火力發(fā)電廠(chǎng)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能探究

劉曉東

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源517025）

火力發(fā)電廠(chǎng)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能探究

劉曉東

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源517025）

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)在火力發(fā)電廠(chǎng)中是必不可少的重要的系統(tǒng)之一，并且無(wú)時(shí)不刻都在運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化和廢熱利用，會(huì)為電廠(chǎng)、社會(huì)節(jié)能降耗做出巨大的貢獻(xiàn)。本文著重從空壓系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制（PLC）、壓縮氣體智能流量控制器（I F C）和空氣壓縮機(jī)廢熱回收節(jié)能3個(gè)方面來(lái)闡述火力發(fā)電廠(chǎng)空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)包括后處理設(shè)備的控制管理、流量管理、余熱再利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

發(fā)電廠(chǎng)；空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化；廢熱利用；節(jié)能

火力發(fā)電廠(chǎng)的空氣壓縮機(jī)站通常由多臺(tái)空氣壓縮機(jī)組成，每臺(tái)空氣壓縮機(jī)都由一臺(tái)電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)，獨(dú)立進(jìn)行控制，供氣系統(tǒng)連成網(wǎng)絡(luò)?？諝鈮嚎s機(jī)站一般按最大工作負(fù)荷而設(shè)計(jì)的，在實(shí)際運(yùn)行中，如果整個(gè)系統(tǒng)用氣量少時(shí)，啟動(dòng)1～2臺(tái)空氣壓縮機(jī)組即可滿(mǎn)足用氣要求；用氣量大時(shí)，啟動(dòng)多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行從而達(dá)到穩(wěn)定氣壓、保證系統(tǒng)供氣量的目的。在供氣系統(tǒng)預(yù)設(shè)管網(wǎng)壓力定值后，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)在預(yù)設(shè)壓力定值的下限與上限之間自動(dòng)控制空氣壓縮機(jī)的加載與卸載，來(lái)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)用氣量的自動(dòng)控制。

本文著重論述的是某發(fā)電廠(chǎng)6臺(tái)600 HP空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制優(yōu)化方案和廢熱回收等節(jié)能措施，為其他電廠(chǎng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能、改造提供了借鑒。

1 基本環(huán)境

某火力發(fā)電廠(chǎng)一期工程為2臺(tái)600 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，公共系統(tǒng)配備6臺(tái)600 HP的螺桿式空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)供氣壓力為0.7 MPa，最大工況設(shè)計(jì)供氣量為300 Nm3/min，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行方式為4運(yùn)2備。

采用壓縮空氣后處理裝置使壓縮空氣達(dá)到氣動(dòng)儀表用壓縮空氣的質(zhì)量等級(jí)，當(dāng)空氣壓縮機(jī)冷卻水進(jìn)口溫度為30℃、空氣壓縮機(jī)進(jìn)口空氣溫度不高于40℃、排氣壓力不低于0.8 MPa時(shí)，單臺(tái)空氣壓縮機(jī)出力不小于85 Nm3/min.

2 方案設(shè)計(jì)依據(jù)

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制是針對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)的生產(chǎn)使用工藝要求而設(shè)計(jì)的自動(dòng)化監(jiān)視系統(tǒng)。通過(guò)智能化的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)及其輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)視，以保證整個(gè)壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定、合理和高效的運(yùn)行。

通過(guò)PLC(Programmable Logic Controller)軟件程序優(yōu)化、IFC節(jié)能控制器對(duì)用氣端管理、廢熱利用以及電氣設(shè)備選型，參照監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用要求，結(jié)合了多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。方案設(shè)計(jì)中充分考慮了性?xún)r(jià)比和系統(tǒng)的合理性，最大限度地滿(mǎn)足需方的要求，同時(shí)兼顧中國(guó)及國(guó)際相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)。

3 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方案

3.1 空壓系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制節(jié)能

PLC聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象如表1所示。

表1 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)象清單

圖1為螺桿式空壓機(jī)的工作原理圖，PLC聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)表現(xiàn)的就是對(duì)空壓機(jī)與干燥機(jī)（冷卻器）的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)一鍵啟停、無(wú)人值守的目的。

圖1 火力發(fā)電廠(chǎng)空壓機(jī)系統(tǒng)

螺桿式壓縮機(jī)設(shè)備通過(guò)通訊總線(xiàn)采集數(shù)據(jù)，而組合式干燥機(jī)設(shè)備通過(guò)硬結(jié)線(xiàn)采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)?？諝鈮嚎s機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)操作站組成，采用分層分級(jí)監(jiān)測(cè)管理的原理，逐一、逐級(jí)進(jìn)行檢測(cè)、管理、優(yōu)化運(yùn)行，而分層管理又分為現(xiàn)場(chǎng)層和信息層兩個(gè)級(jí)別。

處于現(xiàn)場(chǎng)層的空氣壓縮機(jī)及其輔助設(shè)備均配備了完善可靠的本機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備和電氣保護(hù)裝置，可以獨(dú)立完成本機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和自我保護(hù)，而在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不投運(yùn)的情況下，也能正常地進(jìn)行單機(jī)工作。此時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不對(duì)壓縮機(jī)及其輔助設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行邏輯和保護(hù)進(jìn)行操作。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息傳遞和控制執(zhí)行是通過(guò)信息層的計(jì)算機(jī)操作站來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用戶(hù)可以在操作站上觀(guān)察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)是否偏離或者嚴(yán)重偏離正常值，為下一步是否采取必要措施提供了參考。這一切都是由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息層來(lái)自動(dòng)跟蹤和實(shí)現(xiàn)的。

計(jì)算機(jī)操作站的監(jiān)視軟件選用美國(guó)GE公司的iFIX工業(yè)自動(dòng)化軟件平臺(tái)，又對(duì)其進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，更貼合某電廠(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，達(dá)到最大限度的安全運(yùn)行、節(jié)能優(yōu)化的功能。它有如下特點(diǎn)：

（1）友好的人機(jī)操作界面，方便的導(dǎo)向性操作菜單，圖形設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，色彩應(yīng)用合理；

（2）實(shí)時(shí)采集和顯示空氣壓縮機(jī)設(shè)備及其輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程的檢測(cè)數(shù)據(jù)的記錄；

（3）自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備報(bào)警和故障提示；

（4）采用用戶(hù)權(quán)限的管理方法，密碼輸入，進(jìn)行系統(tǒng)操作安全性限制；

（5）可以根據(jù)需方要求定制輸出中文數(shù)據(jù)報(bào)表；系統(tǒng)具有大容量數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，可以保證一年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，并且提供了快速方便的歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)和檢索功能；

（6）通過(guò)PLC對(duì)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制，可對(duì)現(xiàn)有機(jī)器使用情況做到自動(dòng)轉(zhuǎn)換，無(wú)需人工干預(yù)而達(dá)到減少開(kāi)機(jī)次數(shù)或者減少運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能降耗目的。

3.2 IFC（Inte lligent flow contro ller）智能流量控制器

3.2.1 壓縮氣體用氣端優(yōu)化

節(jié)能控制器是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用在壓縮氣體后處理設(shè)備之后、或者用氣設(shè)備之前的一種節(jié)能裝置，它配置了有用儲(chǔ)存信息，根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際需求，以最低壓力、最優(yōu)模式提供可靠的壓縮空氣。

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)供氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)與各用戶(hù)的需求參數(shù)之間的遠(yuǎn)程聯(lián)系由IFC來(lái)建立，即由IFC控制器時(shí)刻監(jiān)控管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力，它可以精確到±1psi.當(dāng)用戶(hù)出現(xiàn)短暫的峰值用氣需求時(shí)，它首先控制系統(tǒng)從中間儲(chǔ)氣壓力罐體中釋放壓縮空氣來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)當(dāng)時(shí)的用氣需求，而不再是靠再啟動(dòng)另外一臺(tái)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)直接滿(mǎn)足用戶(hù)需求。當(dāng)用戶(hù)端的壓力下降且不足以維持設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，IFC發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)新的壓縮機(jī)增加產(chǎn)氣量提升系統(tǒng)的壓縮空氣壓力，達(dá)到最低的需求壓力時(shí)，空氣壓縮機(jī)自動(dòng)加、卸載運(yùn)行平衡系統(tǒng)壓力。一旦系統(tǒng)不再大量需求壓縮空氣，那IFC會(huì)自動(dòng)尋優(yōu)切掉一臺(tái)或者兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)，最大限度地達(dá)到節(jié)能的目的。

3.2.2 用氣端優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)

用氣端優(yōu)化的流程圖如圖2所示，即在原來(lái)空壓機(jī)產(chǎn)、供氣系統(tǒng)上增加一個(gè)虛框內(nèi)的設(shè)備IFC，用以對(duì)供氣端進(jìn)行調(diào)整和管理。

圖2 帶智能流量控制系統(tǒng)的火力發(fā)電廠(chǎng)空壓機(jī)系統(tǒng)

空氣壓縮機(jī)能效提高。通過(guò)IFC使得壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)按用氣端的需求壓力能夠以最低壓力、最優(yōu)模式來(lái)提供，這樣，空氣壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)和實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間便有了降低的空間或可能；也是因?yàn)镮FC的存在，使得空氣壓縮機(jī)不需要再對(duì)用戶(hù)的動(dòng)態(tài)用氣需求做出直接回應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)運(yùn)行效用的優(yōu)化，同時(shí)減少了設(shè)備的磨損，使維護(hù)、保養(yǎng)、更換備件周期加長(zhǎng)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。詳細(xì)見(jiàn)圖3所示的有/無(wú)IFC時(shí)的供氣端壓力管理曲線(xiàn)。

圖3 無(wú)智能流量控制器和有智能流量控制器的用氣端壓縮空氣輸出曲線(xiàn)圖

生產(chǎn)用氣品質(zhì)提升：從圖2也可以看出，IFC節(jié)能控制器精準(zhǔn)的壓力輸出（±1psi），大大地降低了用氣端的大幅度壓力波動(dòng)，為末端用戶(hù)提供了高品質(zhì)的氣源，有效地保證了設(shè)備的性能使用，減少了壓力沖擊等對(duì)設(shè)備的磨損和消耗，無(wú)形中延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

3.2.3 節(jié)能效果評(píng)估

以停運(yùn)1臺(tái)空氣壓縮機(jī)或者延長(zhǎng)1臺(tái)空氣壓縮機(jī)的卸載時(shí)間為例，來(lái)計(jì)算節(jié)省用電費(fèi)：

1臺(tái)85 Nm3/h的空氣壓縮機(jī)（600 HP/450 kW）、運(yùn)行：24 hrs×150 days、加載70%~30%，年節(jié)省能耗：1 231 200 kWh.按目前電費(fèi)0.65元/kWh計(jì)算，年節(jié)省電費(fèi)800 280元/年。

以上還不包括設(shè)備減少磨損、備件消耗、人工檢修等成本，節(jié)能效果相當(dāng)可觀(guān)。

3.2.4 小結(jié)

IFC壓縮氣體節(jié)能控制器的存在，改變了現(xiàn)在空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)中的4運(yùn)2備的設(shè)備狀態(tài)，減少了空氣壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)的運(yùn)行，避免了設(shè)備長(zhǎng)期在卸載狀態(tài)，不但大大降低了廠(chǎng)用電率，而且減少了空氣壓縮機(jī)的磨損，降低了備件的消耗。

3.3 空氣壓縮機(jī)廢熱回收節(jié)能

3.3.1 空氣壓縮機(jī)廢熱回收器原理

火電廠(chǎng)600HP是水冷式空氣壓縮機(jī)，廢熱回收系統(tǒng)其原理是把空氣壓縮機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，利用同程截流式反串熱泵做熱交換回收出來(lái)，經(jīng)過(guò)循環(huán)加熱達(dá)到所需求參數(shù)的熱水。一方面使運(yùn)行的機(jī)組得到正常的冷卻，另一方面減少其他能耗設(shè)備的運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

空氣壓縮機(jī)熱水器主體熱泵并非簡(jiǎn)單和傳統(tǒng)的冷熱交換形式，其采用同程截流式反串熱泵，使冷熱交換效果大增到1.8～2.0倍。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）水溫恒定，不受外界溫度影響；（2）熱回收率高，計(jì)算熱回收效率可達(dá)80%以上；（3）安全、衛(wèi)生、方便；（4）降低空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音，減少了對(duì)周邊環(huán)境的噪聲污染；（5）提高空氣壓縮機(jī)的產(chǎn)氣量，降低故障率，延長(zhǎng)保養(yǎng)周期和設(shè)備的使用壽命；（6）系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行、定溫智能控制，無(wú)需專(zhuān)人值守。

3.3.2 節(jié)能效果評(píng)估

根據(jù)空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)得知：如果1臺(tái)600 HP空氣壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的廢熱回收效率按85%，進(jìn)水溫度為20℃，出水溫度為65℃來(lái)計(jì)算，它的產(chǎn)水量計(jì)算約為5m3/h.

按電廠(chǎng)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)每天為3臺(tái)600 HP正常運(yùn)行，熱回收改造后一天回收的熱量為：5×3×24 =360m3/天。

在相同條件下，對(duì)1 t初始水溫為20℃的生活用水進(jìn)行加熱，使水溫升高至65℃所需要的熱量為：1000 kg×（65-20）℃×1 Kcal/kg℃=45 000 Kcal.

熱水機(jī)組回收系統(tǒng)與其他能源設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比參數(shù)，詳見(jiàn)表2.

表2 熱水機(jī)組回收系統(tǒng)與其他能源設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比參數(shù)

從上述的表格對(duì)比情況來(lái)看，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量如果被有效地利用起來(lái)，是廢熱再利用、節(jié)能、環(huán)保良好的典范。

從客觀(guān)的情況來(lái)說(shuō)，火力電廠(chǎng)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)是幾乎沒(méi)有停運(yùn)時(shí)候的，其連續(xù)產(chǎn)生的熱量就會(huì)源源不斷地向外輸出，造福人類(lèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文著重從3個(gè)方面來(lái)說(shuō)明火力發(fā)電廠(chǎng)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)重要的的節(jié)能方式，它們分別是：空壓系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制，IFC壓縮氣體節(jié)能控制器和空氣壓縮機(jī)廢熱回收節(jié)能。

通過(guò)第一方案PLC空壓系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制和第二方案IFC壓縮氣體節(jié)能控制器相結(jié)合，把現(xiàn)在主機(jī)房4運(yùn)2備的狀態(tài)改變，合理減少運(yùn)行機(jī)組的數(shù)量，且能在設(shè)備主動(dòng)停用或者故障時(shí)，PLC系統(tǒng)又能自動(dòng)根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力情況啟動(dòng)備用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓力補(bǔ)充，且不會(huì)影響正常生產(chǎn)用氣，這樣會(huì)節(jié)省更多廠(chǎng)用電以及減少空氣壓縮機(jī)的磨損、備件消耗。

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)是給設(shè)備提供合格的、穩(wěn)定壓縮空氣的系統(tǒng)，是電廠(chǎng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)必不可缺少的重要的系統(tǒng)之一，如果對(duì)設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行和運(yùn)行中產(chǎn)生的廢熱得到綜合利用，能為電廠(chǎng)和社會(huì)帶來(lái)更巨大的效益。

Optimization and Energy Saving of Air Compressor System in Thermal Power Plant

LIU Xiao-dong
（Deep Energy and Electric Power（Heyuan）Co.，Ltd.，Heyuan Guangdong 517025，China）

Air compressors is a necessariers and important system in the thermal power plant，always in operation of the air compressor system optimization and waste heat utilization，for power plants make a great contribution，society，saving energy and reducing consumption. This paper from the air pressure system network control，compressed gas intelligent traffic controller (IFC) and an air compressor waste heat recovery energy-saving three aspects to elaborate the air compressor system in the thermal power plant energy saving optimization design. The air compressor system includes the control and management of the post processing equipment，flow management，waste heat reuse，so as to achieve the purpose of energy saving.

power plant；air compressors system optimize；waste heat utilization ；energy saving

T M 621.7

A

1672-545X（2016）09-0171-04

2016-06-16

劉曉東（1969-），男，吉林長(zhǎng)春人，本科，高級(jí)工程師，多年從事電力設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、檢修等工作。