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熱電聯(lián)產(chǎn)超大型空壓站設(shè)計(jì)要點(diǎn)及建議
責(zé)任編輯：作者：admin人氣：1800 發(fā)表時(shí)間：2021-04-13
西安超濾公司 李大明
1、成本優(yōu)勢(shì)分析：據(jù)統(tǒng)計(jì)市場(chǎng)供氣價(jià)格：無(wú)油干燥壓縮空氣在市電制下，氣單價(jià)約為0.15~0.21元/m3；有自備電廠的約為0.10~0.14元/m3；汽/電聯(lián)產(chǎn)成本價(jià)約為0.04~0.06元/m3。售價(jià)若定為0.06~0.08元/m3，以建設(shè)運(yùn)營(yíng)一座4500m3/min汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)空壓站為例，產(chǎn)氣成本或氣單價(jià)約為純市電制的1/3~1/2，若全流量開(kāi)機(jī)運(yùn)行8000小時(shí)，每年汽驅(qū)與電驅(qū)產(chǎn)氣差價(jià)約為（0.15-0.06）元×4500m3×60min×8000h=1.94億元/年，與4500m3汽驅(qū)空壓站固定資產(chǎn)（包括管網(wǎng)）投資相當(dāng)。以0.02元/m3利潤(rùn)計(jì)，當(dāng)年利潤(rùn)總額為0.427億元，投資回報(bào)率為3~4年。但由于汽驅(qū)壓縮空氣市場(chǎng)定價(jià)偏低、工業(yè)園用戶復(fù)雜、開(kāi)機(jī)負(fù)荷率偏低等因素，有可能形成社會(huì)效益顯著而空壓站效益低下的現(xiàn)象甚至存在虧損風(fēng)險(xiǎn)。作為熱電聯(lián)產(chǎn)空壓站的建設(shè)方和運(yùn)營(yíng)方，除追求規(guī)模制氣能力、降低生產(chǎn)成本，還需深入調(diào)研客戶性質(zhì)，合理調(diào)節(jié)供需平衡以及滿足工業(yè)園各種用戶在壓力、流量、氣體品質(zhì)等方面的不同要求和特點(diǎn)。
2、空壓站設(shè)計(jì)依據(jù)：
2.1排氣量：據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有空壓站負(fù)荷約為：60~70%，按最大負(fù)荷為4500m3/min（1500m3×3臺(tái)），平均負(fù)荷為4500m3×0.65=3000m3/min，最小負(fù)荷為40%計(jì)為1800m3/min，則理論開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)：
|
負(fù)荷率% |
100 |
65 |
40 |
|
流量Nm3/min |
4500 |
2925 |
1800 |
|
數(shù)量（臺(tái)） |
3 |
1.95 |
1.2 |
又根據(jù)工業(yè)園客戶用氣特點(diǎn)可分為優(yōu)質(zhì)（24小時(shí)連續(xù)穩(wěn)定用氣）、一般（8小時(shí)連續(xù)用氣）和劣質(zhì)（臨時(shí)用氣）。相對(duì)于企業(yè)自建空壓站，在產(chǎn)氣與供氣供需平衡方面，存在更多不確定性。因此需要更大的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。此外工業(yè)園中可能存在一些不允許停氣、斷供的客戶。提高空壓站設(shè)備可靠性及防范斷氣、斷電事故的應(yīng)急措施和事故備用貯氣也必須給予重視。
由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)離心機(jī)排氣量的調(diào)節(jié)范圍為70~100%，以離心機(jī)為主的空壓站其流量調(diào)節(jié)除采用多臺(tái)套配置增減運(yùn)行臺(tái)數(shù)外，還可采用大配小、汽配電、離心配螺桿，即用前者做主供，后者做調(diào)峰。本案中長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)供氣量可以增減開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而短期調(diào)峰則以蒸汽驅(qū)動(dòng)為主供，電機(jī)驅(qū)動(dòng)為調(diào)峰的方案可作為優(yōu)選。另考慮工業(yè)園極端條件，必須保證當(dāng)蒸汽停運(yùn)時(shí)的極端最小負(fù)荷。本案中筆者認(rèn)為提供一至兩臺(tái)200m3~400m3的電動(dòng)離心機(jī)作為調(diào)峰和斷汽不斷氣的最小負(fù)荷配置是不可或缺的。
考慮到干燥器故障率、維修率較高以及超大型干燥器性價(jià)比反而較差，本案中可按1：3即500m3×9臺(tái)+1臺(tái)（備用），電驅(qū)空壓機(jī)與干燥器則按1：1配置。
2.2排氣壓力：容積式壓縮機(jī)（如活塞、螺桿）排氣壓力由背壓或管網(wǎng)壓力決定。排氣壓力每升高或降低1bar，功率需增加或減少約7%，壓力波動(dòng)允許有較大范圍，但離心機(jī)只有在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近才具有最高效率，偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行如降低工作壓力一般不具有節(jié)能效益。管網(wǎng)壓力設(shè)計(jì)依據(jù)為用氣端設(shè)備所需壓力加管網(wǎng)壓力損失一般為6~8bar的高壓和3~5bar的低壓，但在實(shí)際運(yùn)行中的管網(wǎng)壓力是由供氣量和用氣量的平衡與變化量決定的。各種類型壓縮機(jī)均具有流量負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，但由于機(jī)型本身和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)不同，可調(diào)節(jié)的范圍亦不同，其中離心機(jī)的壓力和流量調(diào)節(jié)范圍最小，需在空壓機(jī)站房設(shè)計(jì)選型中給予足夠重視。另從節(jié)能角度，應(yīng)根據(jù)工業(yè)園區(qū)的實(shí)際用氣壓力和流量，必要時(shí)采用高低壓分流，具體到離心機(jī)選型，高壓供氣管網(wǎng)可選用三級(jí)壓縮，低壓管網(wǎng)則選用兩級(jí)壓縮，此項(xiàng)措施可節(jié)能15%左右甚至更高。
本案為超大型空壓站，考慮到管網(wǎng)復(fù)雜、管道沿程損失較大以及高壓管網(wǎng)具有一定的貯氣能力且制氣成本低廉，所以本空壓機(jī)排氣壓力設(shè)定為1.0MPa是適宜的。
2.3氣體質(zhì)量：
氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用壓縮空氣質(zhì)量控制要素為：油、水、塵。其中大型空壓站一般采用離心機(jī)，油可以忽略不計(jì)。塵埃主要來(lái)源于吸附劑粉化和管網(wǎng)污染，前者需在干燥器出口配置安全可靠、高效低阻的后置過(guò)濾器（浙江某熱電聯(lián)產(chǎn)空壓站因吸附劑粉化和后置過(guò)濾器濾芯開(kāi)裂，大量粉塵進(jìn)入管網(wǎng)，造成停產(chǎn)清洗20余天）；后者可在用戶進(jìn)口總管處增設(shè)具有上述性能的過(guò)濾器。但除水是三大指標(biāo)中投資最大、運(yùn)行成本最高的設(shè)備，應(yīng)予以格外重視。
3、干燥器特點(diǎn)及選型應(yīng)用。
3.1由于汽輪機(jī)和離心空壓機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，而低露點(diǎn)、零氣耗的壓縮熱吸附式干燥器進(jìn)入市場(chǎng)較晚，目前全球僅有兩家企業(yè)能夠生產(chǎn)、銷售。國(guó)標(biāo)《壓縮空壓站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：采用離心機(jī)或無(wú)油螺桿空壓機(jī)時(shí)宜采用壓縮熱干燥器，但標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)提醒：對(duì)于傳統(tǒng)壓縮熱干燥器其應(yīng)用領(lǐng)域歸屬冷干機(jī)類，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用中可視壓縮熱干燥器為介于冷干機(jī)（+10℃）和吸附式干燥器（-20℃）之間的產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上應(yīng)用的壓縮熱干燥器可分為三類：第一類有排放型：壓力露點(diǎn)0℃~-10℃，平均產(chǎn)品氣消耗量為6~8%；第二類雙冷卻器零排放型：壓力露點(diǎn)+15℃~0℃；第三類等壓循環(huán)低露點(diǎn)零氣耗型：壓力露點(diǎn)-20~-40℃。北方地區(qū)和對(duì)露點(diǎn)要求較高的用戶對(duì)前兩種壓縮熱干燥器需慎重選用。
3.2壓縮熱干燥器工作基本原理和特性分析：
吸附式干燥器的再生機(jī)理一般分為變壓（PSA）、變溫（TSA）、清洗、置換四種，實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有完全單一方式，至少是兩種以上方式組合。
吸附式干燥器產(chǎn)品氣干燥程度（P）與以下因素有關(guān)（P0、P1、P2），
P---出口氣體中水蒸氣分壓
P0---出口溫度對(duì)應(yīng)飽和水蒸氣分壓
P1---再生氣的水蒸氣分壓
P2---再生溫度下的飽和蒸氣壓
其中：P0---主要取決于冷卻水溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，P0每下降10℃，露點(diǎn)亦會(huì)相應(yīng)下降10℃左右。
P1---再生氣的含水量和再生氣量，對(duì)露點(diǎn)的影響因其存在多個(gè)變量，難以給出具體數(shù)值。
P2---再生溫度，P2每提高10℃，露點(diǎn)會(huì)下降3℃~4℃左右。
3.3壓縮熱型干燥器設(shè)計(jì)原則：
3.3.1由于壓縮熱溫度偏低（標(biāo)準(zhǔn)型為90~110℃），而有熱再生的標(biāo)準(zhǔn)溫是180~220℃，所以壓縮熱僅能達(dá)到正常吸附式干燥器所需再生能量的70%左右。
3.3.2合理的再生過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段為加熱再生（TSA），第二階段為吹冷再生（PSA+TSA）。
3.4 三種壓縮熱干燥器工藝流程描述及特點(diǎn)分析：
3.4.1有排放型：
余熱再生：過(guò)熱壓縮空氣先再生、后吸附，單純依賴壓縮熱可達(dá)到70%的再生效果。
吹冷/二次再生：抽取10~20%（瞬時(shí)流量）的干燥產(chǎn)品氣，邊吹冷邊利用塔內(nèi)余熱進(jìn)行二次再生（PSA+PST），壓力露點(diǎn)可達(dá)0~-10℃，干氣消耗量越大，可達(dá)到的露點(diǎn)溫度越低，但也由此構(gòu)成了此流程的最大缺陷，仍然消耗了過(guò)多高品位的壓縮空氣。
3.4.2雙冷卻器零排放型：
余熱再生：同上
吹冷：此流程為達(dá)到零氣耗增加了一個(gè)吹冷用冷卻器，過(guò)熱壓縮空氣先經(jīng)過(guò)該冷卻器冷卻至飽和濕空氣直接進(jìn)入再生塔進(jìn)行吹冷，此過(guò)程不僅放棄了干氣吹冷/二次再生機(jī)會(huì)，反而向已完成再生的干燥劑加濕，此為干燥器設(shè)計(jì)大忌，造成此類干燥器露點(diǎn)僅能達(dá)到+15~0℃，且具有比前者更高的壓差和兩倍的冷卻水量。
3.4.3等壓循環(huán)零氣耗型：
余熱再生：同上
混搭加熱：混搭加熱僅用于空壓機(jī)排氣溫度≤100%或追求超低露點(diǎn)時(shí)。
主氣流流向同余熱再生，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和加熱器，將15%左右的干氣加熱后注入主氣流，此方法可提升再生能力10~15%左右。
純電加熱：主氣流提前15~30分鐘經(jīng)旁通直接進(jìn)入冷卻/分離器，再經(jīng)吸附干燥后輸出，同時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、加熱器、抽取約15%干氣加熱至180~220℃，對(duì)再生塔進(jìn)行二次強(qiáng)化加熱再生，此舉對(duì)裝有分子篩的混合床極為必要。
吹冷：此方式和作用同有排放型，邊吹冷邊再生（PSA+TSA），但本質(zhì)上的不同為吹冷氣在增壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，并入主氣流匯合后進(jìn)入冷卻器，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品氣零氣耗。
由于采用了以上多種措施和再生機(jī)理，壓力露點(diǎn)可達(dá)到-20~-40℃，甚至更低。
另根據(jù)市場(chǎng)反映，前兩種壓縮熱吸附劑由于長(zhǎng)期不能得到徹底再生，殘余含水量不斷累積，致使吸附劑工作壽命僅為半年，最長(zhǎng)不超過(guò)一年，而第三種干燥器也同樣存在以上弊病，但由于設(shè)備具有二次加熱和干氣吹冷功能并可定期進(jìn)行強(qiáng)化再生，消除殘余含水量累積現(xiàn)象，吸附劑壽命達(dá)三年以上。
4、貯能器：目前還未提上議事日程，但從現(xiàn)在開(kāi)始關(guān)注并進(jìn)行一定深度的研究探討還是有必要的。貯能器主要用途有兩個(gè)，一是短期調(diào)峰，二是提供事故保障用氣，包括突發(fā)斷汽、斷電大事故的應(yīng)急和啟動(dòng)空壓站失敗或延時(shí)等小故障。貯能器從技術(shù)角度可分為中壓、如5級(jí)壓縮2.5MPa和高壓25MPa~35MPa，這兩種壓力都有成熟的空壓機(jī)及貯氣罐技術(shù)和應(yīng)用案例。貯能器應(yīng)用的前提條件是峰/谷電價(jià)。如筆者所在無(wú)錫工業(yè)園電網(wǎng)供電目前實(shí)行的峰/谷差價(jià)為1.1/0.66/0.32（元）三段價(jià)。但由于電廠內(nèi)部核算沒(méi)有峰/谷差價(jià)，致使貯能器的功能顯現(xiàn)不出來(lái)。
機(jī)型配置：考慮到工業(yè)園用氣復(fù)雜性尤其是用氣量波動(dòng)值較大，宜采用中小機(jī)型和大型貯氣罐，如本案4500m3/min，中壓電驅(qū)150m3×1，另配直徑10m球罐1座或直徑5m球罐8座，其中5m球罐宜設(shè)置在管網(wǎng)中端或末端，另目前市場(chǎng)上大型長(zhǎng)管高壓貯罐技術(shù)日趨成熟，最高壓力可達(dá)40MPa，兩段壓縮（低壓離心或螺桿+低壓干燥器+高壓活塞增壓）技術(shù)也相當(dāng)成熟，若晚間電/汽價(jià)低廉，高壓貯能方案性價(jià)比會(huì)更高。
以上內(nèi)容主要是提供一種思路，僅供參考。
5、設(shè)計(jì)、選型案例：
5.1下圖為一典型企業(yè)“用氣量—時(shí)間分段”表，結(jié)合上述4500m3/min案例，做出方案和說(shuō)明如下：
表1：某工廠壓縮空氣用量及時(shí)間分段表：
圖1：某工廠壓縮空氣用量及時(shí)間分段折線圖：
5.2 4500m3/min空壓站設(shè)備選型與布置圖：
表2：配置表
|
序號(hào) |
名稱 |
規(guī)格 |
壓力（MPa） |
數(shù)量（臺(tái)） |
|
1 |
汽驅(qū)空壓機(jī) |
1500m3/min |
1.0 |
3 |
|
2 |
電驅(qū)空壓機(jī) |
300m3/min |
1.0 |
2 |
|
3 |
中壓電驅(qū) |
150m3/min |
2.5 |
1 |
|
4 |
大型干燥器 |
500m3/min |
1.0 |
10 |
|
5 |
中型干燥器 |
300m3/min |
1.0 |
2 |
|
6 |
中壓干燥器 |
150m3/min |
2.5 |
1 |
|
7 |
球罐R |
2.5m/5m |
2.5 |
8/1 |
圖2：布置圖：
表3：4500m3空壓站運(yùn)行表
|
時(shí)間段 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
|
運(yùn)行時(shí)間h |
3.5 |
2 |
4 |
1.5 |
4.5 |
7 |
1.5 |
|
運(yùn)行氣量 m3/min |
4200 |
2200 |
4100 |
2200 |
3400 |
1900 |
2400 |
|
空壓機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)與氣量 m3/min |
1500×3×0.95=4275 |
1500×2× 0.75=2250 |
1500×3×0.91=4095 |
1500×2× 0.75=2250 |
1500×3×0.75=3375 |
1500×2× 0.62=1890 |
1500×2× 0.8=2400 |
|
1500×3×0.5=2250 |
1500×2×0.5=2250 |
1500×1+ 1300×1=1800 |
注：表3中的運(yùn)行氣量源自表1并擴(kuò)大10倍。
結(jié)論：動(dòng)力用壓縮空氣正在向鄰近空分、工業(yè)氣體領(lǐng)域經(jīng)營(yíng)模式靠近，從單一產(chǎn)品銷售向服務(wù)性銷售過(guò)渡，即從單一賣機(jī)器向賣氣、賣終端服務(wù)過(guò)渡。同時(shí)空壓站設(shè)備（包括干燥器）是一種高耗能設(shè)備，目前華東、華南地區(qū)快速發(fā)展的“熱電聯(lián)產(chǎn)超大型空壓站”正是適應(yīng)了這樣一種市場(chǎng)需求和創(chuàng)新模式，其本身還有更多創(chuàng)新點(diǎn)和巨大發(fā)展?jié)摿?。熱電?lián)產(chǎn)供氣模式有可能在未來(lái)5~10年不僅為用戶提供更便宜、更方便的動(dòng)力源，對(duì)其空壓機(jī)行業(yè)本身重建產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生重大影響。
