气使用就会漏洞百出,想赚钱很难,更不要想节能。

  3)服务端-共享服务平台

  万物皆可物联,压缩空气的维护保养无需等待,今后会像滴滴一样方便

  4)虚拟电厂

  压缩空气是第三能源,主要通过电力驱动。削峰填谷,是当今电力能源最大应用的方向。目前已经在一些大厂使用,可以很好平衡能源有效利用。

  5)压缩空气储能(CAES)

  压缩空气储能(CAES)作为物理储能技术,具有单机功率大(300MW级)、寿命长(30-50年)、单位成本低(0.5-0.8元/Wh)等核心优势,在新型储能技术对比中,其能量转化率(60-70%)虽低于电化学储能,但显著优于抽水蓄能(50-60%),且不受地理条件限制。2025年全球CAES装机规模预计突破10GW,中国占比超40%,成为继抽水蓄能后的第二大长时储能技术。

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  6)十万亿新风口,提前布局氢能压缩机

  氢能源是公认的清洁能源,能量密度高,氢气热值大约是石油的3倍,零污染,产物只有水,水可以再次分解氢,实现良性循环。储量丰富,在海水中就可以开发,取之不尽,用之不竭。

  无论是上游的氢能制备,中游氢能储存运输,下游氢燃料电池及氢能源燃料电池的应用都离不开压缩气体设备及系统。

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  当前,新一轮国际产业分工加剧,更多的从质量、服务、技术、品牌、标准入手,培育国际竞争力,这才是未来中国空压系统设备智造的新机遇和发展方向。


标签: 变迁能源  

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