华能巢湖电厂全厂压缩空气系统优化

2010-06-07张莲莺

电力建设 2010年4期

张莲莺

(江苏省电力设计院，南京市，211102)

1 工程概况

华能巢湖电厂位于安徽省巢湖市境内淮南铁路旁，新建规划容量为4×600 MW，本期工程安装2台600 MW燃煤机组。项目于2007年5月23日经国家发展和改革委员会核准，2007年3月1日正式开工建设。2008年08月9日，1号机组投入了商业运行。2008年11月24日，2号机组投入了商业运行。

2 各专业压缩空气用量及品质要求

全厂需要压缩空气的有热机、热控、除灰、脱硫等专业，这些专业对压缩空气的用气量、用气品质及使用时间各不相同[1-8]。华能巢湖电厂2×600 MW机组各专业压缩空气用量见表1。全厂要求的最大供气量为150 m3/min。

表1 2×600 MW机组用气量Tab.1 Air consumption of 2×600 MW unit

3 全厂压缩空气站优化

采用全厂压缩空气站统一配气、供气的方式，通过螺杆式空压机由全厂压缩空气站向除灰、热控、热机、脱硫等专业提供气源。该方案可以提高设备利用率，减少备用设备数量，提高供气可靠性。空气压缩装置所需的总占地面积缩小，监控费用和维修费用降低。通过设备选型优化，可以取消1座除灰空压机房，并且更容易做到隔音降噪。每台空压机设备内置智能控制器，具有操作简便、可调节工作参数、多机联控、快速诊断故障、综合数据显示等功能。可采用单独智能控制装置控制多台空压机机组，并提供并入全厂DCS的接口和通讯联系。压缩空气站系统如图1。

3.1 空压机站总容量

仪用空气后处理设备采用组合式空气干燥器，再生耗气量不大于进气量的3%，按照空压机流量不小于需要空气流量（150 m3/min＋3%×50 m3/min）的110%考虑，全厂空压机站总容量为167 m3/min。

3.2 空压机备用容量

GB 50029—2003《空气压缩站设计规程》对空压机的备用规定如下：当最大机组检修时，除通过调配措施可允许减少供气外，其余机组应保证全厂生产的用气量。

根据上述全厂用气量一览表和GB 50029—2003《空气压缩站设计规程》的规定，采用4台螺杆式压缩机作为供气设备，3用1备。

综合考虑《火力发电厂设计技术规程》[1]对仪用空压机宜设2台备用的要求，本工程共设置5台螺杆式压缩机，3台运行，2台备用。所选设备参数如下：每台空压机流量Q=167（m3/min）/3=56 m3/min，排气压力H=0.85 MPa，功率P=300 kW。

3.3 空气后处理设备备用容量

空压机出口采用母管制，不需要进行后处理的热机检修用气直接从空压机出口母管上接出，其余则根据对空气品质的不同要求分成2类，一类为热控控制（含除灰、脱硫控制）用气，另一类为干灰输送用气。

GB 50029—2003《空气压缩站设计规程》对仪用空气后处理设备的备用规定如下：（1）当用户要求干燥压缩空气不能中断时，应选用不少于2套空气干燥装置，其中1套为备用。（2）除要求不能中断供气的用户外，可不设置备用压缩空气过滤器。其中，热控控制、除灰、脱硫仪用气等级最高，必须保证供给。拟采用带有前、后共3级过滤器的组合式干燥器处理压缩空气，具体流程如下：从空压机出口空气母管接管至组合式干燥器，干燥器设一级前置过滤器和二级后置过滤器，以保证空气品质要求。共设2套组合式干燥器系统，1运1备，干燥器出口设仪用空气母管。从仪用空气母管上分别接管至热控控制用气点和除灰、脱硫控制用气点。组合式干燥器空气处理量60 m3/min，出口空气压力露点-40ºC。

干灰输送气源采用冷干机系统，对空气进行后处理，具体流程如下：从空压机出口空气母管接至冷干机系统，冷干机前后各设一级过滤器，以保证空气品质要求。共设3套组合式冷干机系统，2运1备，冷干机系统出口设干灰输送用空气母管。从干灰输送用空气母管上分别接管至两炉干灰输送用气点。冷干机空气处理量为50 m3/min，出口空气压力露点为2ºC。

3.4 空压机选型

传统的气缸－活塞式空压机噪音大，性能不好，产气品质不良。随着技术的进步，螺杆式空压机已经取代活塞式空压机，广泛应用于电站工程。世界品牌厂商Ingersoll—Rand、CompAir、Atlas Copco 等公司进入中国，实现了部分部件国产化，使国内螺杆式空压机技术水平与国外几乎同步。

螺杆式空压机是具有螺旋状转子的容积式压缩机，主要部件是1对阴阳转子，随着其彼此向前推动，阴阳螺杆与机壳之间容积减小，以达到对空气进行压缩的目的。每一个螺杆主机都有固定的内压缩比，它取决于转子的长度、节距和排气口的形状。为使效率最佳，压缩比必须与所需的工作压力相适应。螺杆压缩机不需要安装气阀，也没有引起不平衡的机械力，因此，它可以在高转速下工作，并具有小尺寸、大流量的优点。由于螺杆压缩机进口和出口有压力差，轴承须承受轴向力。最初螺杆是对称形状，现在已发展成不对称形状。

早期的螺杆压缩机有对称的型线，压缩腔中不用喷液，称为无油或干式螺杆压缩机。1960年出现了不对称型线的高速无油螺杆压缩机，由于降低了内泄漏，新转子型线明显提高了效率。干式螺杆压缩机用外部的齿轮使一对相对转动的转子保持同步，转子之间不接触，也不与机壳接触，因此压缩腔中不需要润滑，压缩空气是完全无油的。转子与机壳经精密加工，使压力侧到进口的泄漏降至最小。单级的压缩比受到进气与排气之间温度差的限制，这就是无油螺杆压缩机通常设计成多级的原因。无油螺杆压缩机价格昂贵，一般用于对压缩空气品质要求极高的场合，一般工业企业不选用。

喷液螺杆压缩机是将液体喷进压缩腔，通常也喷到压缩机的轴承，对压缩机进行冷却和润滑。喷液的作用是冷却压缩机的主机和防止气体泄漏。最常用的液体是润滑油，因为油有良好的润滑作用。喷液螺杆压缩机可以制成高压缩比，单级压缩机的压力可以达到1.3 MPa。由于主机的内泄漏低，这也表明即使是比较小的螺杆压缩机也可以有较高的效率。

因此，在本工程设备选型中选用了喷液螺杆式空压机。

3.5 空气后处理设备

空压机排出的压缩空气含有多余的物质，如水滴或蒸汽、油滴或油雾、灰尘。低端用户对此无要求，可以直接使用。但多数用户会对空气品质提出要求，以满足工艺需要，如热控控制和干灰输送等用户。空气后处理设备（包括干燥设备和过滤器）为集成式模块设计，压缩空气经过空气后处理设备后，油、水、尘得到分离，可以根据用户对空气品质的不同要求，对其进行相应配置。

3.5.1 组合式空气干燥器

仪用空气后处理设备采用组合式空气干燥器进行空气处理。组合式空气干燥器结合了冷冻式空气干燥器及无热再生式空气干燥器的优势，具有能耗低、再生耗气量少（不大于进气量的3%）、露点温度低（不大于-40℃）且稳定、结构紧凑、自动化程度高、操作简便等优点。

吸附塔进口的压缩空气来自冷冻式空气干燥器的蒸发器出口（压缩空气温度为5℃左右），再生空气为从吸附塔出口引出的干燥热空气。与传统的串联式干燥机相比，组合式空气干燥器吸附温度更低（传统的吸附温度在20℃左右），进一步提高了吸附深度，在保证同样的压缩空气露点的前提下，能耗更低，更具合理性，而再生过程却是由高温的干燥空气来完成的，使再生过程在更短的时间内完成，从而大大减少了再生耗气量（不大于进气量的3%）。这是一般冷冻式空气干燥器与无热吸附式干燥器串联流程所不能实现的。

3.5.2 冷冻式空气干燥器

冷冻式空气干燥器本质上是一种热交换设备，由空气热交换系统、制冷系统、汽水分离系统及电气控制系统等部分组成。制冷系统由冷媒压缩机、蒸发器、冷凝器及节流组件（毛细管或膨胀阀）等组成。含有大量水蒸气的压缩空气主要在蒸发器里完成汽-液冷凝相变，在汽水分离器里完成液态水的凝聚与排出，从而获得干燥的压缩空气。制冷系统的工作状况直接决定了冷冻式干燥机的运行情况，而汽水分离器的结构与效率对成品气的干燥程度（用压力露点来表示）有至关重要的影响。空气热交换器的设计关系到冷冻式干燥机的节能运行，并使压缩空气成品气不至于在机器出口管道内结露。

根据制冷系统中冷凝器工作时的冷却方式分类，冷冻式干燥机可分为风冷式与水冷式2种。风冷式干燥机多应用于小负荷及移动性场合，受环境温度影响较大；水冷式干燥机主要用于大负荷场合，受环境温度影响较小，本工程采用水冷式干燥机。

3.6 储气罐及管网

压缩空气中心需要设储气罐储存压缩空气，消除来自空压机压力的波动，冷却空气和收集冷凝水。储气罐带有安全阀和排污阀。合理的储气罐设置可以提高整个压缩空气系统的安全裕度，在极端情况下保证用气工艺的安全运行。考虑到热控专业仪用压缩空气对整个系统安全至关重要，根据《火力发电厂设计技术规程》[1]中“当全部空气压缩机停用时，热工控制压缩空气系统的贮气罐的容量应能维持不小于5 min的耗气量”规定，设置2个50 m3的仪用储气罐，以满足储气罐内压力下降到0.6 MPa过程可持续向仪用气用户供气5 min的要求。设置2个25 m3的储气罐，作为平稳干灰输送气源用。设置1个25 m3的储气罐，作为机务检修气源用。

3.7 空压机站控制与调节系统

全厂空压机站实行智能化控制，设中央控制单元，采取节能型自动控制调节方式控制空压机群。每台空压机本体内置数码智能控制器，只要输入系统所需压力及控制模式，正常运行过程中不需要任何手工操作。中央控制单元根据系统压力变化，优化计算，自动启动空压机群中的不同空压机，以满足外部压缩空气需求，并实行轮换制式。中央控制单元还可以与集控室通讯，提供系统状态及报警信号。空气后处理设备的集控纳入中央控制单元范围。

全厂空压机站采用仪用空气优先的原则，在机务检修用气储气罐和干灰输送用气储气罐进气管线上设置气动阀门，当仪用空气供气压力满足不了系统要求时，自动依次关闭机务检修用气和干灰输送用气储气罐进气阀。

4 空压机站分置与统置的技术经济比较

4.1 空压机站分置

按通常的分置空压机站方式，本工程电厂各空压机站的设置配套如下。

（1）除灰专业空压机站。除灰专业空压机站负责向除灰系统提供输送用气，须配置空气流量50 m3/min，出口压力0.85 MPa，功率290 kW等级的空压机3台，2台运行，1台备用。共需要设3套冷冻式空气干燥器系统，2套运行，1套备用，冷冻式空气干燥器空气处理量50 m3/min，出口空气压力露点2ºC。

（2）热机专业空压机站。根据《火力发电厂设计技术规程》[1]中有关热工控制用和机务检修用空压机的设计要求：“运行空压机的台数宜为2台，总容量应能满足热工控制用气动设备的最大连续用气量，并宜设置2台备用”，及编制说明中“300 MW和600 MW机组宜分别配置4台20 m3/min和40 m3/min容量的空气压缩机”，本工程需要配置4台空气流量40 m3/min、出口压力0.85 MPa、功率250 kW等级的空压机，负责向热控、除灰控制、脱硫仪用、热机检修提供压缩空气，空压机2台运行，2台备用。共设3套组合式空气干燥器系统，2运1备，组合式空气干燥器空气处理量40 m3/min，出口空气压力露点-40ºC。

空压机站分置情况下的系统配置见表2。

表2 空压机站分置配置表Tab.2 Configuration of compressed air station

4.2 空压机站统置

当采用全厂空压机站统一配气、供气的方式向除灰、热控等专业提供气源时，全厂仅需要配置5台空气流量56 m3/min、出口压力0.85 MPa、功率300 kW等级的空压机，3台运行，2台备用，即可满足表1中列出的全厂最大压缩空气供气量150 m3/min的要求，并符合GB 50029—2003《空气压缩站设计规程》[3]和《火力发电厂设计技术规程》对空压机的备用规定。

4.3 分置与统置的技术经济比较

从空压机站分置与统置2种配置方式的论述中可以看出：如果采用空压机站分置方式，除灰、热机分设2处空压机站，各专业空气供应各行其道，自成系统，备用设备台数多，设备总量及品种多，设备布置点分散，维护管理工作大，系统调控性能差，建筑面积增加；空压机站统一设置，不仅可以减少设备总量、建筑面积和起吊设施，并且系统调控性能得到提高，维护管理也更方便。

空压机站分置与统一布置2种配置方式经济比较见表3。