火電廠空壓機系統(tǒng)節(jié)能技術應用

魏曉明

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西太原030024;2.山西漳電大唐塔山發(fā)電有限公司，山西大同 037001)

[摘要] 空氣壓縮機作為工礦企業(yè)中應用十分普遍的壓縮空氣系統(tǒng)的重要組成部分，根據企業(yè)應用機組數量多、電機功率大、產熱量高等特點，具有很大的節(jié)能空間。基于此，通過闡述其結構組成，分析其運行特點，根據幾方面特點，來介紹其節(jié)能改造應用前景，為企業(yè)節(jié)能減排提供理論依據。

關鍵詞 螺桿空壓機 節(jié)能改造 火電廠

中圖分類號TM621; TH45

0引言

空氣壓縮機在工礦企業(yè)中應用十分普遍。工況企業(yè)大多使用的是螺桿空壓機，具備可靠性高、結構簡單、易損件少、維修費用低、排氣溫度低、可壓縮水分含量比較高的氣體等一系列優(yōu)點。因此，螺桿式壓縮機在市場上使用率高、發(fā)展速度快、市場占有量大。但正是由于其大多應用在工礦企業(yè)多以空壓機機群形式出現(xiàn)，且電動機的容量一般都較大，大多數是常年連續(xù)運行，所以有很大的節(jié)能潛力可以挖掘。

1空壓機的發(fā)展歷程

20世紀30年代，瑞典皇家理工學院的Alf Lysholm教授，介于其對燃氣輪機的研究需要，第一個設計出螺桿空壓機。因其對產氣量的需求.使得螺桿式空壓機得到了不斷的研發(fā)和應用。

繼螺桿空壓機得到研發(fā)以后，由英國率先從SRM公司取得生產螺桿空壓機的許可證。隨后，歐、美、日等陸續(xù)獲得生產許可權，開始了螺桿空壓機的生產和銷售。但是剛開始的螺桿式空壓機雖然具備些優(yōu)點，但是缺點還不少。

直到1957年，噴油螺桿式空壓機投入了市場，才進一步改進了之前螺桿式空壓機的缺點，螺桿空壓機因此得到了廣泛的應用。

1961年，人們又成功研制出了螺桿式制冷空壓機和螺桿式工藝空壓機。此兩種螺桿式空壓機很大程度上拓展了螺桿式空壓機的多樣性。自此以后，各種各樣的螺桿式空壓機不斷面世。

隨著科技的不斷進步，產品的進一步研發(fā)，諸如無油螺桿空壓機、全無油螺桿空壓機、微油螺桿空壓機等相繼出現(xiàn)。螺桿空壓機的優(yōu)越性能得到了不斷發(fā)揮和廣泛的應用。

2空壓機工作中原理及結構組成

空壓機按照工作原理主要分為兩大類：容積型與動力型。螺桿空壓機屬于容積型，這里以雙螺桿空壓機為例，其工作原理是：陰陽轉子及其配套機體構成的容積變化，產生吸氣—壓縮—排氣的連續(xù)工作過程。應用在火力發(fā)電領域，其多配有氣體后處理系統(tǒng)，且配以相應的干燥機。

(1)電氣部份：電機、控制系統(tǒng)、操作面板等;

(2)壓縮機部份：主機頭、壓力調整閥、單向閥、斷油閥、最小壓力閥、電磁閥等;

(3)冷卻器部份(風冷)：冷卻風扇、油氣冷卻器等。

3火電廠空壓機系統(tǒng)存在的問題

某火電廠兩臺600 MW機組壓縮空氣系統(tǒng)氣源裝置共配置15臺螺桿空壓機(單臺空壓機額定功率250 kW、375 kW、355 kW)，2臺機組儀用供氣系統(tǒng)運行4臺空壓機，除灰系統(tǒng)運行11臺空壓機。各儀用空壓機出口壓力在0.72 MPa左右，除灰空壓機出口壓力0.5 MPa左右。其長期運行以來出現(xiàn)的較多影響設備能耗升高的問題，主要有以下幾點：

電廠的空壓機均采用空壓機機群模式，多臺機組供氣，空壓機組處于人工控制模式，由運行人員根據供氣壓力開啟相應臺數的空壓機。空壓機群無自動連鎖啟停功能，導致空壓機群運行控制性能低、效益低;因其運行天數多，多處于6 kV、10 kV母線段供電，其耗電量較大。

壓縮空氣系統(tǒng)運行過程中螺桿空壓機頻繁加、卸載，導致排氣溫偏高，常介于報警值和跳機值之間，給機組安全運行造成隱患。

為保證系統(tǒng)壓力，螺桿空壓機運行臺數偏多，壓力達到高壓卸載值，使空壓機長時間卸載運行。

因系統(tǒng)用氣量根據輸灰系統(tǒng)定期吹灰時間不同，高低峰頻繁變化，導致螺桿空壓機排氣壓力波動大。

輸灰單元輸送效率低(輸送灰氣比低、輸灰背壓低)多條輸灰單元缺乏協(xié)調控制，輸灰系統(tǒng)用氣波動大等問題，從而導致空壓機群的運行效率較差。

單臺空壓機根據上下限壓力實施加卸載運行，其基本做法就是讓空壓機的排氣壓力達到某一特定壓力時關閉空壓機進氣閥，然后在排氣壓力降低到一定程度時又重新打開空壓機進氣閥。中間間隔的時間，取決于儲氣罐、管道容積的大小、生產現(xiàn)場的用氣情況及管網允許的壓力波動，通常的管網壓力波動范圍應控制在0.1 MPa范圍內，加卸載調節(jié)方便簡單。只有部分例如美國GD產或國產復盛機型配有旋轉閥等部件，具有容調節(jié)能模式，可根據排氣壓力大小調整響應進氣閥開度，但這也僅限于早起2010年前產品長時間運行后節(jié)能效果并不是很明顯，因其結構復雜，長期運行故障率高，后期產品多已取消該功能。

由于空壓機群的運行控制邏輯過于簡單，導致空壓機群運行控制性能低。

4空壓機節(jié)能改造方案的選擇

4.1空壓機余熱利用

4.1.1改造概述

壓縮空氣的生產消耗了大量的能源，其排氣溫度多在80～110℃左右。這部分熱量多以后置冷卻器的形式進行散熱。在浪費其排氣余熱的同時，為冷卻這部分熱量另外配置了空水冷冷卻器，且不論是利用風冷還是水冷方式，都是費水費電的能源的再次浪費。當前已有的解決途徑可通過市面上已擁有完整的余熱回收解決方案，對螺桿壓縮機可以實現(xiàn)70%以上的能量回收。

4.1:2應用范固

空壓機在運行時，產生的熱能通過換熱器回收，然后通過循環(huán)泵把熱水循環(huán)至熱用戶，在滿足空壓機排氣降溫的同時，為擁護提供熱水。多可用于以下幾方面：

(1)生活用水加熱;

(2)中央空調系統(tǒng)熱水及地暖熱水;

(3)鍋爐補水預加熱;

(4)熱水清洗工藝的加熱;

(5)廠房采暖以及其他液體介質的加熱。

4.1.3改造優(yōu)勢

(1)相比電熱鍋爐、太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能顯著。

(2)不耗電、不燒油，無能源消耗，解決了空壓機冷卻問題。

(3)安裝簡單方便，占用空間小。

(4)與其他熱水器相比，大幅降低了費用，節(jié)省了空間。

(5)加熱系統(tǒng)低碳環(huán)保，不產生一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等有害氣體，無黑煙、噪聲、油污，真正實現(xiàn)零排放。

(6)有效利用了大量的廢熱，從而為企業(yè)節(jié)省了因使用電熱、鍋爐等所需的電費和燃油費用。

(7)控制部分可設置整機集成或單獨控制。

4.2智慧型壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化技術

4.2.1改造概述

在滿足電力安全穩(wěn)定生產的前提下，按照壓縮空氣節(jié)能理念進行設計壓縮空氣系統(tǒng)，對空壓機產氣調節(jié)系統(tǒng)合理有效的控制，導入空壓機群均衡運行時間控制策略，提高系統(tǒng)效率、降低系統(tǒng)使用流量、優(yōu)化系統(tǒng)供氣壓力等技術手段，從而優(yōu)化當前壓縮空氣系統(tǒng)的運行方式并最大限度地減少其耗氣量、降低能耗。同時由于氣力輸送節(jié)能優(yōu)化減少了氣力輸灰的輸送頻次和流速，降低了輸灰管道的磨損，減少了管道和氣動閥門的維護成本，達到了壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的目的。

4.2.2改造主要內容

(1)在儀用和灰用供氣系統(tǒng)間加裝高精度流量需求控制系統(tǒng)，在保證儀用系統(tǒng)恒壓供氣的前提條件下，將多余的流量補償給氣力輸灰系統(tǒng)使用。

(2)在儀用和灰用加裝空壓站節(jié)能管控系統(tǒng)。

(3)在氣力輸灰程控系統(tǒng)上加裝氣力輸灰節(jié)能控制系統(tǒng)。

4.2.3改造優(yōu)勢

在滿足電力安全穩(wěn)定生產的前提下，按照壓縮空氣節(jié)能理念設計壓縮空氣系統(tǒng)，從而優(yōu)化當前壓縮空氣系統(tǒng)的相關設備運行方式，并最大限度地減少其耗氣量、降低能耗，對電廠的重要指標起到了重要影響，大大降低了廠用電率。

4.3空壓機變頻改造技術

4.3.1改造概述

根據空壓機實際運行狀況，利用變頻器來控制空壓機，通過電氣控制轉換空壓機的變頻運行，實現(xiàn)空壓機電機變頻驅動，大大降低了電機耗電率。

4.3.2改造內容

(1)系統(tǒng)改造時保留原工頻系統(tǒng)不變，增加變頻系統(tǒng)，做到工頻/變頻互鎖切換。當變頻器發(fā)生故障時，利用原工頻系統(tǒng)運行。

(2)通過變頻器的控制面板設定空氣壓力定值，將空氣壓力信號轉換為電信號，反饋到變頻器內部的PID調節(jié)器。調節(jié)器將信號與壓力定值進行比較運算，然后輸出控制信號，變頻器再根據此信號輸出頻率，調節(jié)電動機的轉速，使空氣壓力保持穩(wěn)定，這樣空壓機始終保持在節(jié)電運行狀態(tài)。

4.3.3改造優(yōu)勢

(1)電動機從低速起動，沖擊電流小，電動機和空壓機運行平穩(wěn)。

(2)由于變頻器具備較強的保護功能，降低了設備故障率。

(3)系統(tǒng)壓力更加穩(wěn)定，提高了產品質量。

4.4空壓機永磁同步電動機

與變頻控制相類似，永磁同步電動機功率因數可以達到0.98，效率超過96%，平均節(jié)電率達到15%～25%，屬于高效節(jié)能電機。在空壓機上配置使用永磁電機，可大大降低空壓機電力耗電率，降低廠用電率。

4.5空壓機群管道并聯(lián)系統(tǒng)

4.5.1改造概述

電廠空壓機群太多是一臺空壓機對應一臺干燥機串聯(lián)運行。多臺除灰空壓機與干燥器無法單獨運行。在空壓機機或干燥機大修或檢修時必修停止空壓機或干燥機運行，所以需加裝并聯(lián)管道、閥門，使空壓機與干燥器并聯(lián)運行，空壓機或干燥機檢修時，空壓機或干燥機能夠單獨運行。使多。臺干燥機可互為備用。

4.5.2改造內容

(1)在空壓機和干燥機之間改造加裝并聯(lián)不銹鋼管道。

(2)每臺空壓機出日及組干機入口配套電動不銹鋼球閥、手動不銹鋼球閥及法蘭。

(3)根據系統(tǒng)設備，使每臺空壓機出口均能進入每一臺組干機入口的母管。

(4)加裝后空壓機、干燥機能夠單獨運行。 .

4.5.3改造優(yōu)勢

改造通過加裝并聯(lián)管道、閥門，使空壓機與干燥器并聯(lián)運行，空壓機或干燥機檢修時，空壓機或干燥機能夠單獨運行，使6臺干燥機可互為備用。使設備能夠安全穩(wěn)定運行。

5結語

本文介紹了螺桿空壓機的基本結構、運行方式，工作特點以及螺桿空壓機的發(fā)展歷史，分析了火力發(fā)電廠中應用的螺桿空壓機普遍存在的問題，根據其高能耗特點列舉了當今應用較為廣泛的空壓機節(jié)能技術改造項目，為電廠空壓機高效經濟運行提供了依據。

參考文獻

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