一、空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方法探討

1.1 空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的主要方法

空壓機(jī)系統(tǒng)可通過優(yōu)化系統(tǒng)選擇，對空壓機(jī)和后處理設(shè)備進(jìn)行合理選型來達(dá)到節(jié)能設(shè)計的目的。

在系統(tǒng)選擇上突破“同型式、同容量的空氣壓縮機(jī)”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(tǒng)；重視空壓機(jī)設(shè)備能效水平，根據(jù)比功率參數(shù)選擇節(jié)能型空壓機(jī)；根據(jù)不同壓力露點選擇合適的后處理設(shè)備，減小后處理設(shè)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(tǒng)

根據(jù)工程不同用氣壓力要求，分別設(shè)置常規(guī)的高壓空壓機(jī)系統(tǒng)和低壓空壓機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)分開，分別備用。

根據(jù)多個工程資料收集，濃相氣力除灰系統(tǒng)和石灰石氣力輸送系統(tǒng)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(jī)。

離心式空壓機(jī)在額定負(fù)荷穩(wěn)定不變運(yùn)行時，能效一般優(yōu)于螺桿機(jī)，而螺桿機(jī)在變負(fù)荷工況下的性能明顯優(yōu)于離心機(jī)（如調(diào)節(jié)范圍和方式、啟停響應(yīng)時間、靈活性和節(jié)能性等），在大氣量系統(tǒng)選擇時應(yīng)注意到系統(tǒng)氣量隨負(fù)荷變化的特點，選擇離心式空壓機(jī)為主力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，螺桿空壓機(jī)調(diào)節(jié)運(yùn)行。

一般來說，對于排氣壓力為0.7MPa的空壓機(jī)，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(jī)系統(tǒng)可以有效降低系統(tǒng)能耗。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于低壓耗氣量超過300m3/min 的大型空壓機(jī)站系統(tǒng)，推薦采用高低壓系統(tǒng)分開設(shè)計，儀用氣系統(tǒng)推薦采用高壓螺桿系統(tǒng)，輸送用氣系統(tǒng)推薦采用低壓離心＋低壓螺桿方案。

1.1.2 對空壓機(jī)進(jìn)行合理選型

根據(jù)工程用氣條件及系統(tǒng)選擇要求，選擇合適的空壓機(jī)，不僅要求對儀用高壓螺桿式空壓機(jī)選用較高能效的產(chǎn)品，并且低壓空壓機(jī)的主力運(yùn)行機(jī)選擇低壓離心式空壓機(jī)，運(yùn)行能耗更低。

國家非常重視設(shè)備的節(jié)能，從行業(yè)規(guī)范和政策上對節(jié)能設(shè)備進(jìn)行引導(dǎo)和扶持。而能源效率等級是判斷產(chǎn)品是否節(jié)能的最重要指標(biāo)。

目前容積式空壓機(jī)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(jī)，單從設(shè)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(jī)，運(yùn)行電耗大約是250kW，如果按年運(yùn)行5500h，電價按0.4元/ 度計算，每年節(jié)約10％的電耗大約節(jié)省5.5萬元，相當(dāng)于5年內(nèi)節(jié)約的電費(fèi)可以再買一臺相同的設(shè)備，所以節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

理論上能效等級越高越好，但是目前能達(dá)到1級能效的大功率空壓機(jī)并不是特別多，為了便于設(shè)備招標(biāo)，可以要求設(shè)備能效等級達(dá)到1級或2級，杜絕使用不節(jié)能設(shè)備。

對于低壓空壓機(jī)，目前常用的有離心式空壓機(jī)、噴油螺桿式空壓機(jī)和無油螺桿式空壓機(jī)。需要注意的是，螺桿式空壓機(jī)一般是定型產(chǎn)品，低壓噴油螺桿機(jī)存在跑油之虞。

另外也需要重視低壓空壓機(jī)的能效水平，由于目前低壓空壓機(jī)還沒有能效等級的規(guī)范，但仍應(yīng)根據(jù)其比功率水平進(jìn)行選取。目前市場上排氣壓力為0.3～0.5MPa 低壓噴油螺桿空壓機(jī)比功率可以達(dá)到4.1～4.8 kW/（m3/min）。而低壓離心式空壓機(jī)一般是根據(jù)工況點設(shè)計，并且是全無油的機(jī)型，沒有低壓噴油機(jī)遇到的問題，一般能夠保證較好的運(yùn)行效率和較高的可靠性，適合大容量穩(wěn)定運(yùn)行的場合。

1.1.3 對后處理設(shè)備進(jìn)行合理選型

根據(jù)壓力露點要求選用零氣耗壓縮熱和外加熱后處理設(shè)備，減小空壓機(jī)選型容量。

由于低壓空氣體積增大，流速增加，其后處理設(shè)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(shè)備后，則減少了再生耗氣量的損耗，節(jié)約了用氣，反應(yīng)到空壓機(jī)上就是可以降低空壓機(jī)的容積流量，則相應(yīng)的空壓機(jī)運(yùn)行能耗降低。

1.2 其他節(jié)能方式

1.2.1 空壓機(jī)站的余熱回收

空壓機(jī)在壓縮過程中產(chǎn)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(qū)冬季取暖，后處理設(shè)備還可以利用了離心式空壓機(jī)的壓縮熱等。

1.2.2 空壓機(jī)系統(tǒng)及管網(wǎng)的精確計算

通過對系統(tǒng)管網(wǎng)及布置的優(yōu)化設(shè)計，降低系統(tǒng)的壓降，從而在選擇空壓機(jī)時選擇合適的壓力。

1.2.3 空壓機(jī)站宜采用集散控制系統(tǒng)(distributed control system, DCS)或群控的節(jié)能控制方式

空壓機(jī)系統(tǒng)主要管道宜裝設(shè)露點儀及流量計，用于實時監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并及時進(jìn)行調(diào)控。控制系統(tǒng)除了具備基本的邏輯控制外，還應(yīng)具備數(shù)據(jù)的紀(jì)錄、儲存以及分析的功能，通過對長期運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析以及通過優(yōu)化的算法，達(dá)到最優(yōu)控制的目的。

1.2.4 針對系統(tǒng)的波動選擇大容量儲氣罐系統(tǒng)

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(jī)系統(tǒng)空壓機(jī)頻繁啟停。有效的氣量消峰可以避免備用機(jī)的啟停次數(shù)。

1.3 火電廠空壓機(jī)站節(jié)能的判定標(biāo)準(zhǔn)

衡量一個電廠空壓機(jī)站是否節(jié)能，主要是看單位氣量下的動力消耗指標(biāo)( 或單位動力下的產(chǎn)氣指標(biāo))。前面設(shè)備部分已提到設(shè)備的能效等級的概念，但個別設(shè)備的節(jié)能僅僅指設(shè)備本身，對于空壓機(jī)系統(tǒng)，影響節(jié)能的因素很多。所以對于火力發(fā)電廠的空壓機(jī)系統(tǒng)，特別是大容量空壓機(jī)系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的系統(tǒng)能效指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的節(jié)能是非常有必要的。

系統(tǒng)能效作為有一定超前性的指標(biāo)，能夠比較直觀地衡量系統(tǒng)的節(jié)能性，其與設(shè)備初投資和全壽命期優(yōu)等標(biāo)準(zhǔn)所側(cè)重的方面不同，因為設(shè)備價格、檢修維護(hù)價格等是動態(tài)的，隨技術(shù)進(jìn)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(biāo)在全壽命期優(yōu)的各種指標(biāo)中更具有前瞻性，其重要性是不斷增加的。

設(shè)備初始投資在空壓機(jī)系統(tǒng)中僅占全壽命期投資的8％左右，而電費(fèi)所占的比重在78％左右，即系統(tǒng)能效的高低基本反應(yīng)了全壽命期經(jīng)濟(jì)性的情況。

目前空壓機(jī)行業(yè)的空壓機(jī)站能效標(biāo)準(zhǔn)正在制訂之中，推薦按綜合輸功效率標(biāo)準(zhǔn)來判斷空壓機(jī)站的節(jié)能水平，但其中熱能回收占很大比例，不能較好地反映當(dāng)前火電廠空壓機(jī)站的實際情況。故在現(xiàn)階段我們暫不采用綜合輸功效率，系統(tǒng)能效仍然參照空壓機(jī)設(shè)備的能效表示方法，即采用系統(tǒng)比功率：產(chǎn)出的有效氣量和輸入功率的比。

二、空壓機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計實例

以某電廠為例，通過大容量壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化的典型案例比較，說明經(jīng)過優(yōu)化后的節(jié)能效果。

該電廠為2×600 MW 循環(huán)流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler, CFB) 機(jī)組， 四爐兩機(jī)，全廠采用集中空壓機(jī)站。

1、主要氣象資料

當(dāng)?shù)?996年～2007年主要氣象資料平均值見表1。

2、工程用氣量資料

經(jīng)過除灰、熱控、熱機(jī)等專業(yè)統(tǒng)計，全廠需要的壓縮空氣用量見表2。

3、原設(shè)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(jī)，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(biāo)準(zhǔn)容積流量Qe為：

Qe =580×(1+4%)= 603.2 Nm3/min

根據(jù)全廠耗氣量合計，計算空壓機(jī)自由出風(fēng)量【Free Air Delivery， FAD，指經(jīng)過壓縮機(jī)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(jī)FAD流量(m3/min)；

PN為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，絕對壓力(MPa)，取0.1013；

P為空壓機(jī)工作環(huán)境壓力，絕對壓力(MPa)，忽略空氣中水蒸氣分壓，近似取當(dāng)?shù)卮髿鈮?.1013；

t為空壓機(jī)工作環(huán)境溫度(℃ )，取40.7；tN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度(℃ )，取0；

Qe為用氣點壓縮余量修正后的標(biāo)準(zhǔn)容積流量(Nm3/min)，計算得603.2。

將數(shù)值代入，計算得Qfad＝693m3/min。

原設(shè)計方案按全廠集中方案擬定，采用同容量，同型號空壓機(jī)。設(shè)備配置見表3。

4、優(yōu)化設(shè)計方案

優(yōu)化設(shè)計方案采用高低壓分開方案，高壓空壓機(jī)部分采用噴油螺桿式空壓機(jī)，低壓空壓機(jī)部分推薦采用低壓離心式空壓機(jī)＋低壓螺桿式空壓機(jī)組合的方案。

通過計算， 低壓空壓機(jī)出口壓力選用0.55MPa ；后處理設(shè)備選用零氣耗鼓風(fēng)外加熱干燥機(jī)和零氣耗壓縮外加熱干燥機(jī)；經(jīng)過流量修正計算，空壓機(jī)的FAD選型流量降低。

根據(jù)公式(1) 高壓部分FAD流量計算結(jié)果為：75m3/min。

低壓部分FAD流量計算結(jié)果為：595m3/min。優(yōu)化后的方案配置見表4。

5、初投資和運(yùn)行費(fèi)比較見表5。

6、小結(jié)

本案例中，優(yōu)化后的系統(tǒng)綜合比功率降低了1.73kW/(m3/min)，年運(yùn)行電費(fèi)節(jié)約270萬元( 約占原設(shè)計方案年運(yùn)行電費(fèi)的28％ )，優(yōu)化成果顯著，詳見圖2。

雖然初投資有所增加，但優(yōu)化設(shè)計方案的全壽命期總價仍比原設(shè)計方案節(jié)約25%左右。

三、結(jié)論

本文的案例表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。對于大容量空壓機(jī)站的節(jié)能設(shè)計可采用如下方法：

1) 當(dāng)火電廠低壓耗氣量超過300Nm3/min時，空壓機(jī)站系統(tǒng)推薦按高、低壓壓縮空氣系統(tǒng)分流設(shè)計，儀用氣系統(tǒng)采用高壓螺桿機(jī)，輸送用氣系統(tǒng)采用低壓離心＋低壓螺桿機(jī)供氣的方案。

2) 空壓機(jī)設(shè)備合理選型，選擇能效等級高、比功率較低的空壓機(jī)產(chǎn)品。

3) 后處理設(shè)備優(yōu)化配置，根據(jù)壓力露點需求選用零氣耗或低氣耗的后處理設(shè)備。

4) 除了單個設(shè)備選擇節(jié)能產(chǎn)品，同時要滿足系統(tǒng)能效高的要求。

5) 宜對系統(tǒng)及管網(wǎng)進(jìn)行精確計算，滿足系統(tǒng)在穩(wěn)定負(fù)荷以及負(fù)荷波動情況下的最優(yōu)控制要求。

6) 有條件的可對空壓機(jī)站的余熱回收利用。