【壓縮機網】引言
本文以火電廠的大型空壓機站為例，通過對產氣量>300m3/min的大型空壓機站的節能設計方式進行探討，提出了采用高低壓分開的空壓機系統，低壓系統選擇比功率較低的低壓離心式空壓機系統等節能設計方法，并介紹了工程實施案例，節能優化效果顯著。
1、空壓機系統節能設計方法探討
1.1空壓機系統節能設計的主要方法
空壓機系統可通過優化系統選擇，對空壓機和后處理設備進行合理選型來達到節能設計的目的。
在系統選擇上突破“同型式、同容量的空氣壓縮機”的限制，按壓力的不同需求分別選擇高、低壓壓縮空氣分流的系統；重視空壓機設備能效水平，根據比功率參數選擇節能型空壓機；根據不同壓力露點選擇合適的后處理設備，減小后處理設備的壓縮空氣損耗量。
1.1.1選擇高、低壓壓縮空氣分流系統
根據工程不同用氣壓力要求，分別設置常規的高壓空壓機系統和低壓空壓機系統，系統分開，分別備用。
根據多個工程資料收集，濃相氣力除灰系統和石灰石氣力輸送系統的輸送壓損一般在0.2～0.3MPa，個別電廠接近0.4MPa(見圖1)，故對于這兩種用氣可以采用排氣壓力為0.3～0.55MPa的低壓空壓機。
離心式空壓機在額定負荷穩定不變運行時，能效一般優于螺桿機，而螺桿機在變負荷工況下的性能明顯優于離心機（如調節范圍和方式、啟停響應時間、靈活性和節能性等），在大氣量系統選擇時應注意到系統氣量隨負荷變化的特點，選擇離心式空壓機為主力機穩定運行，螺桿空壓機調節運行。一般來說，對于排氣壓力為0.7MPa的空壓機，排氣壓力每降低0.1MPa，能耗可以降低7%左右。故采用低壓空壓機系統可以有效降低系統能耗。根據工程經驗，對于低壓耗氣量超過300m3/min的大型空壓機站系統，推薦采用高低壓系統分開設計，儀用氣系統推薦采用高壓螺桿系統，輸送用氣系統推薦采用低壓離心＋低壓螺桿方案。
1.1.2對空壓機進行合理選型
根據工程用氣條件及系統選擇要求，選擇合適的空壓機，不僅要求對儀用高壓螺桿式空壓機選用較高能效的產品，并且低壓空壓機的主力運行機選擇低壓離心式空壓機，運行能耗更低。
國家非常重視設備的節能，從行業規范和政策上對節能設備進行引導和扶持。而能源效率等級是判斷產品是否節能的最重要指標。
目前，容積式空壓機能效等級共分為3級，其中1級能效最高。對于噴油螺桿式空壓機，單從設備的電耗來說，每一級能效值相差10％以上。這也意味著電能消耗相差10%以上，1臺40m3/min，排氣壓力0.7MPa的空壓機，運行電耗大約是250kW。如果按年運行5500h，電價按0.4元/度計算，每年節約10％的電耗大約節省5.5萬元，相當于5年內節約的電費可以再買一臺相同的設備，所以節能效果相當可觀。理論上能效等級越高越好，但是目前能達到1級能效的大功率空壓機并不是特別多，為了便于設備招標，可以要求設備能效等級達到1級或2級，杜絕使用不節能設備。
對于低壓空壓機，目前常用的有離心式空壓機、噴油螺桿式空壓機和無油螺桿式空壓機。需要注意的是，螺桿式空壓機一般是定型產品，低壓噴油螺桿機存在跑油之虞。
另外也需要重視低壓空壓機的能效水平，由于目前低壓空壓機還沒有能效等級的規范，但仍應根據其比功率水平進行選取。目前市場上排氣壓力為0.3～0.5MPa的低壓噴油螺桿空壓機比功率可以達到4.1～4.8kW/（m3/min）。而低壓離心式空壓機一般是根據工況點設計，并且是全無油的機型，沒有低壓噴油機遇到的問題，一般能夠保證較好的運行效率和較高的可靠性，適合大容量穩定運行的場合。
1.1.3對后處理設備進行合理選型
根據壓力露點要求選用零氣耗壓縮熱和外加熱后處理設備，減小空壓機選型容量。由于低壓空氣體積增大，流速增加，其后處理設備選型需要加大，再生耗氣量也會增大，但是選用零氣耗后處理設備后，則減少了再生耗氣量的損耗，節約了用氣，反應到空壓機上就是可以降低空壓機的容積流量，則相應的空壓機運行能耗降低。
1.2其他節能方式
1.2.1空壓機站的余熱回收空壓機在壓縮過程中產生大量的熱能，但是由于這些熱能回收溫度不高，在電廠中能利用的地方不多，主要方向是生活熱水利用、寒冷地區冬季取暖，后處理設備還可以利用了離心式空壓機的壓縮熱等。
1.2.2空壓機系統及管網的精確計算
通過對系統管網及布置的優化設計，降低系統的壓降，從而在選擇空壓機時選擇合適的壓力。
1.2.3空壓機站宜采用集散控制系統(distributed control system,DCS)或群控的節能控制方式
空壓機系統主要管道宜裝設露點儀及流量計，用于實時監控系統的運行狀態并及時進行調控。控制系統除了具備基本的邏輯控制外，還應具備數據的紀錄、儲存以及分析的功能，通過對長期運行數據的分析以及通過優化的算法，達到最優控制的目的。
1.2.4針對系統的波動選擇大容量儲氣罐系統
一般來說，火電廠的用氣比如除灰輸送用氣是波動的，可能造成空壓機系統空壓機頻繁啟停。有效的氣量消峰可以避免備用機的啟停次數。
1.3火電廠空壓機站節能的判定標準
衡量一個電廠空壓機站是否節能，主要是看單位氣量下的動力消耗指標(或單位動力下的產氣指標)。前面設備部分已提到設備能效等級的概念，但個別設備的節能僅僅指設備本身，對于空壓機系統，影響節能的因素很多。所以對于火力發電廠的空壓機系統，特別是大容量空壓機系統，采用統一的系統能效指標來衡量系統的節能是非常有必要的。
系統能效作為有一定超前性的指標，能夠比較直觀地衡量系統的節能性。其與設備初投資和全壽命期優等標準所側重的方面不同，因為設備價格、檢修維護價格等是動態的，隨技術進步長期來說是不斷降低的，而能源價格長期是不斷上漲的，故能效指標在全壽命期優的各種指標中更具有前瞻性，其重要性是不斷增加的。設備初始投資在空壓機系統中僅占全壽命期投資的8％左右，而電費所占的比重在78％左右，即系統能效的高低基本反應了全壽命期經濟性的情況。
目前，空壓機行業的空壓機站能效標準正在制訂之中，推薦按綜合輸功效率標準來判斷空壓機站的節能水平，但其中熱能回收占很大比例，不能較好地反映當前火電廠空壓機站的實際情況。故在現階段我們暫不采用綜合輸功效率，系統能效仍然參照空壓機設備的能效表示方法，即采用系統比功率：產出的有效氣量和輸入功率的比。
2、空壓機系統優化設計實例
以某電廠為例，通過大容量壓縮空氣系統優化的典型案例比較，說明經過優化后的節能效果。
該電廠為2×600MW循環流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler,CFB)機組，四爐兩機，全廠采用集中空壓機站。
1)主要氣象資料
當地1996年～2007年主要氣象資料平均值見表1。
2)工程用氣量資料
經過除灰、熱控、熱機等專業統計，全廠需要的壓縮空氣用量見表2。
3)原設計方案
全廠耗氣量合計為580Nm3/min，考慮到后處理選用組合式干燥機，在壓力露點為-20℃時再生耗氣量為4%，用氣點壓縮余量修正后的標準容積流量Qe為：Qe=580×(1+4%)=603.2Nm3/min根據全廠耗氣量合計，計算空壓機自由出風量【Free Air Delivery，FAD，指經過壓縮機壓縮后的空氣體積以入氣口的自由空氣狀況(溫度、壓力、濕度等)來表示】：
Qfad＝(PN/P)×[(273＋t)/(273＋tN)]×Qe
式中：
Qfad為空壓機FAD流量(m3/min)；
PN為標準大氣壓，絕對壓力(MPa)，取0.1013；
P為空壓機工作環境壓力，絕對壓力(MPa)，忽略空氣中水蒸氣分壓，近似取當地大氣壓0.1013；
t為空壓機工作環境溫度(℃)，取40.7；tN為標準狀態溫度(℃)，取0；
Qe為用氣點壓縮余量修正后的標準容積流量(Nm3/min)，計算得603.2。
將數值代入，計算得Qfad＝693m3/min。
原設計方案按全廠集中方案擬定，采用同容量，同型號空壓機。設備配置見表3。
4)優化設計方案
優化設計方案采用高低壓分開方案，高壓空壓機部分采用噴油螺桿式空壓機，低壓空壓機部分推薦采用低壓離心式空壓機＋低壓螺桿式空壓機組合的方案。通過計算，低壓空壓機出口壓力選用0.55MPa；后處理設備選用零氣耗鼓風外加熱干燥機和零氣耗壓縮外加熱干燥機；經過流量修正計算，空壓機的FAD選型流量降低。
根據公式(1)高壓部分FAD流量計算結果為：75m3/min。
低壓部分FAD流量計算結果為：595m3/min。優化后的方案配置見表4。
5)初投資和運行費比較見表5
6)小結
本案例中，優化后的系統綜合比功率降低了1.73kW/(m3/min)，年運行電費節約270萬元（約占原設計方案年運行電費的28％），優化成果顯著，詳見圖3。
雖然初投資有所增加，但優化設計方案的全壽命期總價仍比原設計方案節約25%左右。
3、結論
本文的案例表明，優化后的系統節能效果顯著。對于大容量空壓機站的節能設計可采用如下方法：
1)當火電廠低壓耗氣量超過300Nm3/min時，空壓機站系統推薦按高、低壓壓縮空氣系統分流設計，儀用氣系統采用高壓螺桿機，輸送用氣系統采用低壓離心＋低壓螺桿機供氣的方案。
2)空壓機設備合理選型，選擇能效等級高、比功率較低的空壓機產品。
3)后處理設備優化配置，根據壓力露點需求選用零氣耗或低氣耗的后處理設備。
4)除了單個設備選擇節能產品，同時要滿足系統能效高的要求。
5)宜對系統及管網進行精確計算，滿足系統在穩定負荷以及負荷波動情況下的最優控制要求。
6)有條件的可對空壓機站的余熱回收利用。
參考文獻
[1]國家能源局．DL/T5142-2012火力發電廠除灰設計技術規程
[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50029－2014壓縮空氣站設計規范
[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．GB19153-2009容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級
[4]壓縮空氣站設計手冊編寫組．壓縮空氣站設計手冊
[5]孫飛，劉燁，魏高升等．火電廠螺桿式空壓機余熱利用方案及經濟性分析
[6]中國電力工程顧問集團有限公司．電力工程設計手冊(火力發電廠除灰設計)
來源：本站原創
【壓縮機網】引言
本文以火電廠的大型空壓機站為例，通過對產氣量>300m3/min的大型空壓機站的節能設計方式進行探討，提出了采用高低壓分開的空壓機系統，低壓系統選擇比功率較低的低壓離心式空壓機系統等節能設計方法，并介紹了工程實施案例，節能優化效果顯著。
1、空壓機系統節能設計方法探討
1.1空壓機系統節能設計的主要方法
空壓機系統可通過優化系統選擇，對空壓機和后處理設備進行合理選型來達到節能設計的目的。
在系統選擇上突破“同型式、同容量的空氣壓縮機”的限制，按壓力的不同需求分別選擇高、低壓壓縮空氣分流的系統；重視空壓機設備能效水平，根據比功率參數選擇節能型空壓機；根據不同壓力露點選擇合適的后處理設備，減小后處理設備的壓縮空氣損耗量。
1.1.1選擇高、低壓壓縮空氣分流系統
根據工程不同用氣壓力要求，分別設置常規的高壓空壓機系統和低壓空壓機系統，系統分開，分別備用。
根據多個工程資料收集，濃相氣力除灰系統和石灰石氣力輸送系統的輸送壓損一般在0.2～0.3MPa，個別電廠接近0.4MPa(見圖1)，故對于這兩種用氣可以采用排氣壓力為0.3～0.55MPa的低壓空壓機。
離心式空壓機在額定負荷穩定不變運行時，能效一般優于螺桿機，而螺桿機在變負荷工況下的性能明顯優于離心機（如調節范圍和方式、啟停響應時間、靈活性和節能性等），在大氣量系統選擇時應注意到系統氣量隨負荷變化的特點，選擇離心式空壓機為主力機穩定運行，螺桿空壓機調節運行。一般來說，對于排氣壓力為0.7MPa的空壓機，排氣壓力每降低0.1MPa，能耗可以降低7%左右。故采用低壓空壓機系統可以有效降低系統能耗。根據工程經驗，對于低壓耗氣量超過300m3/min的大型空壓機站系統，推薦采用高低壓系統分開設計，儀用氣系統推薦采用高壓螺桿系統，輸送用氣系統推薦采用低壓離心＋低壓螺桿方案。
1.1.2對空壓機進行合理選型
根據工程用氣條件及系統選擇要求，選擇合適的空壓機，不僅要求對儀用高壓螺桿式空壓機選用較高能效的產品，并且低壓空壓機的主力運行機選擇低壓離心式空壓機，運行能耗更低。
國家非常重視設備的節能，從行業規范和政策上對節能設備進行引導和扶持。而能源效率等級是判斷產品是否節能的最重要指標。
目前，容積式空壓機能效等級共分為3級，其中1級能效最高。對于噴油螺桿式空壓機，單從設備的電耗來說，每一級能效值相差10％以上。這也意味著電能消耗相差10%以上，1臺40m3/min，排氣壓力0.7MPa的空壓機，運行電耗大約是250kW。如果按年運行5500h，電價按0.4元/度計算，每年節約10％的電耗大約節省5.5萬元，相當于5年內節約的電費可以再買一臺相同的設備，所以節能效果相當可觀。理論上能效等級越高越好，但是目前能達到1級能效的大功率空壓機并不是特別多，為了便于設備招標，可以要求設備能效等級達到1級或2級，杜絕使用不節能設備。
對于低壓空壓機，目前常用的有離心式空壓機、噴油螺桿式空壓機和無油螺桿式空壓機。需要注意的是，螺桿式空壓機一般是定型產品，低壓噴油螺桿機存在跑油之虞。
另外也需要重視低壓空壓機的能效水平，由于目前低壓空壓機還沒有能效等級的規范，但仍應根據其比功率水平進行選取。目前市場上排氣壓力為0.3～0.5MPa的低壓噴油螺桿空壓機比功率可以達到4.1～4.8kW/（m3/min）。而低壓離心式空壓機一般是根據工況點設計，并且是全無油的機型，沒有低壓噴油機遇到的問題，一般能夠保證較好的運行效率和較高的可靠性，適合大容量穩定運行的場合。
1.1.3對后處理設備進行合理選型
根據壓力露點要求選用零氣耗壓縮熱和外加熱后處理設備，減小空壓機選型容量。由于低壓空氣體積增大，流速增加，其后處理設備選型需要加大，再生耗氣量也會增大，但是選用零氣耗后處理設備后，則減少了再生耗氣量的損耗，節約了用氣，反應到空壓機上就是可以降低空壓機的容積流量，則相應的空壓機運行能耗降低。
1.2其他節能方式
1.2.1空壓機站的余熱回收空壓機在壓縮過程中產生大量的熱能，但是由于這些熱能回收溫度不高，在電廠中能利用的地方不多，主要方向是生活熱水利用、寒冷地區冬季取暖，后處理設備還可以利用了離心式空壓機的壓縮熱等。
1.2.2空壓機系統及管網的精確計算
通過對系統管網及布置的優化設計，降低系統的壓降，從而在選擇空壓機時選擇合適的壓力。
1.2.3空壓機站宜采用集散控制系統(distributed control system,DCS)或群控的節能控制方式
空壓機系統主要管道宜裝設露點儀及流量計，用于實時監控系統的運行狀態并及時進行調控。控制系統除了具備基本的邏輯控制外，還應具備數據的紀錄、儲存以及分析的功能，通過對長期運行數據的分析以及通過優化的算法，達到最優控制的目的。
1.2.4針對系統的波動選擇大容量儲氣罐系統
一般來說，火電廠的用氣比如除灰輸送用氣是波動的，可能造成空壓機系統空壓機頻繁啟停。有效的氣量消峰可以避免備用機的啟停次數。
1.3火電廠空壓機站節能的判定標準
衡量一個電廠空壓機站是否節能，主要是看單位氣量下的動力消耗指標(或單位動力下的產氣指標)。前面設備部分已提到設備能效等級的概念，但個別設備的節能僅僅指設備本身，對于空壓機系統，影響節能的因素很多。所以對于火力發電廠的空壓機系統，特別是大容量空壓機系統，采用統一的系統能效指標來衡量系統的節能是非常有必要的。
系統能效作為有一定超前性的指標，能夠比較直觀地衡量系統的節能性。其與設備初投資和全壽命期優等標準所側重的方面不同，因為設備價格、檢修維護價格等是動態的，隨技術進步長期來說是不斷降低的，而能源價格長期是不斷上漲的，故能效指標在全壽命期優的各種指標中更具有前瞻性，其重要性是不斷增加的。設備初始投資在空壓機系統中僅占全壽命期投資的8％左右，而電費所占的比重在78％左右，即系統能效的高低基本反應了全壽命期經濟性的情況。
目前，空壓機行業的空壓機站能效標準正在制訂之中，推薦按綜合輸功效率標準來判斷空壓機站的節能水平，但其中熱能回收占很大比例，不能較好地反映當前火電廠空壓機站的實際情況。故在現階段我們暫不采用綜合輸功效率，系統能效仍然參照空壓機設備的能效表示方法，即采用系統比功率：產出的有效氣量和輸入功率的比。
2、空壓機系統優化設計實例
以某電廠為例，通過大容量壓縮空氣系統優化的典型案例比較，說明經過優化后的節能效果。
該電廠為2×600MW循環流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler,CFB)機組，四爐兩機，全廠采用集中空壓機站。
1)主要氣象資料
當地1996年～2007年主要氣象資料平均值見表1。
2)工程用氣量資料
經過除灰、熱控、熱機等專業統計，全廠需要的壓縮空氣用量見表2。
3)原設計方案
全廠耗氣量合計為580Nm3/min，考慮到后處理選用組合式干燥機，在壓力露點為-20℃時再生耗氣量為4%，用氣點壓縮余量修正后的標準容積流量Qe為：Qe=580×(1+4%)=603.2Nm3/min根據全廠耗氣量合計，計算空壓機自由出風量【Free Air Delivery，FAD，指經過壓縮機壓縮后的空氣體積以入氣口的自由空氣狀況(溫度、壓力、濕度等)來表示】：
Qfad＝(PN/P)×[(273＋t)/(273＋tN)]×Qe
式中：
Qfad為空壓機FAD流量(m3/min)；
PN為標準大氣壓，絕對壓力(MPa)，取0.1013；
P為空壓機工作環境壓力，絕對壓力(MPa)，忽略空氣中水蒸氣分壓，近似取當地大氣壓0.1013；
t為空壓機工作環境溫度(℃)，取40.7；tN為標準狀態溫度(℃)，取0；
Qe為用氣點壓縮余量修正后的標準容積流量(Nm3/min)，計算得603.2。
將數值代入，計算得Qfad＝693m3/min。
原設計方案按全廠集中方案擬定，采用同容量，同型號空壓機。設備配置見表3。
4)優化設計方案
優化設計方案采用高低壓分開方案，高壓空壓機部分采用噴油螺桿式空壓機，低壓空壓機部分推薦采用低壓離心式空壓機＋低壓螺桿式空壓機組合的方案。通過計算，低壓空壓機出口壓力選用0.55MPa；后處理設備選用零氣耗鼓風外加熱干燥機和零氣耗壓縮外加熱干燥機；經過流量修正計算，空壓機的FAD選型流量降低。
根據公式(1)高壓部分FAD流量計算結果為：75m3/min。
低壓部分FAD流量計算結果為：595m3/min。優化后的方案配置見表4。
5)初投資和運行費比較見表5
6)小結
本案例中，優化后的系統綜合比功率降低了1.73kW/(m3/min)，年運行電費節約270萬元（約占原設計方案年運行電費的28％），優化成果顯著，詳見圖3。
雖然初投資有所增加，但優化設計方案的全壽命期總價仍比原設計方案節約25%左右。
3、結論
本文的案例表明，優化后的系統節能效果顯著。對于大容量空壓機站的節能設計可采用如下方法：
1)當火電廠低壓耗氣量超過300Nm3/min時，空壓機站系統推薦按高、低壓壓縮空氣系統分流設計，儀用氣系統采用高壓螺桿機，輸送用氣系統采用低壓離心＋低壓螺桿機供氣的方案。
2)空壓機設備合理選型，選擇能效等級高、比功率較低的空壓機產品。
3)后處理設備優化配置，根據壓力露點需求選用零氣耗或低氣耗的后處理設備。
4)除了單個設備選擇節能產品，同時要滿足系統能效高的要求。
5)宜對系統及管網進行精確計算，滿足系統在穩定負荷以及負荷波動情況下的最優控制要求。
6)有條件的可對空壓機站的余熱回收利用。
參考文獻
[1]國家能源局．DL/T5142-2012火力發電廠除灰設計技術規程
[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50029－2014壓縮空氣站設計規范
[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．GB19153-2009容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級
[4]壓縮空氣站設計手冊編寫組．壓縮空氣站設計手冊
[5]孫飛，劉燁，魏高升等．火電廠螺桿式空壓機余熱利用方案及經濟性分析
[6]中國電力工程顧問集團有限公司．電力工程設計手冊(火力發電廠除灰設計)
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