散貨碼頭壓縮空氣系統(tǒng)設計探討

皇甫昊

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430071）

1 引言

壓縮空氣作為散貨碼頭作業(yè)中最環(huán)保的動力源，負擔著轉運站除塵器噴吹清灰任務，對碼頭作業(yè)安全穩(wěn)定運行起著不可忽視的作用。制備壓縮空氣的常規(guī)設計一般為單元式，即為每個用氣點配置小型空壓機作為供氣源。其優(yōu)點是運行靈活，操作方便。然而，對于規(guī)模較大的散貨碼頭，數(shù)十臺除塵器分布于各轉運站物料轉接點。常規(guī)設計方案有以下缺點：（1）工程能耗大，總占地面積大，增加工程投資；（2）設備布置分散，管理和維護難度大；（3）空壓機噪聲大，對工作環(huán)境和人員健康影響大。因此，更合理的方案是將壓縮空氣集中式配置，即在用氣負荷中心區(qū)域集中設置空壓站，通過空壓管網(wǎng)輸配至各轉運站提供氣源。

2 工程概況

某港區(qū)碼頭工程建設規(guī)模為：建設50 000DWT（載重噸）散貨泊位 3個。年吞吐量 1 430×104t，其中，散貨進口 780×104t，散貨出口650×104t。貨種主要包括：煤炭、錳礦、鋅礦、礦建材料等。碼頭后方陸域堆場設有17 個轉運站，各轉運站內配套脈沖布袋式除塵器1~3 臺，共計37 臺。

為保證脈沖布袋式除塵器正常工作，需定期開啟脈沖閥用壓縮空氣進行噴吹清灰。因此，考慮在用氣負荷中心區(qū)域集中設置空壓站1 座。

空壓站的規(guī)模首先需要滿足工藝負荷需求，即確定合理的空壓站機組用氣量。參考規(guī)范HGT 20510—2000《儀表供氣設計規(guī)定》【1】和SH 3020—2001《石油化工儀表供氣設計規(guī)范》【2】，確定空壓站供應用氣量 Q 見公式（1）：

式中，Q 為壓縮空氣用氣量，m3/min；K1為供氣管網(wǎng)泄露系數(shù)，通常取0.1～0.3；K2為考慮瞬時耗氣量的修正系數(shù)，通常取2；ΣQr為各類儀表標準狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)耗氣量總和，m3/h。

單臺除塵器吹掃風量取值為0.3m3/min，風壓0.6MPa。結合皮帶機工藝系統(tǒng)流程，除塵設備不會全部同時吹掃，確定同時工作的除塵器最大臺數(shù)為24 臺。供氣管網(wǎng)采用鍍鋅鋼管，管網(wǎng)泄露系數(shù)取0.2，富余量按20%考慮。此外，還應考慮空壓機組干燥過程中的空氣損失，以確定足夠的空壓機組負荷。

碼頭壓縮空氣用氣量確定為：12.7m3/min（0.6MPa）。

3 壓縮空氣系統(tǒng)設計要點分析

3.1 壓縮空氣質量等級標準

壓縮空氣質量等級決定了整個空壓站工藝系統(tǒng)流程，但在設計階段往往疏于分析，將標準設定得很高，造成能源浪費。GB/T 13277—1991《一般用壓縮空氣質量等級》根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)中存在的塵埃顆粒度、水分和油分3 種主要污染物的殘余含量，將壓縮空氣分為6 個等級，1 級質量最高，6 級質量最低。

本工程壓縮空氣的用途是吹掃除塵器濾袋，對塵埃顆粒度、水分和油分含量均有一定要求。壓縮空氣質量等級選擇不當會導致以下后果：

1）塵埃顆粒粒徑和濃度過大，會磨損空壓管道和除塵濾袋，降低使用壽命；

2）過多的水分和油分會造成管道的腐蝕，甚至污染整個壓縮空氣系統(tǒng)，同時也會污染除塵器濾袋，導致除塵效率下降；

3）盲目不加區(qū)分地將所需壓力露點定在較低水平，會導致不必要的能源浪費，增加投資成本。

綜上所述，本工程壓縮空氣質量等級宜為3 級，即用氣品質（含油量）≤5mg/m3，壓力露點溫度-20℃。

3.2 空壓機選型

壓縮機作為空壓站的核心設備，選型需全面審度，既要考慮可靠的技術性能，同時，也要求有最佳的利用率和使用壽命。工程上采用較多的壓縮機形式有3 種，分別為活塞式、螺桿式和離心式【3】，表1 列出了3 種壓縮機各性能的比較。

表1 空氣壓縮機性能比較

3.2.1 活塞式空壓機

活塞式空壓機的特點是壓力范圍大，氣量小，設備價格低，初期投資低，使用壽命長，設備體積大且笨重。一般而言，對于中小氣量、高壓力或超高壓力時，可選用活塞式壓縮機。

3.2.2 螺桿式空壓機

螺桿式空壓機的單機容量多在100m3/min 以下，而且在0.6~1.0MPa 較寬的排氣壓力區(qū)間，具有多種容積流量的變化。同時，外形美觀，噪聲小，無振動，布置便捷、整齊。

3.2.3 離心式空壓機

離心式空壓機排氣量范圍大，結構緊湊、質量輕，供氣品質高，大排量時效率高且有利于節(jié)能。大中流量，低、中、高壓力時，可采用離心式壓縮機。

本工程壓縮空氣用氣特點為用氣量較大，用氣量穩(wěn)定、波動較小，且壓力較高。同時，考慮到空壓站位于用氣負荷中心，對降噪減震要求較高，綜合上述分析，考慮采用風冷螺桿式空氣壓縮機。

3.3 后處理設計

3.3.1 干燥機

干燥機的原理是將高熱的壓縮空氣通過冷媒壓縮機降到露點溫度，釋放出壓縮空氣當中99%的水分。因此，壓力露點是干燥過程需要重點考慮的因素。

根據(jù)不同要求，壓縮空氣的干燥方式一般分為吸附式和冷凍式。其適用特點分別為：

1）當壓力露點要求較低時，一般采用冷凍式干燥器，其具有流量范圍大、供氣連續(xù)、壓力穩(wěn)定且無壓縮空氣消耗等特點；

2）當壓縮空氣壓力露點要求較高時，一般采用吸附式干燥器或冷凍吸附復合式干燥器。

本工程壓縮空氣質量等級為3 級，考慮到工程所在地為夏熱冬冷地區(qū)，冬季通風室外計算溫度為1.8℃，對壓力露點要求較低，采用冷凍干燥機較為合適?？紤]到與螺桿壓縮機的冷卻形式，冷凍干燥機也采用風冷式，便于統(tǒng)一考慮通風措施。

3.3.2 過濾器

過濾器的原理是利用物理阻隔技術來分離介質中其他成分。為達到壓縮空氣質量3 級標準，管路過濾器應能除去大量的液體及5mg/m3以上固體微粒，有少量的水分、灰塵和油霧?？紤]到5mg/m3以上粒徑對空壓設備及管路的磨損，采用粗過濾器在先、精過濾器在后的二級過濾方式。將粗過濾器設置在空壓機出口之后，冷凍式干燥器之前，作前處理及保護管路之用；精過濾器設置在冷凍式干燥器之后，儲氣罐之前。用于冷干機之前。壓縮空氣中95%以上的水滴、油液以及大顆粒已被第一濾芯濾除，經(jīng)第一級過濾后的壓縮空氣進入了第二級濾芯。在第一級過濾沒有被濾除的水滴再次被氣化、轉換、濾除，同時，小到5mg/m3的顆粒也被第二級濾網(wǎng)完全清除。經(jīng)兩級過濾達到無塵、無銹、無油、無水滴的干凈、干燥的壓縮空氣，保障氣動設備的正常運行，延長氣動設備使用壽命。

3.3.3 儲氣罐

儲氣罐容積的選取主要是考慮在較小的時間區(qū)間內用氣量的波動大小。對于較小的時間區(qū)間內用氣量波動不大的場合，不會對整個系統(tǒng)造成很大的負荷沖擊。從整個散貨碼頭范圍來看其個數(shù)多、分布廣、單個設備用氣量小，整體考慮其實用氣量波動并不大，也不會過多地影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，儲氣罐容積應通過綜合考慮空壓站規(guī)模和用氣特點來選取。若在較小的時間區(qū)間內用氣量的波動很大，則選擇上限；若波動較小，則可酌情減小儲氣罐容量的適配。

3.4 空壓站工藝系統(tǒng)

根據(jù)GB 50029—2003《壓縮空氣站設計規(guī)范》備用機組配置原則【4】，結合工程實際，正常供應碼頭工程用氣的空壓機組（含后處理設備）為1 套，當機組檢修時，備用機組供氣量與供氣壓力均不小于碼頭生產(chǎn)所需供氣量及供氣壓力，且空壓機組的型號不宜超過2 種。因此，考慮配置相同型號空壓機組2 套，并聯(lián)連接，共用1 個儲氣罐，以保證碼頭生產(chǎn)正常供氣。綜上所述，本散貨碼頭工程空壓機空壓站工藝系統(tǒng)如圖1 所示。

3.5 管網(wǎng)系統(tǒng)設計

本工程管網(wǎng)以架空敷設為主，穿越堆場的管段采用直埋敷設。散貨碼頭用氣點分散，空壓站與散貨堆場遠側的最不利用氣點相距1.4km，極易導致管道水利失衡，造成用氣點氣量不均。因此，在堆場遠側設置儲氣緩沖罐，并在管網(wǎng)每段支管始端設置關斷閥門，每個轉運站入口處設置調節(jié)閥。如圖2 所示（圖中，ZYZ+數(shù)字代表轉運站編號，KYZ 代表空壓站）。上述措施便于校核水力失衡，且當某管段有故障需要維修時，只要關閉該段管道的供氣閥門而不影響其他轉運站用氣點。當大部分轉運站都不用氣時，可關閉這部分轉運站供氣閥而只開用氣轉運站的供氣閥，避免了不必要的管道漏損。

4 結語

本文以實際工程為例，根據(jù)壓縮空氣用氣量、氣體質量等級、運行使用特點等因素，結合散貨碼頭總圖布置，分析了集中式供氣方案、壓縮機和后處理設備選型及室外壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)等設計要點。隨著我國工業(yè)化建設不斷深入，壓縮空氣在工業(yè)生產(chǎn)中的應用必將日益廣泛。本文的分析探討旨在為散貨碼頭及其他相關領域的壓縮空氣系統(tǒng)設計提供參考。

圖1 空壓站工藝系統(tǒng)圖

圖2 壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)