空壓站設(shè)備節(jié)能措施

黃文華

(紫金銅業(yè)有限公司， 福建 龍巖 362004)

0 前言

某銅冶煉廠采用國際先進(jìn)工藝蒸汽干燥、閃速爐熔煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉、陽極爐火法精煉及電解精煉工藝生產(chǎn)99.00%陽極銅和99.39%陰極銅。生產(chǎn)過程中，需要使用大量壓縮空氣作為動力源[1]，需配套空壓站進(jìn)行供氣。在近年的運(yùn)行中，空壓站暴露出壓縮空氣單耗高、排空浪費(fèi)、管道壓力損失大、維修費(fèi)用高等諸多問題。本文主要介紹該冶煉廠空壓站在運(yùn)行過程中采取的各項(xiàng)節(jié)能降耗措施及取得的成效，旨在為同行業(yè)提供一定的參考。

1 空壓站

1.1 空壓站機(jī)組配置

空壓站主要配備有離心空壓機(jī)4臺、壓縮熱干燥機(jī)4臺、無油螺桿機(jī)1臺、微熱干燥機(jī)1臺，具體配置見表1。根據(jù)生產(chǎn)需要，離心空壓機(jī)3用1備，無油螺桿機(jī)作為事故(停電)應(yīng)急使用。

表1 空壓站配置

1.2 空壓站工藝

空壓機(jī)站采用三級壓縮、二級中冷工藝[1]。原料空氣經(jīng)自潔式空氣過濾器過濾后，進(jìn)入第一級壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮(由自動運(yùn)行的進(jìn)氣閥門控制)。初次壓縮后，氣體進(jìn)入第一級中間冷卻器，去除其中的熱量和冷凝水。冷卻干燥后，氣體進(jìn)入第二級壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，然后進(jìn)入第二級中間冷卻器，再次進(jìn)行冷卻和干燥。最后，氣體進(jìn)入第三級壓縮機(jī)，壓縮至設(shè)計(jì)排氣壓力后，進(jìn)入干燥機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行除濕處理，經(jīng)緩沖儲氣罐后進(jìn)入工廠用氣系統(tǒng)，詳細(xì)工藝如圖1所示。

1.3 空壓站運(yùn)行存在問題

因冶煉企業(yè)的生產(chǎn)特性，空壓站的供氣具有不穩(wěn)定性，總供氣流量波動大(19 500～32 500 Nm3/h)，且無規(guī)律可言。離心空壓機(jī)主要作用是為主線提供合格的壓縮風(fēng)供生產(chǎn)使用，為保證主線的生產(chǎn)，離心空壓機(jī)必須采用3用1備的運(yùn)行模式。根據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，離心空壓機(jī)每天約1/3時(shí)間處于23 000 Nm3/h低流量供應(yīng)時(shí)間，造成主設(shè)備放空閥打開，大量空氣放空，致使能源浪費(fèi)。同時(shí)由于冶煉企業(yè)空氣中帶酸性氣體，離心空壓機(jī)故障率高，維修成本增加。空壓站成本分析如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行成本在離心空壓機(jī)長周期生產(chǎn)成本中占據(jù)決定性的地位，占比高達(dá)79%。因此，如何通過精細(xì)化管理，對空壓站能耗深入挖潛，提高能源使用效率，全方位降低空壓站運(yùn)行費(fèi)用是急需解決的問題。

2 節(jié)能降耗措施

為了進(jìn)一步對空壓站開源節(jié)流，降低能耗，通過統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，針對壓縮設(shè)備特性，從工藝、設(shè)備等方面進(jìn)行調(diào)控。

2.1 工藝方面

2.1.1 采用恒壓進(jìn)氣節(jié)流模式

結(jié)合壓縮設(shè)備運(yùn)行模式多樣性，合理利用離心空壓機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)氣能力調(diào)節(jié)范圍(75%～105%)，減少不必要的滿載浪費(fèi)。壓縮機(jī)的運(yùn)行模式包括恒壓基本模式、恒壓進(jìn)氣節(jié)流模式、空- 重車(間歇或稱ON-OFF)模式、 自動雙重模式。針對外網(wǎng)用氣量大幅波動的情況，將3臺150 Nm3/min離心空壓機(jī)的運(yùn)行模式由恒壓基本模式改成恒壓進(jìn)氣節(jié)流模式，使設(shè)備額定電流由69 A降低至設(shè)定的最低電流59 A，電機(jī)負(fù)荷從1 100 kW降至960 kW，減少壓縮機(jī)在低流量供應(yīng)時(shí)間的空氣放空浪費(fèi)，并能在用氣量增加時(shí)自動調(diào)節(jié)入口的導(dǎo)葉開度，增加產(chǎn)氣量。

恒壓進(jìn)氣節(jié)流模式是在滿足廠用空氣系統(tǒng)需求情況下，通過控制進(jìn)氣閥開度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣節(jié)流，以減少馬達(dá)電流消耗。這種控制模式與恒壓基本模式類似。進(jìn)氣控制閥可以實(shí)現(xiàn)空氣節(jié)流直到達(dá)到最小電流設(shè)定點(diǎn)。假如此時(shí)廠用系統(tǒng)需求量繼續(xù)下降，卸荷閥將自動調(diào)節(jié)以保持設(shè)定壓力。該控制模式原理如圖3所示。

2.1.2 調(diào)整最小運(yùn)行電流

調(diào)整運(yùn)行模式后，主線生產(chǎn)所需的壓縮空氣量波動范圍仍在設(shè)備可調(diào)節(jié)范圍之外，在低流量運(yùn)行時(shí)，仍存在較大放空現(xiàn)象。對離心空壓機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)氣能力調(diào)節(jié)范圍(75%～105%)繼續(xù)深入挖潛，在保證設(shè)備無損傷、不喘振的前提下，將最低運(yùn)行電流從59 A緩慢降至53 A，使最低電機(jī)負(fù)荷從960 kW降至840 kW。

2.1.3 降低離心空壓機(jī)排氣壓力

通過降低離心空壓機(jī)的壓力值來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的節(jié)能減排。大量的數(shù)據(jù)表明，離心空壓機(jī)排氣壓力每降低0.1 MPa，總運(yùn)行能耗可降低8%。在不影響壓縮空氣管網(wǎng)壓力的前提下，將出口壓力設(shè)定值由0.85 MPa降至0.79 MPa，由此可降低4.8%總運(yùn)行能耗，即對于總運(yùn)行能耗1 000 kW·h，可降低能耗48 kW·h。這對于大功率設(shè)備來說，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。

2.1.4 采用機(jī)組群控節(jié)能

在用氣量大并且負(fù)荷波動大的場合，使用多臺離心空壓機(jī)并列運(yùn)行，多采用統(tǒng)一調(diào)配單臺設(shè)備產(chǎn)氣能力，實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)組均衡產(chǎn)氣的節(jié)能方式[2]。由于受管道布置、壓縮機(jī)效率等影響，多臺離心空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，有些負(fù)荷高，有些負(fù)荷低，導(dǎo)致負(fù)荷高的離心空壓機(jī)拼命做功，負(fù)荷低的離心空壓機(jī)排空浪費(fèi)。由于現(xiàn)場無集控裝置，必須采取一些管控措施：1)將1#離心空壓機(jī)的出口管由U型走向改成直接走向，消除最大管阻；2)利用排氣壓力設(shè)定，針對多臺設(shè)備的阻力情況，設(shè)置不同的排氣壓力來消除出口管阻和壓阻，使多臺離心空壓機(jī)負(fù)荷均勻，達(dá)到節(jié)能的效果；3)調(diào)整閥門動作速率，改造多臺設(shè)備的反應(yīng)設(shè)備，均衡負(fù)荷。

以2018年生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，按電費(fèi)0.5元/kW·h，計(jì)算采取上述4項(xiàng)工藝措施后3臺離心空壓機(jī)連續(xù)生產(chǎn)355 d節(jié)省的電能：(1 100-840)×3×24×355×80%×0.5=265.8萬元。

2.1.5 安裝中冷器自動疏水裝置

有效做好中冷器的管理工作，以及循環(huán)水質(zhì)水溫管理，控制離心空壓機(jī)能耗。壓縮空氣經(jīng)中冷器冷卻產(chǎn)生的冷凝水[3]常年通過排水閥排放，排水閥為手動閥，須靠人工調(diào)整，運(yùn)行人員無法準(zhǔn)確調(diào)整冷凝水排放開度，造成大量的壓縮空氣浪費(fèi)，因此對中冷器排水安裝零損耗自動疏水裝置進(jìn)行改造[4]，實(shí)現(xiàn)自動疏水。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際統(tǒng)計(jì)，自動疏水裝置每40 min排放一次，排放一次的時(shí)間為5 s，每天排放36次，共排放180 s，也就是3 min?？諌赫緣嚎s空氣成本按0.08元/Nm3計(jì)，經(jīng)核算，中冷器自動疏水改造每年可減少約1 634 Nm3壓縮空氣排放，節(jié)省成本約14.3萬元。

2.1.6 調(diào)整干燥機(jī)運(yùn)行模式

為充分利用離心空壓機(jī)的排氣熱能，在設(shè)計(jì)選型時(shí)，壓縮站選用了壓縮熱吸附式干燥機(jī)。利用干燥機(jī)設(shè)備特性，調(diào)整干燥機(jī)運(yùn)行模式，減少氣量浪費(fèi)。針對外網(wǎng)所需空氣露點(diǎn)為-40 ℃，而干燥機(jī)露點(diǎn)長時(shí)間處于-60 ℃以下，將干燥機(jī)運(yùn)行模式更改為露點(diǎn)模式，大大延長了干燥機(jī)單塔干燥時(shí)間，冬天空氣干燥時(shí)效果尤為明顯，切換時(shí)間由原來的240 min延長至600 min以上，干燥劑的再生頻率降低，由原來的每天6次減少到平均2.4次，一方面減少了干燥劑再生時(shí)的壓縮空氣浪費(fèi)，另一方面節(jié)約電加熱器的耗能。

據(jù)核算，調(diào)整干燥機(jī)的運(yùn)行模式可節(jié)省費(fèi)用約7.4萬元。

2.2 設(shè)備方面

2.2.1 做好基礎(chǔ)管理工作

建立健全空壓站設(shè)備管理制度，包括技術(shù)臺賬、點(diǎn)檢制度、檢修標(biāo)準(zhǔn)化、備品備件管理等；按規(guī)范全面實(shí)行計(jì)劃檢修，編制空壓設(shè)備檢修保養(yǎng)項(xiàng)目，做好檢修全過程質(zhì)量驗(yàn)收及對檢修效果總結(jié)分析，對不合理的地方進(jìn)行改造提升，確保設(shè)備穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行。

2.2.2 更換機(jī)械式過濾器

現(xiàn)有離心空壓機(jī)入口過濾器為機(jī)械式過濾器，由于廠區(qū)空氣常年含有酸性氣體，而機(jī)械式過濾器只能去除顆粒雜質(zhì)，無法過濾酸性物質(zhì)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，空氣在壓縮后析出水分，酸性氣體遇水后形成弱酸，對機(jī)組內(nèi)管道、零配件造成酸性腐蝕，情況比較嚴(yán)重?？諝饬髯邥r(shí)將銹渣剝落，形成機(jī)械雜質(zhì)沖擊，導(dǎo)致葉輪局部受損，葉輪在短周期內(nèi)積碳[5]，引起轉(zhuǎn)子振動上升，需對離心空壓機(jī)壓縮部分進(jìn)行解體、清洗葉輪(清洗周期成倍縮短)，最終導(dǎo)致離心空壓機(jī)平衡失效，需返廠做動平衡試驗(yàn)，修復(fù)不平衡量。離心空壓機(jī)保養(yǎng)費(fèi)用較高，每臺保養(yǎng)一次的費(fèi)用約為10萬元。且葉輪與蝸殼間隙逐漸增大，導(dǎo)致離心空壓機(jī)效率下降明顯，能耗增大。

針對上述問題，進(jìn)行銅銀測試片腐蝕試驗(yàn)，確認(rèn)空氣成分，將離心空壓機(jī)入口的機(jī)械式過濾器改造為干式化學(xué)過濾器。其主要原理是在過濾器中間段增加化學(xué)填料以過濾空氣中的H2S、SO2等硫化物，即形成初效空氣過濾+化學(xué)過濾+中效空氣過濾的干式三級過濾方式，將空氣中的酸性氣體去除，減緩酸性氣體對內(nèi)部管道和設(shè)備本體的腐蝕，保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，延長設(shè)備的維修周期，同時(shí)保證為外網(wǎng)提供不含酸性氣體、合格的壓縮空氣。

2.2.3 外接干燥氣源

離心空壓機(jī)蝸殼及附屬管道受酸性氣體的侵蝕，產(chǎn)生銹垢，銹垢容易被吸入葉輪，在葉輪上粘結(jié)，造成葉輪積碳問題[5]，導(dǎo)致主設(shè)備轉(zhuǎn)子動平衡破壞，振動上升，不利于設(shè)備安全運(yùn)行，且造成主設(shè)備維修成本增加。通過外接干燥氣源對葉輪反吹加溫，防止停機(jī)后潮濕空氣殘留在葉輪上造成的積碳問題，大大延長了離心空壓機(jī)的檢修周期，減少設(shè)備的維修成本。

3 結(jié)束語

空壓站節(jié)能措施實(shí)施后，既節(jié)省電耗，節(jié)約電費(fèi)，還降低了設(shè)備故障率和維修成本，使空壓站系統(tǒng)更加安全可靠地運(yùn)行。在大力提倡節(jié)約能源的今天，這些措施的實(shí)施推廣對企業(yè)“碳達(dá)峰”和“碳中和”工作開展具有重要的意義，有利于提高企業(yè)的核心競爭力。