郭劍鋒，張瀚

(江蘇射陽港發(fā)電有限責任公司，江蘇 射陽 224345)

1 系統(tǒng)設(shè)備及運行情況介紹

某公司有兩臺汽輪發(fā)電機組，配套的壓縮空系統(tǒng)采用集中式空壓機站，空壓機站中原裝有6臺空壓機，空壓機額定流量為66 m3/min，壓力為0.8 MPa，壓縮空氣出口管路采用母管制，設(shè)有2套儀用組合干燥塔和3套灰用組合干燥塔，壓縮空氣經(jīng)干燥處理后，分別提供給兩臺機組熱控、除灰、脫硫和脫硝等用戶使用。正常運行時空壓機采用4開、1檢修和1備用的模式，壓縮空氣系統(tǒng)運行時管網(wǎng)壓力在0.6 MPa以上。

在機組煙氣系統(tǒng)超低排放改造及其它技改工作時，空壓機站與用氣設(shè)備都發(fā)生了較大的變更。空壓機站增加1臺流量為70 m3/min和壓力為0.8 MPa的空壓機及2套組合式干燥裝置。壓縮空氣系統(tǒng)中新增5#和6#爐電袋除塵脈沖振打、空預器聲波吹灰器、尾部煙道聲波吹灰器等用戶，其中空預器和尾部煙道中有功率可調(diào)頻聲波吹灰器用氣量較大，單只用氣量耗氣量為20 m3/min，一共裝備20臺。

從近兩年的運行數(shù)據(jù)來看，壓縮空氣系統(tǒng)用氣量起伏較大，管網(wǎng)壓力有明顯的波動。有時5臺空壓機運行都無法維持管網(wǎng)正常壓力，需要開6臺空壓機才能滿足壓力要求。但有時4臺空壓機也能長時間的維持正常壓力運行。上述情況表明系統(tǒng)用氣量波動較大，導致壓縮空氣系統(tǒng)壓力變化。一方面壓縮空氣壓力降低對安全生產(chǎn)不利，另外一方面增加空壓機運行對經(jīng)濟運行也造成影響。為挖掘壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力，消除引起壓縮空氣用量大幅度變化的原因，穩(wěn)定壓縮空氣系統(tǒng)壓力，實現(xiàn)4臺空壓機能維持系統(tǒng)壓力正常運行，提升壓縮空氣使用效能，本文做了詳細的調(diào)查分析，并對部分系統(tǒng)進行了改進優(yōu)化。

2 各類設(shè)備用氣特性及對運行的影響

2.1 用戶對氣源壓力的要求不同

1)需要連續(xù)供氣，對供氣連續(xù)性和氣源壓力要求高的用戶，其特點是正常用氣量不大，但需要連續(xù)供給，壓力必須維持在0.55 MPa以上。氣源中斷后對機組安全運行有重大影響，此外在機組發(fā)生突發(fā)性事件時，用氣量也會大幅度增加。

2)需要連續(xù)供氣，對供氣連續(xù)性要求比較高，但對壓力要求相對低的用戶，其特點是用氣量不大，壓力要求在0.2 MPa以下，但需要持續(xù)供給，壓力低了對冷卻效果有一定影響，中斷后可能造成設(shè)備損壞。大量同類用戶疊加后，冷卻用氣量總量仍然比較可觀。

3)可以短時間中斷用氣，但對壓力要求較高的用戶，其特點是用氣量大，用氣量呈脈沖式波動，在機組運行中用氣點較多，多個用氣點疊加使用氣量曲線趨于平直。這些用戶對氣壓要求略低，但不能低于0.45 MPa，可以短時間停用，對安全運行造成明顯的影響，

4)可以短期中斷用氣，對壓力要求較低的用戶，其特點是用氣量較大，氣體壓力要求在0.3 MPa左右即可。

2.2 不同設(shè)備用氣對壓縮空氣系統(tǒng)效能的影響

1)現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)置條件下，該公司壓縮空氣站只有一個，初設(shè)時未對壓縮空氣系統(tǒng)按照壓力等級進行分開設(shè)置。壓縮空氣由空壓機站通過管道長距離輸送到各個用戶處，最遠距離超過400 m。為了考慮第一類用戶的需求，壓縮空氣系統(tǒng)壓力需要一直維持在0.6 MPa以上運行。對于壓力要求低的用戶來說，為滿足他們對壓縮空氣壓力的需求，必須將高壓的壓縮空氣經(jīng)過節(jié)流降壓后，提供給設(shè)備使用，導致壓縮空氣系統(tǒng)效率極為低下。

節(jié)流降壓對壓縮空氣能量損失較大，根據(jù)ISO1217—2009《容積式壓縮機驗收試驗》中的比能量指標估算，螺桿空壓機壓力為0.8 MPa時，輸出流量在12～120 m3/min范圍內(nèi)，壓縮空氣比能量為0.092 kW·h/m3，壓縮機全效率為57.2%。如壓縮空氣壓力從0.8 MPa降壓到0.4 MPa，其壓力損失比為50%，功率損失比為25%左右，如此將導致壓縮機全效率降低25%，實際都是損失的電能。

2)管路布置對壓縮空氣的影響。壓縮空氣系統(tǒng)中的用戶，采取就近原則，按照壓縮空氣主管路的布置情況，從主管道引到設(shè)備處，接入點布置隨意性較大，距離遠、管路復雜現(xiàn)象較普遍。

其中長距離輸送對壓縮空氣效率的影響較大：在壓力為0.8 MPa的系統(tǒng)，壓縮空氣流經(jīng)管道直徑為20 mm，長度為100 m的光滑管道，流量為1 m3/min，其壓力損失為0.05 MPa，壓力損失6.25%，氣動功率損失約為3.3%。

3)壓縮空氣泄漏問題在壓縮空氣系統(tǒng)較為普遍。一方面設(shè)備用戶數(shù)量龐大，各類接頭和管路繁多，導致壓縮空氣系統(tǒng)存在泄漏點也較多，這類問題不在本文討論范疇。另一方面有部分設(shè)備是利用壓縮空氣進行冷卻，壓縮空氣系統(tǒng)的排污等情況造成的結(jié)果與系統(tǒng)泄漏情況類似，我們暫且稱之為類泄漏狀態(tài)。

有資料顯示，當壓縮空氣漏點直徑為1 mm，壓縮系統(tǒng)工作壓力0.7 MPa，其泄漏量為75 L/min，造成的氣動功率損失為246 W，該部分壓縮空氣系統(tǒng)的氣源效率為50%，按照全年運行5 000 h計算，浪費電能約為2 500 kW·h。

因此，要高度重視系統(tǒng)的類泄漏情況，通過優(yōu)化設(shè)備選型，減少這些外排點，減少能源消耗。

3 改進原則

可以通過對壓縮空氣系統(tǒng)進行優(yōu)化，從氣源、用戶需求、管路布置和消除類泄漏等方面著手，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

1)選擇合適的氣源，合理配套系統(tǒng)設(shè)備，做好與用戶要求適應的分配方案。

不同類型的空壓機工作效率差異較大，選擇設(shè)備時應當選擇節(jié)能型產(chǎn)品。就效率而言，往復活塞式空壓機效率通常在50%左右，離心式空壓機效率在60%左右，二螺桿式空壓機效率則可以達到70%～80%。雙級壓縮螺桿空壓機比單級螺桿空壓機效率高13%～15%[1]。另外，在通常情況下來說，有冷卻機組比無冷卻機組效率好，大排量機組效率比小排量機組效率好。具體在配置時要充分比對設(shè)備需求、設(shè)備特性進行選擇。

2)考慮壓縮空氣系統(tǒng)實現(xiàn)按質(zhì)、按需使用壓縮空氣，差異化進行氣源配置。根據(jù)不同用戶的壓力等級要求，提供不同壓力的氣源供給，將壓縮空氣網(wǎng)適當改造，形成壓力不同的供氣網(wǎng)絡(luò)，減少不必要的節(jié)流損失。

3)要合理規(guī)劃氣源與用戶間的距離，大流量用戶要靠近氣源布置或者適當增加供氣管路管徑，并減少管道復雜性；氣源布置要考慮分散布置的思路，可將部分集中的空壓機變?yōu)榭拷脷恻c的分布式布置，以減少輸送距離，減少沿程阻力損失導致的能量損失。根據(jù)一些試驗結(jié)論，氣源分布式布置系統(tǒng)可以減少20%左右的能量損失。

4)如有可能，考慮在空壓機前安裝減溫裝置。資料表明，如壓縮機進氣溫度下降3 ℃，壓縮機壓縮功率會減少1%。

5)消除壓縮空氣系統(tǒng)的類泄漏狀態(tài)，是氣動系統(tǒng)節(jié)能的另一個重要措施。

4 針對不同設(shè)備系統(tǒng)采取的具體措施

1)對機組安全運行有重大影響用戶應可靠保障氣源供給。此部分設(shè)備管路仍然使用原有的系統(tǒng)，不進行改動。

2)氣力除灰系統(tǒng)用氣量大，是壓縮空氣耗氣大戶，輸灰系統(tǒng)運行的好壞直接影響壓縮空氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。目前，該公司省煤器灰斗的灰和電除塵一電場的灰是用同一根管道混合輸送。由于省煤器灰斗粉煤灰顆粒大和孔隙率高，在氣力輸灰過程中難以形成活塞狀運動的氣灰混合物，大量空氣穿透柱狀活塞，不能有效推動灰柱向前運動，導致輸灰困難。輸送同等質(zhì)量的灰，必須提高氣灰比才能保證正常輸灰，導致壓縮空氣用量增加，輸灰耗氣量嚴重偏離設(shè)計值，系統(tǒng)能耗高。同時粉體輸送由原有濃相輸送變?yōu)橄∠噍斔秃?，流速加快，管路磨損大，泄漏增加，進一步影響空壓機系統(tǒng)的整體氣量的平衡。

根據(jù)同類型大型火電機組經(jīng)驗，考慮將省煤器灰斗粉煤灰送至電除塵入口[2]，經(jīng)與電除塵灰斗中灰混合后，降低灰中大顆粒物比例，再通過氣力輸灰管路輸送，可以改善氣與灰的混合條件，實現(xiàn)提高輸灰量，減少壓縮空氣用量。該方案在1 000 MW機組上進行試驗獲得成功。

省煤器灰斗粉煤灰與一電場粉煤灰充分混合后，省煤器輸灰灰氣比由原來的20升到32左右，理論輸灰耗氣量減少一半，節(jié)能效果顯著。同時可以結(jié)合除灰系統(tǒng)的工作方式，對除灰系統(tǒng)的輸灰控制邏輯進行優(yōu)化，調(diào)整進灰時間和輸灰時間等，進一步提高輸灰系統(tǒng)效率，減少壓縮空氣消耗量。

3)對于消除和減少設(shè)備的類泄漏狀態(tài)有很大潛力。在生產(chǎn)過程中，因各種工藝原因?qū)е聣嚎s空氣外排現(xiàn)象非常普遍，因此加強對此類設(shè)備的分析，對于減少壓縮空氣類泄漏狀態(tài)具有很典型的意義。

4)減少冷卻密封性壓縮空氣使用。聲波吹灰器是間歇性工作設(shè)備，為避免爐膛壓力波動時，高溫煙氣和灰回流到吹灰器中時會損壞設(shè)備，因此在不工作時，需要對聲波吹灰器工作部件進行冷卻與密封。冷卻用壓縮空氣經(jīng)一小調(diào)整閥、管路連至工作腔室，連續(xù)對工作部件供氣冷卻。吹灰器對冷卻氣源壓力等級及品質(zhì)要求不高，在設(shè)計和施工時因為施工便利，直接采用壓縮空氣作為冷卻氣源。吹灰器投運后，每臺吹灰器冷卻用氣連續(xù)耗氣量在1 m3/min左右，現(xiàn)場20臺吹灰器用氣量為20 m3/min。

每立方米成品壓縮空氣需要的功率為：

式中，U為空壓機電機額定電壓，I為電機運行電流，Q為空壓機額定吸氣量，φ為電機功率因數(shù)，η為空壓機產(chǎn)氣后干燥后成品氣的折算率。

上式中，U取額定電壓，6 kV；I取平均運行電流，40 A；Q由銘牌參數(shù)來，取值為66 m3/min；φ由銘牌參數(shù)來，取值為0.85；根據(jù)工程實踐，壓縮空氣干燥制成成品氣約有8%的損耗，故η值取值為0.92。

將數(shù)據(jù)代入上式中得，P單位成品氣輸出=5.8 kW。

全部壓縮空氣消耗功率為20×5.81 kW=116.2 kW。

如采用同樣壓力的高壓風機作為氣源，單臺冷卻風源可選用流量為1.3 m3/min、風壓為10 kPa、功率為0.4 kW的風機即可滿足需要，提供20臺吹灰器冷卻用風機功率僅為8 kW，可以減少空壓機站功率108 kW。按照每臺機組年運行4 500 h計算，年可節(jié)約電量48.6萬kW·h。聲波吹灰器系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 聲波吹灰器系統(tǒng)簡圖

減少壓縮空氣系統(tǒng)再生用壓縮空氣使用?？諌赫緣嚎s空氣除濕采用的是組合式干燥器，其核心部件微熱再生干燥塔為吸附再生式，吸附與再生交替進行，進行再生時需要用成品壓縮氣對干燥劑連續(xù)再生，以恢復干燥劑吸附性能，再生氣用量占處理氣量的5%～10%左右，核算時取中間值7.5%，按照目前正常運行4～5臺空壓機計算，再生氣量約為22 m3/min，對應設(shè)備功率約為128 kW。

根據(jù)干燥塔的阻力特性，可選用參數(shù)為流量7 m3/min，風壓為22 kPa，功率為7 kW的高壓風機可滿足再生需要，7套系統(tǒng)風機功率為49 kW，可以減少空壓機站79 kW的功率輸出。按照每臺再生系統(tǒng)年運行5 000 h計算，年平均節(jié)約電量可達39.5萬kW·h。

5)減少壓縮空氣系統(tǒng)排污附帶的壓縮空氣損失。由于空氣中有濕度，水蒸氣經(jīng)空壓機站壓縮后會凝結(jié)成水，影響壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備的安全運行，所以系統(tǒng)需要定期進行排污?，F(xiàn)場采用電子排水器進行排污，為保證壓縮空氣品質(zhì)，排污間隔及排污時長選取值都需按照最有利于提高壓縮空氣品質(zhì)進行設(shè)定：排污間隔時間設(shè)為最短、排污時長設(shè)為最長。雖能保證排污充分，但也造成成品氣大量排放。根據(jù)排污口徑和壓力進行測算，每次氣體排放量在3～8 m3/min左右，空壓機站功率損失為18～48 kW。

為改善這個情況，可以考慮使用技術(shù)成熟的零耗氣電子排污閥產(chǎn)品，能實現(xiàn)根據(jù)排污閥體儲液位控制排污，而不排出氣體，實現(xiàn)零耗氣排污。該公司目前一共有37臺電子排水器，按照時間參數(shù)設(shè)定，每天排污288次，若全部更換為零耗氣電子排污閥，每天可減少用電量約400～1 000 kW·h，全年可節(jié)約用電14萬kW·h～37萬kW·h。

6)根據(jù)設(shè)備工作壓力需要，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，提供較低壓力等級的氣源，降低系統(tǒng)能耗。

空壓機的能耗與出口壓力呈正比例關(guān)系，壓縮空氣壓力每升高0.1MPa，空壓機電耗增加8%～10%[3]，現(xiàn)場空壓機運行壓力在0.6～0.8 MPa之間。而壓縮空氣系統(tǒng)有大量工作壓力僅0.3 MPa左右的用戶，對壓縮空氣節(jié)流后使用，系統(tǒng)能效降低。

根據(jù)規(guī)范，當不同壓力等級的用氣需求均超過總用氣的30%時，且單一功耗在75 kW以上時，宜考慮對每一壓力等級用戶建立獨立的空壓機站。結(jié)合設(shè)備現(xiàn)狀，考慮對少量管道改造后，可實現(xiàn)按空壓機母管、儲氣罐及管道系統(tǒng)分兩個管網(wǎng)區(qū)運行。氣力除灰輸送管道阻力壓力為0.2～0.3 MPa、電袋除塵器脈沖振打壓力為0.3～0.4 MPa、低壓聲波吹灰器壓力為0.2～0.3 MPa，將氣力除灰和電袋除塵器等設(shè)備歸為低壓管網(wǎng)，系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.5 MPa可以滿足低壓用戶需求。高壓力需求設(shè)備維持原方式運行。

實現(xiàn)分網(wǎng)運行后，低壓壓縮空氣系統(tǒng)單位能耗較原有系統(tǒng)節(jié)能8%以上。壓縮空氣系統(tǒng)按照全年運行考慮，單臺空壓機年節(jié)約用電約22萬kW·h以上，節(jié)電效果顯著。

5 結(jié)語

工業(yè)企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)一般都比較龐大，由于壓縮空氣無色無味特點，發(fā)生少量泄漏時難以覺察；同時由于壓縮空氣系統(tǒng)計量裝置不太完善，無法直觀檢測到流量；另外由于空壓機效率測試相對復雜，現(xiàn)場不易開展等諸多原因，在壓縮空氣系統(tǒng)使用中，系統(tǒng)效率低下的情況往往不易被發(fā)現(xiàn)，因此更需要細致做好壓縮空氣系統(tǒng)的規(guī)劃和改造工作，從源頭到用戶全流程對壓縮空氣使用情況進行分析，排查各用氣環(huán)節(jié)，才能為運行中提高壓縮空氣系統(tǒng)運行效率打好基礎(chǔ)，降低壓縮空氣運行使用成本。