大型發(fā)電廠建設(shè)集中供氣空壓站方案研究

嚴(yán)妉妉

(東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，南京 210096)

2003年，英國發(fā)表的能源白皮書《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟》第一次提出了低碳經(jīng)濟的概念，其宗旨是將大氣中的溫室氣體濃度穩(wěn)定在不對氣候系統(tǒng)造成危害的水平，實質(zhì)是提高能源利用率和創(chuàng)建清潔能源結(jié)構(gòu)[1]。自此，全球都在以“低碳、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展”為目標(biāo)進行重大變革。2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，我國提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！边@一鄭重承諾表明了我國對今后開展實施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)全面綠色轉(zhuǎn)型調(diào)整，節(jié)能減排降耗工作的決心和信心。建設(shè)高效集中供氣空壓站作為區(qū)域內(nèi)的配套基礎(chǔ)設(shè)施，替代區(qū)域內(nèi)小型高能耗空壓機，實現(xiàn)集中供壓縮空氣，可以提高供氣效率，降低區(qū)域能耗總量和企業(yè)用氣成本，促進區(qū)域節(jié)能和碳減排的同時推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，為“30·60雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻一份力量。

1 區(qū)域空壓風(fēng)負荷調(diào)研

壓縮空氣作為第四大工業(yè)能源，是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動力源之一，應(yīng)用范圍遍及石油、化工、冶金、電力和機械等行業(yè)和部門。

國內(nèi)某一國家級高新科技園區(qū)，集中了以醫(yī)藥企業(yè)、電子和制造企業(yè)為首的生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品競爭力強和科技含量高的部分用氣企業(yè)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些用氣企業(yè)大多采用小型螺桿式空壓機和少數(shù)活塞式空壓機，空壓機的能效等級大部分處于二級能耗水平，空壓風(fēng)用戶調(diào)查負荷總量為5 800 m3/min。經(jīng)過篩選，將其中能效等級較低、用氣最高使用壓力低于等于0.8 MPa、用戶年用氣時長大于等于8 000 h的用氣企業(yè)作為一期優(yōu)先供氣用戶，合計24家用戶，用氣負荷約2 000 m3/min。

2 大型發(fā)電廠現(xiàn)狀概述

2.1 大型發(fā)電廠現(xiàn)狀

國內(nèi)某一大型發(fā)電廠，距離用氣企業(yè)所在高新科技園區(qū)1 km處，目前裝機規(guī)模為1臺300 MW燃煤機組，2臺600 MW級超超臨界燃煤機組，2020年區(qū)域供熱平均負荷為400 t/h。

2.2 供熱氣源分析

發(fā)電廠供熱負荷能力見表1。

表1 發(fā)電廠供熱負荷能力

根據(jù)發(fā)電廠反饋信息，表1中可用于汽動空壓機的汽源為：300 MW機組熱再供熱(50 t/h)、單臺600 MW機組一抽供熱(30 t/h)、單臺600 MW機組三抽供熱(10 t/h)、單臺600 MW機組熱再抽汽供熱(150 t/h)。

3 建設(shè)集中供氣空壓站方案比較

3.1 空壓機驅(qū)動方式選擇

空壓機組驅(qū)動方式主要有汽輪機驅(qū)動和電動機驅(qū)動兩種形式，其中汽驅(qū)形式可以分為背壓式汽輪機和凝汽式汽輪機兩種形式。從技術(shù)可靠性來看，汽驅(qū)空壓機形式在各企業(yè)中已大量應(yīng)用，機組本體技術(shù)方面沒有問題?；鹆Πl(fā)電廠中給水泵和引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)非常成熟，近幾年來660 MW及1 000 MW 火力發(fā)電廠中大量采用了100%容量汽動給水泵及汽動引風(fēng)機的方案，故采用汽輪機驅(qū)動空壓機的技術(shù)方案是成熟可靠的。

3.2 空壓機選型

按照壓縮氣體的方式不同，空壓機通常分容積式壓縮機(包括活塞式壓縮機、回轉(zhuǎn)式壓縮機等)和透平式壓縮機(包括離心式壓縮機、軸流式壓縮機)。各類壓縮機的使用范圍如圖1所示。

圖1 各類壓縮機的使用范圍

一般回轉(zhuǎn)式壓縮機宜用于低壓力，中、小流量的場合；活塞式壓縮機宜用于高壓力，中、小流量的場合；相反離心式壓縮機適用于低、中壓力，大流量場合，且離心式壓縮機具有無油，轉(zhuǎn)速高，可用蒸汽透平帶動，用氣量越大，經(jīng)濟性和優(yōu)勢越突出的優(yōu)勢。

根據(jù)負荷調(diào)研，本空壓站擬定壓縮空氣設(shè)計負荷為2 000 m3/min，排氣壓力為0.95 MPa，因此本集中供氣站優(yōu)選離心式空壓機。

3.3 機組方案配置

3.3.1 工藝流程

集中供氣站主設(shè)備工藝部分由初過濾工段、壓縮工段、干燥凈化工段和產(chǎn)品輸出工段組成。空氣經(jīng)自潔式過濾器進入空壓機，經(jīng)空壓機壓縮后氣體進入干燥器干燥，除水和除雜質(zhì)后送至用戶。壓縮機出口氣體溫度控制在120 ℃左右。

空壓機壓縮后的空氣進入干燥器，干燥器利用空壓機高溫排氣的熱量直接加熱再生，最大程度節(jié)約能量。干燥過程分為加熱、干燥和冷卻等三個過程，最終冷卻完的氣體經(jīng)計量后送至用戶廠區(qū)外1 m處。

本供氣站擬定方案如下：

方案一：2×7 MW背壓式汽輪機組拖動2×1 000 m3/min空氣壓縮機組+3×400 m3/min電動空氣壓縮機組(備用)。

方案二：2×7 MW純凝式汽輪機組拖動2×1 000 m3/min空氣壓縮機組+3×400 m3/min電動空氣壓縮機組(備用)。

方案三：5×500 m3/min電動空氣壓縮機組(四用一備)。

3.3.2 汽動空壓機氣源方案

根據(jù)第二節(jié)可用供熱汽源分析及發(fā)電廠提供的熱平衡圖和實際運行供熱數(shù)據(jù)，機組的抽汽壓力會因發(fā)電功率變化而變化，發(fā)電廠實際高參數(shù)蒸汽情況見表2

表2 發(fā)電廠實際高參數(shù)蒸汽情況表

3.3.3 運行方案主要技術(shù)指標(biāo)比較

在相同邊界條件下，對空壓機不同驅(qū)動方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較。機組運行情況見表3，機組比較邊界條件見表4。

表3 機組運行情況表

表4 機組比較邊界條件

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對擬定的三個方案進行技術(shù)指標(biāo)分析計算，主要技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果見表5。

表5 主要技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果

由表5可以看出，從能耗的角度，純凝式汽輪機拖動空壓機因其冷端損失大，因而方案二供氣標(biāo)煤耗最高，且循環(huán)冷卻水量大，現(xiàn)場難以滿足要求。背壓式汽輪機拖動空壓機組因其熱風(fēng)聯(lián)產(chǎn)，生產(chǎn)壓縮空氣的同時進行供熱，能源利用效率最高，因此方案一供氣標(biāo)煤耗最低。若僅考慮燃料成本，方案一的供氣成本也最低。從總投資和運行操作的角度，方案一和方案二采用汽輪機拖動空壓機組，設(shè)備、土建和控制系統(tǒng)投資成本均要高于方案三純電動空壓機組。方案一背壓式拖動空壓機組可能會遇到供熱蒸汽消納能力有限的情況導(dǎo)致拖動能力不足，需要切換為電動空壓機，控制較方案二和方案三復(fù)雜。

綜上所述，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，淘汰方案二純凝式汽動空壓機組。

3.4 節(jié)能減碳分析

3.4.1 節(jié)煤分析

集中空壓站方案主要能耗指標(biāo)見表6。

表6 集中空壓站方案主要能耗指標(biāo)

項目建成后，集中供氣站年供壓縮空氣量為10.57×108m3。

國家能源局2018年發(fā)布的6 000 kW及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為308 g/kW·h，發(fā)電廠供電標(biāo)煤耗率為295 g/kW·h，以及調(diào)研中分散小型空壓機按二級能耗產(chǎn)汽率7.41 m3/kW·h計算得出：

方案一年節(jié)標(biāo)煤量：10.57×108m3/7.41 m3/(kW·h)×0.308 kg/(kW·h)/1 000-10.32×108m3×22.236 2 g/m3/1 000 000-3.06 GW·h×0.295 kg/(kW·h)×1 000=20 084.22 tce。

方案三年節(jié)標(biāo)煤量：10.57×108m3/7.41 m3/(kW·h)×0.308 kg/(kW·h)/1 000-118.29 GW·h×0.295 kg/(kW·h)×1 000=9 039 tce。

3.4.2 減碳分析

根據(jù)發(fā)電行業(yè)燃煤機組CO2排放量公式(排放因子法)：

Eco2=E燃燒=FC煤×NCV煤×CC煤×OF煤× 44/12

上式中，E燃燒為煤炭燃料燃燒的排放量，tCO2；FC煤為煤炭燃料的消耗量，t；NCV煤為煤炭燃料的低位發(fā)熱量，GJ/t；CC煤為煤炭燃料的單位熱值含碳量，tC/GJ；OF煤為煤炭燃料的碳氧化率，%；44/12 為二氧化碳與碳的相對分子質(zhì)量之比。

其中：(1)煤炭燃料消耗量采用計算出的年節(jié)標(biāo)煤量，即方案一的計算結(jié)果為20 084.22 tce，方案三計算結(jié)果為9 039 tce；(2)煤炭燃料的低位發(fā)熱量根據(jù)發(fā)電廠用煤質(zhì)燃煤年均低位發(fā)熱量為0.019 534 GJ/t；(3)煤炭燃料的單位熱值含碳量采用國家碳市場幫助平臺的高限值，即33.56 tC/TJ；(4)煤炭燃料的碳氧化率采用國家碳市場幫助平臺的高限值，即100%；(5)二氧化碳與碳分子量比為44/12=3.67。

如此，計算可得：方案一年可減少CO2排放量483 t，方案三年可減少CO2排放217 t。

綜上所述，方案一年節(jié)約標(biāo)煤量和減排CO2量均高于方案三，利用背壓式汽動空壓機組比電動空壓機組節(jié)能減排效果更優(yōu)，面對國內(nèi)節(jié)能減排的緊迫形式和環(huán)境保護的重要性，推薦選擇方案一即背壓式汽動空壓機集中供氣站。

4 結(jié)語

在類似的百萬機組大型發(fā)電廠內(nèi)，若周邊區(qū)域有較大壓縮空氣需求負荷，可以利用電廠內(nèi)富裕供熱蒸汽建設(shè)背壓式汽動集中供氣站，替代區(qū)域內(nèi)小型高能耗空壓機組為用氣企業(yè)供應(yīng)安全可靠、優(yōu)質(zhì)價廉的壓縮空氣，不僅具有節(jié)能減排和提高企業(yè)經(jīng)濟效益的雙重優(yōu)勢，同時也是積極響應(yīng)國家雙碳目標(biāo)戰(zhàn)略的舉措。