某电厂二期空气压缩机设备及方案选择

康爱军

摘 要：对螺杆式和离心式空压机设备的特点进行综合比较可知，离心式空压机在较大出力时（流量≥120 m3/min）优势明显，而螺杆式空压机在较小出力时（流量≤60 m3/min）优势明显。根据项目特点，从投资和节能角度，按照两种不同压强，提出4种不同的空压机设备配置方案。进行技术经济比较后，推荐采用螺杆机方案或离心机+螺杆机的方案，供用户参考。

关键词：螺杆式空压机;离心式空压机;方案

中图分类号：TH45文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）29-0059-04

Selection of Equipment and Scheme about Air Compressors in

Phase Ⅱ of a Power Plant

KANG Aijun

（China Power Engineering Consulting Group Northwest Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Xi'an Shaanxi 710075）

Abstract：  According to the characteristics of screw and centrifugal air compressors， this paper makes a comprehensive comparison， and puts forward that the centrifugal air compressor has obvious advantages at large output （flow≥120 m3/min）， while the screw air compressor has obvious advantages at small output （flow≤60 m3/min）. According to the characteristics of the project， from the perspective of investment and energy saving， four different air compressor equipment configuration schemes are proposed according to two different pressures. After technical and economic comparison， screw machine scheme or Centrifuge + screw machine scheme are recommended for users' reference.

Keywords： screw air compressor;centrifugal air compressor;scheme

某电厂二期扩建项目（2×1 000 MW发电机组）工程系扩建性质，现有装机容量为2×600 MW机组，二期工程建设规模为2×1 000 MW高效超临界间接空冷机组。

电厂一期工程#1、#2炉设有8台螺杆式空压机。其中，除灰专业共设4台输灰空压机并配有4台冷冻式干燥装置，3台运行，1台备用。每台空压机流量[Q]=57.1 m3/min，压强[P]=0.8 MPa，电机功率[N]=300 kW。热机专业设4台仪表控制用空压机并配有4台微热再生式干燥装置，每台空压机流量[Q]=44.6 m3/min，压强[P]=0.8 MPa，电机功率[N]=262 kW，2台运行，2台备用（其中1台为电厂在运行后增设）。8台空压机出口通过大母管相连，4台输灰用空压机母管与4台仪表控制用空压机母管间设置一个隔离阀和一个止回阀。正常情况下，隔离阀关闭。当仪表用气不够或空压机事故状态时，可打开隔离阀，使输灰空压机作其备用。止回阀可以防止因输灰引起仪表控制用压缩空气的压强波动。

二期工程目前處于初步设计阶段。经初步估算，二期工程每台炉仪用及厂用气流量约为60 m3/min，每台炉除灰系统用气流量为120～150 m3/min。

1 空气压缩机设备选择

目前，常用的空气压缩机设备分为如下3种类型：活塞式空压机、螺杆式空压机（回转式空压机）、离心式空压机[1]。因活塞式空压机技术比较落后，笔者主要针对螺杆式空压机和离心式空压机作综合比较。螺杆式空压机采用等容变压的压缩方式，通过互相啮合的一对螺杆把空气压缩后输出，整机寿命15年左右。其中，轴承寿命较短，每3～5年需要更换一次[2]。离心式空压机采用等压变容的压缩方式，通过叶轮的高速转动，把动能传输给吸入的空气，并通过扩压段把气流动能转化为静压[3]。整机寿命为20年左右，其轴承采用高转速（可倾瓦）轴承，寿命较长，7～8年更换一次即可[4]。

螺杆式及离心式空压机综合比较如表1所示。

适应性方面：螺杆式空压机排气量调节范围为0%～100%，可不经预热、预润滑直接启动;离心式空压机压强变化对气量影响大，要防止喘振，70%～100%采用进口节流调节，70%以下采用放空卸载，启动对润滑系统有要求（预热、预润滑）;螺杆式空压机购置成本较低，但运行、维修保养成本较高;对于离心式空压机，小容量设备（流量≤120 m3/min）购置成本较高，大容量设备（流量≥200 m3/min）购置成本较低，运行、维修保养成本较低。

通过以上分析可以看出，螺杆式空压机和离心式空压机各有优缺点。离心式空压机在较大出力时（流量≥120 m3/min）优势明显，而螺杆式空压机在较小出力时（流量≤60 m3/min）优势明显。离心式空压机最大的优点是能够输出无油的压缩空气，且在额定负荷下运行效率比螺杆式稍高，但在运行中要充分考虑风机低流量、高压头工况时候的喘振。另外，离心式空压机的容量与连续用气量需尽量匹配，尽量减少启停次数和低负荷运行时间。离心式空压机虽在运行调节时受到一定的限制，但可以通过合理匹配用气负荷尽量避免。

考虑到无油螺杆式空压机的成本比喷油螺杆式空压机高出一倍以上，且现在市场上大多数品牌的喷油螺杆式空压机成品气的含油量已很低，配备合适的空气干燥设备完全可以满足仪表用气要求，故本工程不考虑采用无油螺杆式空压机。

另外，从选择干燥器的角度出发，螺杆式空压机和离心式空压机也有不同。螺杆式空压机通常配备吸附式干燥器，需耗压缩空气7%～15%;离心式空压机由于排气温度较高，可采用压缩热再生吸附式干燥器，直接利用空压机的压缩热替代压缩空气或电加热能耗，比无热、微热节能80%以上，比普通外加热干燥器节能50%左右。所以，若选择离心式空压机，还可以通过干燥器进一步节能。

2 空气压缩机方案配置

火力发电厂一般要设置热工仪表及控制用、检修用、气力除灰用压缩空气系统，从统一规划设计、便于运行管理等角度出发，采用系统合并、母管连接、备用共享的全厂压缩空气系统是合理的。

常规火电厂中空压机一般都配置螺杆式空压机。离心式空压机主要应用于石油、钢铁、化工等行业，但随着电厂容量逐渐扩大以及一体化建设的发展，全厂用气量大幅增加。近年来，离心式空压机逐渐国产化，这促使其在电厂在逐渐得到应用。本工程为百万机组，灰渣量很大，而且空压机系统可以与一期工程统筹考虑，故可将离心式空压机的应用纳入考虑范围。由于单纯采用中、大容量离心式空压机难以应对电厂机组数量大、机组负荷频繁变化的工况，推荐采用离心式空压机和螺杆式空压机结合使用，以达到更好的节能效果。

按照实际供气压强，热工仪表及控制用、检修用气压强≥0.6 MPa，而输灰系统用气≥0.35 MPa时，为达到更好的节能节电效果，选择不同压强等级的空压机。公共备用空压机按仪用空压机选配，组合形成全厂压缩空气系统。

拟定4个全厂压缩空气系统设备配置方案，情况分别如下。

2.1 方案一：全部采用螺杆式空压机

2台炉共设9台螺杆式空压机，其中5台低压输灰空压机，4～5台运行，0～1台备用，每台空压机暂定流量为60 m³/min，压强为0.5 MPa。全厂仪用及厂用空压机设4台，2台运行、2台备用，其中1台与除灰系统公共备用。现阶段，热机每台空压机暂定流量为60 m³/min，压强为0.8 MPa。若采用该方案，仪表用空压机可以考虑设置一台变频空压机。

2.2 方案二：采用离心式空心机+螺杆式空心机（二期空压机单独设置）

除灰输送用气设2台120 m³/min、0.5 MPa离心式空压机+1台60 m³/min、0.5 MPa螺杆式空压机。正常情况下，2台120 m³/min、0.5 MPa离心式空压机+1台60 m³/min、0.5 MPa螺杆式空压机同时运行。因本工程每台炉除灰用气量可能在120～150 m³/min变动，本方案中离心式空压机常开，60 m³/min螺杆式空压机作为调节气量使用。

全厂仪用及厂用气设2台120 m³/min、0.8 MPa离心式空压机，另设2台60 m³/min、0.8 MPa螺杆式空压机。正常情况下，仅运行1台120 m³/min、0.8 MPa的离心式空压机，另1台120 m³/min、0.8 MPa离心式空压机作为运行备用。2台60 m³/min、0.8 MPa的螺杆式空压机可以作为全厂检修备用。当仅有1台机组运行时，仪用气运行1台60 m³/min、0.8 MPa的螺杆式空压机。

2.3 方案三：采用离心式空压机+螺杆式空压机（一二期空压机统筹考虑）

本方案一、二期空压机系统统一规划，4台炉的空压机系统统筹考虑。考虑到除灰用气和仪表用气可以采用不同压强等级的空压机，而一期工程中除灰及儀用采用了同压强等级的空压机，故本方案中考虑将一期全部空压机用于全厂仪表空压机，二期新设的空压机采用离心式空压机，用于全厂除灰系统。

一、二期工程除灰系统用气流量约为480 m³/min，设4台160 m³/min、0.5 MPa离心式空压机，正常工况下3运1备。

全厂（一、二期工程）仪用及厂用气全部利用一期工程空压机，4台44.6 m³/min、0.8 MPa和4台57.1 m³/min、0.8 MPa螺杆式空压机采用大母管相连，一、二期工程仪用及厂用气流量约为220 m³/min，则正常情况下4台57.1 m³/min运行，或者3台57.1 m³/min加1台44.6 m³/min空压机运行，其他空压机作为备用空压机。为保证气源品质，原有除灰用4台冷冻式干燥器（60 m³/min、0.8 MPa）需改造为微热再生式干燥器或者组合式干燥器。

本方案全厂仪用气全部采用螺杆式空压机，好处在于4台机组中1～4台单独运行或者组合运行。空压机可以根据机组运行情况灵活启停。

2.4 方案四：采用离心式+螺杆空压机（一二期空压机统筹考虑）

一、二期工程除灰系统用气流量约为480 m³/min，本期设3台160 m³/min、0.5 MPa离心式空压机。正常工况下，3台空压机全部运行供4台机组使用，由一期工程3台57.1 m³/min、0.8 MPa的螺杆式空压机作为备用。若其中一台空压机故障，则2台160 m³/min、0.5 MPa离心式空压机作为二期输灰气源，一期3台57.1 m³/min、0.8 MPa螺杆式空压机仍作为一期输灰气源。如此一、二期输灰空压机全部采用较低压强离心机，更有利于节能。

一、二期工程仪用及厂用气流量约为220 m³/min，设2台120 m³/min、0.8 MPa离心式空压机，与一期工程4台44.6 m³/min、0.8 MPa和1台57.1 m³/min、0.8 MPa螺杆式空压机作为仪表备用空压机。4台机组全部运行时，2台离心式空压机均运行，离心式空压机与一期螺杆式空压机之间采用母管联通。螺杆式空压机既可作备用机，又可以在机组运行数量变化时调节气量。

3 空气压缩机方案技术经济比较

经过上述论述可知，4个方案均是可行的，但其技术及经济方面孰优孰劣，需要进行必要的技术及经济比较后才能确定。空气压缩机方案技术经济比较如表2所示。

4 结语

通过前面几节的比较分析，方案一与方案二、方案三、方案四比较初投资，可分别节约160万元、120万元和185万元，但年运行费用分别高49.05万～60.20万元、62.21万～129.10万元和66.67万～133.56万元，经过2～4年可将初投资差额回收。方案二、方案三、方案四比较：若二期空压机单独设置，采用方案二;若一、二期空压机统筹考虑，采用方案三或者方案四均可;方案四最节能，较方案三投资高65万元，每年节约运行费用为4.46万元，需要14.6年方可收回投資。

综上所述，本工程采用螺杆式空压机方案或离心式空压机+螺杆式空压机方案均是可行的。从业绩角度而言，螺杆式空压机在电厂应用中更有优势，且电厂对螺杆式空压机也有丰富的运行、维修经验。而离心空压机的优势在于节能降耗，在其他行业广泛使用，但在电厂中的使用相对较少，且有喘振的可能性。电厂工作人员需要有良好的培训并逐步积累离心机工作经验[5]。本工程若采用螺杆式空心机方案，建议采用方案一;若采用离心式空心机方案，建议采用方案三。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.大中型火力发电厂设计规范：GB 50660—2011[S].北京：中国计划出版社，2011.

[2]刘晓东.火力发电厂空气压缩机系统优化节能探究[J].装备制造技术，2016（9）：171-174.

[3]高鹏.螺杆空气压缩机存在的问题及解决方法[J].热力发电，2008（4）：63-64.

[4]刘书秋.DL/T 5066—1996《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》简介[J].电力标准化与计量，1998（2）：20-21.

[5]高朋艳.风力发电厂压缩空气蓄能的研究[D].北京：华北电力大学，2011：49-52.