華能巢湖電廠全廠壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化

張蓮鶯

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京市，211102)

1 工程概況

華能巢湖電廠位于安徽省巢湖市境內(nèi)淮南鐵路旁，新建規(guī)劃容量為4×600 MW，本期工程安裝2臺(tái)600 MW燃煤機(jī)組。項(xiàng)目于2007年5月23日經(jīng)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)核準(zhǔn)，2007年3月1日正式開工建設(shè)。2008年08月9日，1號(hào)機(jī)組投入了商業(yè)運(yùn)行。2008年11月24日，2號(hào)機(jī)組投入了商業(yè)運(yùn)行。

2 各專業(yè)壓縮空氣用量及品質(zhì)要求

全廠需要壓縮空氣的有熱機(jī)、熱控、除灰、脫硫等專業(yè)，這些專業(yè)對(duì)壓縮空氣的用氣量、用氣品質(zhì)及使用時(shí)間各不相同[1-8]。華能巢湖電廠2×600 MW機(jī)組各專業(yè)壓縮空氣用量見表1。全廠要求的最大供氣量為150 m3/min。

表1 2×600 MW機(jī)組用氣量Tab.1 Air consumption of 2×600 MW unit

3 全廠壓縮空氣站優(yōu)化

采用全廠壓縮空氣站統(tǒng)一配氣、供氣的方式，通過螺桿式空壓機(jī)由全廠壓縮空氣站向除灰、熱控、熱機(jī)、脫硫等專業(yè)提供氣源。該方案可以提高設(shè)備利用率，減少備用設(shè)備數(shù)量，提高供氣可靠性?？諝鈮嚎s裝置所需的總占地面積縮小，監(jiān)控費(fèi)用和維修費(fèi)用降低。通過設(shè)備選型優(yōu)化，可以取消1座除灰空壓機(jī)房，并且更容易做到隔音降噪。每臺(tái)空壓機(jī)設(shè)備內(nèi)置智能控制器，具有操作簡(jiǎn)便、可調(diào)節(jié)工作參數(shù)、多機(jī)聯(lián)控、快速診斷故障、綜合數(shù)據(jù)顯示等功能?？刹捎脝为?dú)智能控制裝置控制多臺(tái)空壓機(jī)機(jī)組，并提供并入全廠DCS的接口和通訊聯(lián)系。壓縮空氣站系統(tǒng)如圖1。

3.1 空壓機(jī)站總?cè)萘?/h3>

儀用空氣后處理設(shè)備采用組合式空氣干燥器，再生耗氣量不大于進(jìn)氣量的3%，按照空壓機(jī)流量不小于需要空氣流量（150 m3/min＋3%×50 m3/min）的110%考慮，全廠空壓機(jī)站總?cè)萘繛?67 m3/min。

3.2 空壓機(jī)備用容量

GB 50029—2003《空氣壓縮站設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)空壓機(jī)的備用規(guī)定如下：當(dāng)最大機(jī)組檢修時(shí)，除通過調(diào)配措施可允許減少供氣外，其余機(jī)組應(yīng)保證全廠生產(chǎn)的用氣量。

根據(jù)上述全廠用氣量一覽表和GB 50029—2003《空氣壓縮站設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定，采用4臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)作為供氣設(shè)備，3用1備。

綜合考慮《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[1]對(duì)儀用空壓機(jī)宜設(shè)2臺(tái)備用的要求，本工程共設(shè)置5臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)，3臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用。所選設(shè)備參數(shù)如下：每臺(tái)空壓機(jī)流量Q=167（m3/min）/3=56 m3/min，排氣壓力H=0.85 MPa，功率P=300 kW。

3.3 空氣后處理設(shè)備備用容量

空壓機(jī)出口采用母管制，不需要進(jìn)行后處理的熱機(jī)檢修用氣直接從空壓機(jī)出口母管上接出，其余則根據(jù)對(duì)空氣品質(zhì)的不同要求分成2類，一類為熱控控制（含除灰、脫硫控制）用氣，另一類為干灰輸送用氣。

GB 50029—2003《空氣壓縮站設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)儀用空氣后處理設(shè)備的備用規(guī)定如下：（1）當(dāng)用戶要求干燥壓縮空氣不能中斷時(shí)，應(yīng)選用不少于2套空氣干燥裝置，其中1套為備用。（2）除要求不能中斷供氣的用戶外，可不設(shè)置備用壓縮空氣過濾器。其中，熱控控制、除灰、脫硫儀用氣等級(jí)最高，必須保證供給。擬采用帶有前、后共3級(jí)過濾器的組合式干燥器處理壓縮空氣，具體流程如下：從空壓機(jī)出口空氣母管接管至組合式干燥器，干燥器設(shè)一級(jí)前置過濾器和二級(jí)后置過濾器，以保證空氣品質(zhì)要求。共設(shè)2套組合式干燥器系統(tǒng)，1運(yùn)1備，干燥器出口設(shè)儀用空氣母管。從儀用空氣母管上分別接管至熱控控制用氣點(diǎn)和除灰、脫硫控制用氣點(diǎn)。組合式干燥器空氣處理量60 m3/min，出口空氣壓力露點(diǎn)-40oC。

干灰輸送氣源采用冷干機(jī)系統(tǒng)，對(duì)空氣進(jìn)行后處理，具體流程如下：從空壓機(jī)出口空氣母管接至冷干機(jī)系統(tǒng)，冷干機(jī)前后各設(shè)一級(jí)過濾器，以保證空氣品質(zhì)要求。共設(shè)3套組合式冷干機(jī)系統(tǒng)，2運(yùn)1備，冷干機(jī)系統(tǒng)出口設(shè)干灰輸送用空氣母管。從干灰輸送用空氣母管上分別接管至兩爐干灰輸送用氣點(diǎn)。冷干機(jī)空氣處理量為50 m3/min，出口空氣壓力露點(diǎn)為2oC。

3.4 空壓機(jī)選型

傳統(tǒng)的氣缸－活塞式空壓機(jī)噪音大，性能不好，產(chǎn)氣品質(zhì)不良。隨著技術(shù)的進(jìn)步，螺桿式空壓機(jī)已經(jīng)取代活塞式空壓機(jī)，廣泛應(yīng)用于電站工程。世界品牌廠商Ingersoll—Rand、CompAir、Atlas Copco 等公司進(jìn)入中國(guó)，實(shí)現(xiàn)了部分部件國(guó)產(chǎn)化，使國(guó)內(nèi)螺桿式空壓機(jī)技術(shù)水平與國(guó)外幾乎同步。

螺桿式空壓機(jī)是具有螺旋狀轉(zhuǎn)子的容積式壓縮機(jī)，主要部件是1對(duì)陰陽轉(zhuǎn)子，隨著其彼此向前推動(dòng)，陰陽螺桿與機(jī)殼之間容積減小，以達(dá)到對(duì)空氣進(jìn)行壓縮的目的。每一個(gè)螺桿主機(jī)都有固定的內(nèi)壓縮比，它取決于轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度、節(jié)距和排氣口的形狀。為使效率最佳，壓縮比必須與所需的工作壓力相適應(yīng)。螺桿壓縮機(jī)不需要安裝氣閥，也沒有引起不平衡的機(jī)械力，因此，它可以在高轉(zhuǎn)速下工作，并具有小尺寸、大流量的優(yōu)點(diǎn)。由于螺桿壓縮機(jī)進(jìn)口和出口有壓力差，軸承須承受軸向力。最初螺桿是對(duì)稱形狀，現(xiàn)在已發(fā)展成不對(duì)稱形狀。

早期的螺桿壓縮機(jī)有對(duì)稱的型線，壓縮腔中不用噴液，稱為無油或干式螺桿壓縮機(jī)。1960年出現(xiàn)了不對(duì)稱型線的高速無油螺桿壓縮機(jī)，由于降低了內(nèi)泄漏，新轉(zhuǎn)子型線明顯提高了效率。干式螺桿壓縮機(jī)用外部的齒輪使一對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子保持同步，轉(zhuǎn)子之間不接觸，也不與機(jī)殼接觸，因此壓縮腔中不需要潤(rùn)滑，壓縮空氣是完全無油的。轉(zhuǎn)子與機(jī)殼經(jīng)精密加工，使壓力側(cè)到進(jìn)口的泄漏降至最小。單級(jí)的壓縮比受到進(jìn)氣與排氣之間溫度差的限制，這就是無油螺桿壓縮機(jī)通常設(shè)計(jì)成多級(jí)的原因。無油螺桿壓縮機(jī)價(jià)格昂貴，一般用于對(duì)壓縮空氣品質(zhì)要求極高的場(chǎng)合，一般工業(yè)企業(yè)不選用。

噴液螺桿壓縮機(jī)是將液體噴進(jìn)壓縮腔，通常也噴到壓縮機(jī)的軸承，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。噴液的作用是冷卻壓縮機(jī)的主機(jī)和防止氣體泄漏。最常用的液體是潤(rùn)滑油，因?yàn)橛陀辛己玫臐?rùn)滑作用。噴液螺桿壓縮機(jī)可以制成高壓縮比，單級(jí)壓縮機(jī)的壓力可以達(dá)到1.3 MPa。由于主機(jī)的內(nèi)泄漏低，這也表明即使是比較小的螺桿壓縮機(jī)也可以有較高的效率。

因此，在本工程設(shè)備選型中選用了噴液螺桿式空壓機(jī)。

3.5 空氣后處理設(shè)備

空壓機(jī)排出的壓縮空氣含有多余的物質(zhì)，如水滴或蒸汽、油滴或油霧、灰塵。低端用戶對(duì)此無要求，可以直接使用。但多數(shù)用戶會(huì)對(duì)空氣品質(zhì)提出要求，以滿足工藝需要，如熱控控制和干灰輸送等用戶?？諝夂筇幚碓O(shè)備（包括干燥設(shè)備和過濾器）為集成式模塊設(shè)計(jì)，壓縮空氣經(jīng)過空氣后處理設(shè)備后，油、水、塵得到分離，可以根據(jù)用戶對(duì)空氣品質(zhì)的不同要求，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)配置。

3.5.1 組合式空氣干燥器

儀用空氣后處理設(shè)備采用組合式空氣干燥器進(jìn)行空氣處理。組合式空氣干燥器結(jié)合了冷凍式空氣干燥器及無熱再生式空氣干燥器的優(yōu)勢(shì)，具有能耗低、再生耗氣量少（不大于進(jìn)氣量的3%）、露點(diǎn)溫度低（不大于-40℃）且穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

吸附塔進(jìn)口的壓縮空氣來自冷凍式空氣干燥器的蒸發(fā)器出口（壓縮空氣溫度為5℃左右），再生空氣為從吸附塔出口引出的干燥熱空氣。與傳統(tǒng)的串聯(lián)式干燥機(jī)相比，組合式空氣干燥器吸附溫度更低（傳統(tǒng)的吸附溫度在20℃左右），進(jìn)一步提高了吸附深度，在保證同樣的壓縮空氣露點(diǎn)的前提下，能耗更低，更具合理性，而再生過程卻是由高溫的干燥空氣來完成的，使再生過程在更短的時(shí)間內(nèi)完成，從而大大減少了再生耗氣量（不大于進(jìn)氣量的3%）。這是一般冷凍式空氣干燥器與無熱吸附式干燥器串聯(lián)流程所不能實(shí)現(xiàn)的。

3.5.2 冷凍式空氣干燥器

冷凍式空氣干燥器本質(zhì)上是一種熱交換設(shè)備，由空氣熱交換系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等部分組成。制冷系統(tǒng)由冷媒壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及節(jié)流組件（毛細(xì)管或膨脹閥）等組成。含有大量水蒸氣的壓縮空氣主要在蒸發(fā)器里完成汽-液冷凝相變，在汽水分離器里完成液態(tài)水的凝聚與排出，從而獲得干燥的壓縮空氣。制冷系統(tǒng)的工作狀況直接決定了冷凍式干燥機(jī)的運(yùn)行情況，而汽水分離器的結(jié)構(gòu)與效率對(duì)成品氣的干燥程度（用壓力露點(diǎn)來表示）有至關(guān)重要的影響。空氣熱交換器的設(shè)計(jì)關(guān)系到冷凍式干燥機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，并使壓縮空氣成品氣不至于在機(jī)器出口管道內(nèi)結(jié)露。

根據(jù)制冷系統(tǒng)中冷凝器工作時(shí)的冷卻方式分類，冷凍式干燥機(jī)可分為風(fēng)冷式與水冷式2種。風(fēng)冷式干燥機(jī)多應(yīng)用于小負(fù)荷及移動(dòng)性場(chǎng)合，受環(huán)境溫度影響較大；水冷式干燥機(jī)主要用于大負(fù)荷場(chǎng)合，受環(huán)境溫度影響較小，本工程采用水冷式干燥機(jī)。

3.6 儲(chǔ)氣罐及管網(wǎng)

壓縮空氣中心需要設(shè)儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存壓縮空氣，消除來自空壓機(jī)壓力的波動(dòng)，冷卻空氣和收集冷凝水。儲(chǔ)氣罐帶有安全閥和排污閥。合理的儲(chǔ)氣罐設(shè)置可以提高整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)的安全裕度，在極端情況下保證用氣工藝的安全運(yùn)行?？紤]到熱控專業(yè)儀用壓縮空氣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全至關(guān)重要，根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[1]中“當(dāng)全部空氣壓縮機(jī)停用時(shí)，熱工控制壓縮空氣系統(tǒng)的貯氣罐的容量應(yīng)能維持不小于5 min的耗氣量”規(guī)定，設(shè)置2個(gè)50 m3的儀用儲(chǔ)氣罐，以滿足儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力下降到0.6 MPa過程可持續(xù)向儀用氣用戶供氣5 min的要求。設(shè)置2個(gè)25 m3的儲(chǔ)氣罐，作為平穩(wěn)干灰輸送氣源用。設(shè)置1個(gè)25 m3的儲(chǔ)氣罐，作為機(jī)務(wù)檢修氣源用。

3.7 空壓機(jī)站控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

全廠空壓機(jī)站實(shí)行智能化控制，設(shè)中央控制單元，采取節(jié)能型自動(dòng)控制調(diào)節(jié)方式控制空壓機(jī)群。每臺(tái)空壓機(jī)本體內(nèi)置數(shù)碼智能控制器，只要輸入系統(tǒng)所需壓力及控制模式，正常運(yùn)行過程中不需要任何手工操作。中央控制單元根據(jù)系統(tǒng)壓力變化，優(yōu)化計(jì)算，自動(dòng)啟動(dòng)空壓機(jī)群中的不同空壓機(jī)，以滿足外部壓縮空氣需求，并實(shí)行輪換制式。中央控制單元還可以與集控室通訊，提供系統(tǒng)狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)?？諝夂筇幚碓O(shè)備的集控納入中央控制單元范圍。

全廠空壓機(jī)站采用儀用空氣優(yōu)先的原則，在機(jī)務(wù)檢修用氣儲(chǔ)氣罐和干灰輸送用氣儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣管線上設(shè)置氣動(dòng)閥門，當(dāng)儀用空氣供氣壓力滿足不了系統(tǒng)要求時(shí)，自動(dòng)依次關(guān)閉機(jī)務(wù)檢修用氣和干灰輸送用氣儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣閥。

4 空壓機(jī)站分置與統(tǒng)置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 空壓機(jī)站分置

按通常的分置空壓機(jī)站方式，本工程電廠各空壓機(jī)站的設(shè)置配套如下。

（1）除灰專業(yè)空壓機(jī)站。除灰專業(yè)空壓機(jī)站負(fù)責(zé)向除灰系統(tǒng)提供輸送用氣，須配置空氣流量50 m3/min，出口壓力0.85 MPa，功率290 kW等級(jí)的空壓機(jī)3臺(tái)，2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。共需要設(shè)3套冷凍式空氣干燥器系統(tǒng)，2套運(yùn)行，1套備用，冷凍式空氣干燥器空氣處理量50 m3/min，出口空氣壓力露點(diǎn)2oC。

（2）熱機(jī)專業(yè)空壓機(jī)站。根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[1]中有關(guān)熱工控制用和機(jī)務(wù)檢修用空壓機(jī)的設(shè)計(jì)要求：“運(yùn)行空壓機(jī)的臺(tái)數(shù)宜為2臺(tái)，總?cè)萘繎?yīng)能滿足熱工控制用氣動(dòng)設(shè)備的最大連續(xù)用氣量，并宜設(shè)置2臺(tái)備用”，及編制說明中“300 MW和600 MW機(jī)組宜分別配置4臺(tái)20 m3/min和40 m3/min容量的空氣壓縮機(jī)”，本工程需要配置4臺(tái)空氣流量40 m3/min、出口壓力0.85 MPa、功率250 kW等級(jí)的空壓機(jī)，負(fù)責(zé)向熱控、除灰控制、脫硫儀用、熱機(jī)檢修提供壓縮空氣，空壓機(jī)2臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用。共設(shè)3套組合式空氣干燥器系統(tǒng)，2運(yùn)1備，組合式空氣干燥器空氣處理量40 m3/min，出口空氣壓力露點(diǎn)-40oC。

空壓機(jī)站分置情況下的系統(tǒng)配置見表2。

表2 空壓機(jī)站分置配置表Tab.2 Configuration of compressed air station

4.2 空壓機(jī)站統(tǒng)置

當(dāng)采用全廠空壓機(jī)站統(tǒng)一配氣、供氣的方式向除灰、熱控等專業(yè)提供氣源時(shí)，全廠僅需要配置5臺(tái)空氣流量56 m3/min、出口壓力0.85 MPa、功率300 kW等級(jí)的空壓機(jī)，3臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用，即可滿足表1中列出的全廠最大壓縮空氣供氣量150 m3/min的要求，并符合GB 50029—2003《空氣壓縮站設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]和《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》對(duì)空壓機(jī)的備用規(guī)定。

4.3 分置與統(tǒng)置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從空壓機(jī)站分置與統(tǒng)置2種配置方式的論述中可以看出：如果采用空壓機(jī)站分置方式，除灰、熱機(jī)分設(shè)2處空壓機(jī)站，各專業(yè)空氣供應(yīng)各行其道，自成系統(tǒng)，備用設(shè)備臺(tái)數(shù)多，設(shè)備總量及品種多，設(shè)備布置點(diǎn)分散，維護(hù)管理工作大，系統(tǒng)調(diào)控性能差，建筑面積增加；空壓機(jī)站統(tǒng)一設(shè)置，不僅可以減少設(shè)備總量、建筑面積和起吊設(shè)施，并且系統(tǒng)調(diào)控性能得到提高，維護(hù)管理也更方便。

空壓機(jī)站分置與統(tǒng)一布置2種配置方式經(jīng)濟(jì)比較見表3。

表3 空壓機(jī)站分置、統(tǒng)置方式經(jīng)濟(jì)比較Tab.3 Economic comparison of compressed air station

5 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于全廠空壓機(jī)站的設(shè)置方式，推薦采用全廠統(tǒng)一布置供氣的方式集中供氣，并根據(jù)工程條件，選擇合適的機(jī)組，可以減少設(shè)備備用數(shù)量、監(jiān)控費(fèi)用和維修費(fèi)用，減小壓縮裝置占地面積。

[1]DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DL/T 5142—2002火力發(fā)電廠除灰設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB 50029—2003壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[4]GB 3857—1998容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)[S].

[5]GB 10893—1989壓縮空氣干燥器規(guī)范與試驗(yàn)[S].

[6]陳永江.容積式壓縮機(jī)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1985.

[7]徐明.壓縮空氣站設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[8]江蛟，高嘉梁,，王志斌.華能巢湖電廠2×600 MW工程創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè)，2010，31（1）：72-76.