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熱電聯產超大型空壓站設計要點及建議
責任編輯：作者：admin人氣：1882 發表時間：2021-04-13
西安超濾公司 李大明
1、成本優勢分析：據統計市場供氣價格：無油干燥壓縮空氣在市電制下，氣單價約為0.15~0.21元/m3；有自備電廠的約為0.10~0.14元/m3；汽/電聯產成本價約為0.04~0.06元/m3。售價若定為0.06~0.08元/m3，以建設運營一座4500m3/min汽輪機驅動空壓站為例，產氣成本或氣單價約為純市電制的1/3~1/2，若全流量開機運行8000小時，每年汽驅與電驅產氣差價約為（0.15-0.06）元×4500m3×60min×8000h=1.94億元/年，與4500m3汽驅空壓站固定資產（包括管網）投資相當。以0.02元/m3利潤計，當年利潤總額為0.427億元，投資回報率為3~4年。但由于汽驅壓縮空氣市場定價偏低、工業園用戶復雜、開機負荷率偏低等因素，有可能形成社會效益顯著而空壓站效益低下的現象甚至存在虧損風險。作為熱電聯產空壓站的建設方和運營方，除追求規模制氣能力、降低生產成本，還需深入調研客戶性質，合理調節供需平衡以及滿足工業園各種用戶在壓力、流量、氣體品質等方面的不同要求和特點。
2、空壓站設計依據：
2.1排氣量：據統計，國內現有空壓站負荷約為：60~70%，按最大負荷為4500m3/min（1500m3×3臺），平均負荷為4500m3×0.65=3000m3/min，最小負荷為40%計為1800m3/min，則理論開機臺數：
|
負荷率% |
100 |
65 |
40 |
|
流量Nm3/min |
4500 |
2925 |
1800 |
|
數量（臺） |
3 |
1.95 |
1.2 |
又根據工業園客戶用氣特點可分為優質（24小時連續穩定用氣）、一般（8小時連續用氣）和劣質（臨時用氣）。相對于企業自建空壓站，在產氣與供氣供需平衡方面，存在更多不確定性。因此需要更大的負荷調節能力。此外工業園中可能存在一些不允許停氣、斷供的客戶。提高空壓站設備可靠性及防范斷氣、斷電事故的應急措施和事故備用貯氣也必須給予重視。
由于結構特點離心機排氣量的調節范圍為70~100%，以離心機為主的空壓站其流量調節除采用多臺套配置增減運行臺數外，還可采用大配小、汽配電、離心配螺桿，即用前者做主供，后者做調峰。本案中長時間調節供氣量可以增減開機臺數來實現，而短期調峰則以蒸汽驅動為主供，電機驅動為調峰的方案可作為優選。另考慮工業園極端條件，必須保證當蒸汽停運時的極端最小負荷。本案中筆者認為提供一至兩臺200m3~400m3的電動離心機作為調峰和斷汽不斷氣的最小負荷配置是不可或缺的。
考慮到干燥器故障率、維修率較高以及超大型干燥器性價比反而較差，本案中可按1：3即500m3×9臺+1臺（備用），電驅空壓機與干燥器則按1：1配置。
2.2排氣壓力：容積式壓縮機（如活塞、螺桿）排氣壓力由背壓或管網壓力決定。排氣壓力每升高或降低1bar，功率需增加或減少約7%，壓力波動允許有較大范圍，但離心機只有在設計點附近才具有最高效率，偏離設計點運行如降低工作壓力一般不具有節能效益。管網壓力設計依據為用氣端設備所需壓力加管網壓力損失一般為6~8bar的高壓和3~5bar的低壓，但在實際運行中的管網壓力是由供氣量和用氣量的平衡與變化量決定的。各種類型壓縮機均具有流量負荷調節功能，但由于機型本身和調節結構不同，可調節的范圍亦不同，其中離心機的壓力和流量調節范圍最小，需在空壓機站房設計選型中給予足夠重視。另從節能角度，應根據工業園區的實際用氣壓力和流量，必要時采用高低壓分流，具體到離心機選型，高壓供氣管網可選用三級壓縮，低壓管網則選用兩級壓縮，此項措施可節能15%左右甚至更高。
本案為超大型空壓站，考慮到管網復雜、管道沿程損失較大以及高壓管網具有一定的貯氣能力且制氣成本低廉，所以本空壓機排氣壓力設定為1.0MPa是適宜的。
2.3氣體質量：
氣動技術應用壓縮空氣質量控制要素為：油、水、塵。其中大型空壓站一般采用離心機，油可以忽略不計。塵埃主要來源于吸附劑粉化和管網污染，前者需在干燥器出口配置安全可靠、高效低阻的后置過濾器（浙江某熱電聯產空壓站因吸附劑粉化和后置過濾器濾芯開裂，大量粉塵進入管網，造成停產清洗20余天）；后者可在用戶進口總管處增設具有上述性能的過濾器。但除水是三大指標中投資最大、運行成本最高的設備，應予以格外重視。
3、干燥器特點及選型應用。
3.1由于汽輪機和離心空壓機技術相對成熟，而低露點、零氣耗的壓縮熱吸附式干燥器進入市場較晚，目前全球僅有兩家企業能夠生產、銷售。國標《壓縮空壓站設計規范》規定：采用離心機或無油螺桿空壓機時宜采用壓縮熱干燥器，但標準同時提醒：對于傳統壓縮熱干燥器其應用領域歸屬冷干機類，目前國內外應用中可視壓縮熱干燥器為介于冷干機（+10℃）和吸附式干燥器（-20℃）之間的產品。目前市場上應用的壓縮熱干燥器可分為三類：第一類有排放型：壓力露點0℃~-10℃，平均產品氣消耗量為6~8%；第二類雙冷卻器零排放型：壓力露點+15℃~0℃；第三類等壓循環低露點零氣耗型：壓力露點-20~-40℃。北方地區和對露點要求較高的用戶對前兩種壓縮熱干燥器需慎重選用。
3.2壓縮熱干燥器工作基本原理和特性分析：
吸附式干燥器的再生機理一般分為變壓（PSA）、變溫（TSA）、清洗、置換四種，實際應用中沒有完全單一方式，至少是兩種以上方式組合。
吸附式干燥器產品氣干燥程度（P）與以下因素有關（P0、P1、P2），
P---出口氣體中水蒸氣分壓
P0---出口溫度對應飽和水蒸氣分壓
P1---再生氣的水蒸氣分壓
P2---再生溫度下的飽和蒸氣壓
其中：P0---主要取決于冷卻水溫度，根據經驗，P0每下降10℃，露點亦會相應下降10℃左右。
P1---再生氣的含水量和再生氣量，對露點的影響因其存在多個變量，難以給出具體數值。
P2---再生溫度，P2每提高10℃，露點會下降3℃~4℃左右。
3.3壓縮熱型干燥器設計原則：
3.3.1由于壓縮熱溫度偏低（標準型為90~110℃），而有熱再生的標準溫是180~220℃，所以壓縮熱僅能達到正常吸附式干燥器所需再生能量的70%左右。
3.3.2合理的再生過程分為兩個階段，第一階段為加熱再生（TSA），第二階段為吹冷再生（PSA+TSA）。
3.4 三種壓縮熱干燥器工藝流程描述及特點分析：
3.4.1有排放型：
余熱再生：過熱壓縮空氣先再生、后吸附，單純依賴壓縮熱可達到70%的再生效果。
吹冷/二次再生：抽取10~20%（瞬時流量）的干燥產品氣，邊吹冷邊利用塔內余熱進行二次再生（PSA+PST），壓力露點可達0~-10℃，干氣消耗量越大，可達到的露點溫度越低，但也由此構成了此流程的最大缺陷，仍然消耗了過多高品位的壓縮空氣。
3.4.2雙冷卻器零排放型：
余熱再生：同上
吹冷：此流程為達到零氣耗增加了一個吹冷用冷卻器，過熱壓縮空氣先經過該冷卻器冷卻至飽和濕空氣直接進入再生塔進行吹冷，此過程不僅放棄了干氣吹冷/二次再生機會，反而向已完成再生的干燥劑加濕，此為干燥器設計大忌，造成此類干燥器露點僅能達到+15~0℃，且具有比前者更高的壓差和兩倍的冷卻水量。
3.4.3等壓循環零氣耗型：
余熱再生：同上
混搭加熱：混搭加熱僅用于空壓機排氣溫度≤100%或追求超低露點時。
主氣流流向同余熱再生，同時啟動風機和加熱器，將15%左右的干氣加熱后注入主氣流，此方法可提升再生能力10~15%左右。
純電加熱：主氣流提前15~30分鐘經旁通直接進入冷卻/分離器，再經吸附干燥后輸出，同時，啟動風機、加熱器、抽取約15%干氣加熱至180~220℃，對再生塔進行二次強化加熱再生，此舉對裝有分子篩的混合床極為必要。
吹冷：此方式和作用同有排放型，邊吹冷邊再生（PSA+TSA），但本質上的不同為吹冷氣在增壓機的驅動下，并入主氣流匯合后進入冷卻器，實現產品氣零氣耗。
由于采用了以上多種措施和再生機理，壓力露點可達到-20~-40℃，甚至更低。
另根據市場反映，前兩種壓縮熱吸附劑由于長期不能得到徹底再生，殘余含水量不斷累積，致使吸附劑工作壽命僅為半年，最長不超過一年，而第三種干燥器也同樣存在以上弊病，但由于設備具有二次加熱和干氣吹冷功能并可定期進行強化再生，消除殘余含水量累積現象，吸附劑壽命達三年以上。
4、貯能器：目前還未提上議事日程，但從現在開始關注并進行一定深度的研究探討還是有必要的。貯能器主要用途有兩個，一是短期調峰，二是提供事故保障用氣，包括突發斷汽、斷電大事故的應急和啟動空壓站失敗或延時等小故障。貯能器從技術角度可分為中壓、如5級壓縮2.5MPa和高壓25MPa~35MPa，這兩種壓力都有成熟的空壓機及貯氣罐技術和應用案例。貯能器應用的前提條件是峰/谷電價。如筆者所在無錫工業園電網供電目前實行的峰/谷差價為1.1/0.66/0.32（元）三段價。但由于電廠內部核算沒有峰/谷差價，致使貯能器的功能顯現不出來。
機型配置：考慮到工業園用氣復雜性尤其是用氣量波動值較大，宜采用中小機型和大型貯氣罐，如本案4500m3/min，中壓電驅150m3×1，另配直徑10m球罐1座或直徑5m球罐8座，其中5m球罐宜設置在管網中端或末端，另目前市場上大型長管高壓貯罐技術日趨成熟，最高壓力可達40MPa，兩段壓縮（低壓離心或螺桿+低壓干燥器+高壓活塞增壓）技術也相當成熟，若晚間電/汽價低廉，高壓貯能方案性價比會更高。
以上內容主要是提供一種思路，僅供參考。
5、設計、選型案例：
5.1下圖為一典型企業“用氣量—時間分段”表，結合上述4500m3/min案例，做出方案和說明如下：
表1：某工廠壓縮空氣用量及時間分段表：
圖1：某工廠壓縮空氣用量及時間分段折線圖：
5.2 4500m3/min空壓站設備選型與布置圖：
表2：配置表
|
序號 |
名稱 |
規格 |
壓力（MPa） |
數量（臺） |
|
1 |
汽驅空壓機 |
1500m3/min |
1.0 |
3 |
|
2 |
電驅空壓機 |
300m3/min |
1.0 |
2 |
|
3 |
中壓電驅 |
150m3/min |
2.5 |
1 |
|
4 |
大型干燥器 |
500m3/min |
1.0 |
10 |
|
5 |
中型干燥器 |
300m3/min |
1.0 |
2 |
|
6 |
中壓干燥器 |
150m3/min |
2.5 |
1 |
|
7 |
球罐R |
2.5m/5m |
2.5 |
8/1 |
圖2：布置圖：
表3：4500m3空壓站運行表
|
時間段 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
08:00~11:30 |
|
運行時間h |
3.5 |
2 |
4 |
1.5 |
4.5 |
7 |
1.5 |
|
運行氣量 m3/min |
4200 |
2200 |
4100 |
2200 |
3400 |
1900 |
2400 |
|
空壓機開啟臺數與氣量 m3/min |
1500×3×0.95=4275 |
1500×2× 0.75=2250 |
1500×3×0.91=4095 |
1500×2× 0.75=2250 |
1500×3×0.75=3375 |
1500×2× 0.62=1890 |
1500×2× 0.8=2400 |
|
1500×3×0.5=2250 |
1500×2×0.5=2250 |
1500×1+ 1300×1=1800 |
注：表3中的運行氣量源自表1并擴大10倍。
結論：動力用壓縮空氣正在向鄰近空分、工業氣體領域經營模式靠近，從單一產品銷售向服務性銷售過渡，即從單一賣機器向賣氣、賣終端服務過渡。同時空壓站設備（包括干燥器）是一種高耗能設備，目前華東、華南地區快速發展的“熱電聯產超大型空壓站”正是適應了這樣一種市場需求和創新模式，其本身還有更多創新點和巨大發展潛力。熱電聯產供氣模式有可能在未來5~10年不僅為用戶提供更便宜、更方便的動力源，對其空壓機行業本身重建產業結構也會產生重大影響。
