火電廠空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

魏曉明

(1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)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(jī)作為工礦企業(yè)中應(yīng)用十分普遍的壓縮空氣系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)企業(yè)應(yīng)用機(jī)組數(shù)量多、電機(jī)功率大、產(chǎn)熱量高等特點(diǎn)，具有很大的節(jié)能空間。基于此，通過闡述其結(jié)構(gòu)組成，分析其運(yùn)行特點(diǎn)，根據(jù)幾方面特點(diǎn)，來介紹其節(jié)能改造應(yīng)用前景，為企業(yè)節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 螺桿空壓機(jī) 節(jié)能改造 火電廠

中圖分類號TM621; TH45

0引言

空氣壓縮機(jī)在工礦企業(yè)中應(yīng)用十分普遍。工況企業(yè)大多使用的是螺桿空壓機(jī)，具備可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、維修費(fèi)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(diǎn)。因此，螺桿式壓縮機(jī)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(yīng)用在工礦企業(yè)多以空壓機(jī)機(jī)群形式出現(xiàn)，且電動機(jī)的容量一般都較大，大多數(shù)是常年連續(xù)運(yùn)行，所以有很大的節(jié)能潛力可以挖掘。

1空壓機(jī)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)30年代，瑞典皇家理工學(xué)院的Alf Lysholm教授，介于其對燃?xì)廨啓C(jī)的研究需要，第一個設(shè)計出螺桿空壓機(jī)。因其對產(chǎn)氣量的需求.使得螺桿式空壓機(jī)得到了不斷的研發(fā)和應(yīng)用。

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

直到1957年，噴油螺桿式空壓機(jī)投入了市場，才進(jìn)一步改進(jìn)了之前螺桿式空壓機(jī)的缺點(diǎn)，螺桿空壓機(jī)因此得到了廣泛的應(yīng)用。

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

隨著科技的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)，諸如無油螺桿空壓機(jī)、全無油螺桿空壓機(jī)、微油螺桿空壓機(jī)等相繼出現(xiàn)。螺桿空壓機(jī)的優(yōu)越性能得到了不斷發(fā)揮和廣泛的應(yīng)用。

2空壓機(jī)工作中原理及結(jié)構(gòu)組成

空壓機(jī)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(jī)屬于容積型，這里以雙螺桿空壓機(jī)為例，其工作原理是：陰陽轉(zhuǎn)子及其配套機(jī)體構(gòu)成的容積變化，產(chǎn)生吸氣—壓縮—排氣的連續(xù)工作過程。應(yīng)用在火力發(fā)電領(lǐng)域，其多配有氣體后處理系統(tǒng)，且配以相應(yīng)的干燥機(jī)。

(1)電氣部份：電機(jī)、控制系統(tǒng)、操作面板等;

(2)壓縮機(jī)部份：主機(jī)頭、壓力調(diào)整閥、單向閥、斷油閥、最小壓力閥、電磁閥等;

(3)冷卻器部份(風(fēng)冷)：冷卻風(fēng)扇、油氣冷卻器等。

3火電廠空壓機(jī)系統(tǒng)存在的問題

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

電廠的空壓機(jī)均采用空壓機(jī)機(jī)群模式，多臺機(jī)組供氣，空壓機(jī)組處于人工控制模式，由運(yùn)行人員根據(jù)供氣壓力開啟相應(yīng)臺數(shù)的空壓機(jī)。空壓機(jī)群無自動連鎖啟停功能，導(dǎo)致空壓機(jī)群運(yùn)行控制性能低、效益低;因其運(yùn)行天數(shù)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(yùn)行過程中螺桿空壓機(jī)頻繁加、卸載，導(dǎo)致排氣溫偏高，常介于報警值和跳機(jī)值之間，給機(jī)組安全運(yùn)行造成隱患。

為保證系統(tǒng)壓力，螺桿空壓機(jī)運(yùn)行臺數(shù)偏多，壓力達(dá)到高壓卸載值，使空壓機(jī)長時間卸載運(yùn)行。

因系統(tǒng)用氣量根據(jù)輸灰系統(tǒng)定期吹灰時間不同，高低峰頻繁變化，導(dǎo)致螺桿空壓機(jī)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(diào)控制，輸灰系統(tǒng)用氣波動大等問題，從而導(dǎo)致空壓機(jī)群的運(yùn)行效率較差。

單臺空壓機(jī)根據(jù)上下限壓力實施加卸載運(yùn)行，其基本做法就是讓空壓機(jī)的排氣壓力達(dá)到某一特定壓力時關(guān)閉空壓機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)氣閥。中間間隔的時間，取決于儲氣罐、管道容積的大小、生產(chǎn)現(xiàn)場的用氣情況及管網(wǎng)允許的壓力波動，通常的管網(wǎng)壓力波動范圍應(yīng)控制在0.1 MPa范圍內(nèi)，加卸載調(diào)節(jié)方便簡單。只有部分例如美國GD產(chǎn)或國產(chǎn)復(fù)盛機(jī)型配有旋轉(zhuǎn)閥等部件，具有容調(diào)節(jié)能模式，可根據(jù)排氣壓力大小調(diào)整響應(yīng)進(jìn)氣閥開度，但這也僅限于早起2010年前產(chǎn)品長時間運(yùn)行后節(jié)能效果并不是很明顯，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期運(yùn)行故障率高，后期產(chǎn)品多已取消該功能。

由于空壓機(jī)群的運(yùn)行控制邏輯過于簡單，導(dǎo)致空壓機(jī)群運(yùn)行控制性能低。

4空壓機(jī)節(jié)能改造方案的選擇

4.1空壓機(jī)余熱利用

4.1.1改造概述

壓縮空氣的生產(chǎn)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(jìn)行散熱。在浪費(fèi)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(fēng)冷還是水冷方式，都是費(fèi)水費(fèi)電的能源的再次浪費(fèi)。當(dāng)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(jī)可以實現(xiàn)70%以上的能量回收。

4.1:2應(yīng)用范固

空壓機(jī)在運(yùn)行時，產(chǎn)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(jī)排氣降溫的同時，為擁護(hù)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(diào)系統(tǒng)熱水及地暖熱水;

(3)鍋爐補(bǔ)水預(yù)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(zhì)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(jī)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(fèi)用，節(jié)省了空間。

(5)加熱系統(tǒng)低碳環(huán)保，不產(chǎn)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(fèi)和燃油費(fèi)用。

(7)控制部分可設(shè)置整機(jī)集成或單獨(dú)控制。

4.2智慧型壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

4.2.1改造概述

在滿足電力安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，按照壓縮空氣節(jié)能理念進(jìn)行設(shè)計壓縮空氣系統(tǒng)，對空壓機(jī)產(chǎn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)合理有效的控制，導(dǎo)入空壓機(jī)群均衡運(yùn)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(shù)手段，從而優(yōu)化當(dāng)前壓縮空氣系統(tǒng)的運(yùn)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(hù)成本，達(dá)到了壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的目的。

4.2.2改造主要內(nèi)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(bǔ)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(chǎn)的前提下，按照壓縮空氣節(jié)能理念設(shè)計壓縮空氣系統(tǒng)，從而優(yōu)化當(dāng)前壓縮空氣系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備運(yùn)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(biāo)起到了重要影響，大大降低了廠用電率。

4.3空壓機(jī)變頻改造技術(shù)

4.3.1改造概述

根據(jù)空壓機(jī)實際運(yùn)行狀況，利用變頻器來控制空壓機(jī)，通過電氣控制轉(zhuǎn)換空壓機(jī)的變頻運(yùn)行，實現(xiàn)空壓機(jī)電機(jī)變頻驅(qū)動，大大降低了電機(jī)耗電率。

4.3.2改造內(nèi)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(dāng)變頻器發(fā)生故障時，利用原工頻系統(tǒng)運(yùn)行。

(2)通過變頻器的控制面板設(shè)定空氣壓力定值，將空氣壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，反饋到變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器將信號與壓力定值進(jìn)行比較運(yùn)算，然后輸出控制信號，變頻器再根據(jù)此信號輸出頻率，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使空氣壓力保持穩(wěn)定，這樣空壓機(jī)始終保持在節(jié)電運(yùn)行狀態(tài)。

4.3.3改造優(yōu)勢

(1)電動機(jī)從低速起動，沖擊電流小，電動機(jī)和空壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

(2)由于變頻器具備較強(qiáng)的保護(hù)功能，降低了設(shè)備故障率。

(3)系統(tǒng)壓力更加穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4.4空壓機(jī)永磁同步電動機(jī)

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

4.5空壓機(jī)群管道并聯(lián)系統(tǒng)

4.5.1改造概述

電廠空壓機(jī)群太多是一臺空壓機(jī)對應(yīng)一臺干燥機(jī)串聯(lián)運(yùn)行。多臺除灰空壓機(jī)與干燥器無法單獨(dú)運(yùn)行。在空壓機(jī)機(jī)或干燥機(jī)大修或檢修時必修停止空壓機(jī)或干燥機(jī)運(yùn)行，所以需加裝并聯(lián)管道、閥門，使空壓機(jī)與干燥器并聯(lián)運(yùn)行，空壓機(jī)或干燥機(jī)檢修時，空壓機(jī)或干燥機(jī)能夠單獨(dú)運(yùn)行。使多。臺干燥機(jī)可互為備用。

4.5.2改造內(nèi)容

(1)在空壓機(jī)和干燥機(jī)之間改造加裝并聯(lián)不銹鋼管道。

(2)每臺空壓機(jī)出日及組干機(jī)入口配套電動不銹鋼球閥、手動不銹鋼球閥及法蘭。

(3)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備，使每臺空壓機(jī)出口均能進(jìn)入每一臺組干機(jī)入口的母管。

(4)加裝后空壓機(jī)、干燥機(jī)能夠單獨(dú)運(yùn)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(jī)與干燥器并聯(lián)運(yùn)行，空壓機(jī)或干燥機(jī)檢修時，空壓機(jī)或干燥機(jī)能夠單獨(dú)運(yùn)行，使6臺干燥機(jī)可互為備用。使設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5結(jié)語

本文介紹了螺桿空壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式，工作特點(diǎn)以及螺桿空壓機(jī)的發(fā)展歷史，分析了火力發(fā)電廠中應(yīng)用的螺桿空壓機(jī)普遍存在的問題，根據(jù)其高能耗特點(diǎn)列舉了當(dāng)今應(yīng)用較為廣泛的空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)改造項目，為電廠空壓機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了依據(jù)。

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