调峰燃机停备期间压缩空气系统替代研究

调峰燃机停备期间压缩空气系统替代研究

郑鹏飞 苏骏豪

郑州燃气发电有限公司 河南省 郑州市450001

摘要：任何工业企业都有生产量上的差异，即便在一天当中，压缩空气系统用气需求也有大有小，而了解这些需求变化对整个压缩空气系统的影响，是确保系统能够保持预期功能和效率的关键。不管生产负荷如何，确保压缩空气系统以最安全的和最佳性能运行，是各个电厂发电公司不懈追求的目标。 因此，调节压缩空气系统与之用量相匹配，以达到节能减排，降本增效的目的。

关键词：压缩空气 节能 调峰

在基于现有两部制电价实施方案下，由传统的多发电长时发电创效益变为短时调峰创效益，两部制电价下，运方特点为：运行时间短、调峰负荷高、启停次数频繁、机组备用时间长等特点。而压缩空气系统作为厂用仪用杂用供能系统，处于常年不休的状态。这其中主要在生产方面构成两个时间要素，一个是长期停备阶段约为8个月，一个是频繁启停的调峰阶段约为4个月。出于政策的时效性以及启停调峰的生产安全性考虑，本文构思的替代研究方案仅从长期停备时间点阶段下手，在保证原有系统的正常运行性能下，并接入电力储能式压缩空气系统。

传统意义上，压缩空气系统在设计建设之初往往会留有一定余量以应对可能出现的额外需求。但当用气需求减少时，空压机仍然满负荷运行必然导致极大的能源浪费。因此，我们在满足生产用气需求的基础上，必须千方百计地控制压缩空气的产生，降低压缩空气没有经济效益的产出与消耗，用尽可能少的电产生尽可能多的气，也就是降低气电比，降低单位能耗。

从系统节能选择上，主要分为：1、合理选择空压机型号，每台压缩机的气量大小不同，选择适合自己场地和气量大小的压缩机是非常重要的。选型不当，将导致系统能效降低，造成不必要的浪费。2、根据用气特点选择适宜的定转速或者变频变压压缩机。螺杆机和离心机有各自的优势，灵活运用并选择最适合的压缩机类型可以显著降低运行成本。3、储气罐的使用也对系统节能非常重要，较大尺寸的储气罐可以减少压缩机的加卸载和工作周期，有利于节约能源。4、降低系统的压力，压力越低，系统损耗越小。5、定期维护保养，压缩空气泄漏会造成巨大能源损失。应定期检查气动设备的接口、管路的连接点,及时消除泄漏隐患。

我厂设计空压机为3台MM160英格索兰单级水冷空压机和1台R160N_W10英格索兰变频单级螺杆式空压机，对应每台空压机配有杭州嘉隆气体设备有限公司JHL型压缩空气干燥器一台。空压机站配有4个空压机储气罐，#1、#2、#3储气罐供仪用气，#4储气罐供检修用气。正常运行1台空压机，互为备用。

螺杆式压缩机是一种按容积变化原理而工作的双轴回转式压缩机，其工作原理类似于一般的活塞式压缩机，当气体被吸入工作室后，工作室随即关闭及缩小，被压缩的气体经历一个多变压缩过程，当工作室内的气体达到所预期的终压力时，工作室立即与压出管接通，工作室继续缩小，受压缩的气体便被排出至排气管道内。活塞式压缩机的工作室是由活塞和气缸所组成，而螺杆式压缩机的工作室则是由一对斜齿的齿轮转动时，齿面互相接触所形成的接触线沿着轴向运行，在齿槽间输送的气体容积逐渐变小，从而达到了被压缩的目的。

#1空压机于2017年进行变频改造，改造后用电量下降明显。厂用压缩空气系统为我厂主要消耗气源，系统全年运行不休，耗电量虽然小，累计值却很大，按照工频空压机年耗电量140万度电来算，增加维护支出约70万。我们设计两个方案提升和改造该系统，力求达到低耗能的要求。

试验方案1：通过降能降耗来实现节能。

为达到技能降耗目的，进行#1空压机带全厂压缩空气试验，全厂机组停运期间，保持#1空压机单台运行，根据系统运行情况，测定正常运行压力0.6-0.8Mpa，设定#1空压机运行压力0.54-0.6Mpa运行，0.45-0.54Mpa运行，0.3-0.45Mpa运行并进行相关重要阀门试验。

注意事项：

1. 试验开始前，检查#1空压机阀门位置正常，带仪用压缩空气正常；
2. 检查#1空压机滤网无脏污；
3. 检查#1空压机冷却水正常投入运行；
4. 检查#1空压机油位正常；
5. 设定加载减载值后，观察空压机运行正常，无异常报警；
6. 检查#1空压机本体无外漏、异音等异常；
7. 在分步试验中，压缩空气母管压力在设定区间的±0.05Mpa内，如不在该区间，检查系统是否异常；
8. 如在试验过程中发生异常情况（排气压力高、油温高、冷却水压力低、电流过载等），手动停运#1空压机，待检查结果确定后续试验；
9. 试验期间，应避免干燥塔切换、大量压缩空气使用等所造成的数据不准；
10. 待试验结束后，将#1空压机运行模式切换至试验前状态，并观察1h正常。

以上结论：

1. 由于空压机为变频模式，加载卸载区间为目标值的±2%，加载卸载电流约为±15%，加载卸载时间为每0.01Mpa/min。
2. #1空压机变频运行加载时间与卸载时间基本相同；
3. #1空压机变频运行加载与电流与当前目标值和实际母管压力存在正比关系，差值越大，时间越长。卸载时间与系统泄漏量成反比关系，泄露越大卸载时间越短。
4. 现在#1空压机目标值设定为0.72Mpa（实际加载压力为当前值+0.07Mpa）根据测算结果计算得日耗电量1735kwh；
5. 若#1空压机目标值设定为0.54Mpa（实际加载压力为当前值+0.07Mpa）根据测算结果计算得日耗电量为1617kwh；
6. 若#1空压机目标值设定为0.45Mpa（实际加载压力为当前值+0.07Mpa）根据测算结果计算得日耗电量为1499kwh，但试运相关气动阀存在无法关闭或开启的风险；
7. 由于#1空压机特性，无法设置低于0.45Mpa（实际空压机母管压力不低于0.52Mpa）。
8. 若按照结论5调整，每日可减少118度电。

试验方案2：通过增加旁路系统在机组备用期间为主运行系统运行达到节能目的。

将现有压缩空气系统，#1空压机为变频模式，#2/#3/#4空压机为工频模式，由主空压机改为自清洁空压机运行，双机停运期间通过停运4台公用空压机，停运#1、#2机闭冷水、启动一台自清洁空压机运行维持压缩空压正常运行。

改造方案：

将公用压缩空气系统停运，在原有压缩空气公用管道分别为#1、#2机设置#1、#2自清洁空压机来维持系统运行。关闭公用空压机压缩空气储气罐1/2/3/4，打开自清洁空压机出口储气罐至母管压缩空气手动阀，将#1自清洁空压机更改为光伏-蓄电池供电模式，白天在光伏充足时，使用光伏直接启动#1自清洁空压机，夜间使用蓄电池组直接启动#1自清洁空压机，蓄电池组满足启动#1自清洁空压机的要求，并提供不低于16小时供电时长，蓄电池组充电由白天光伏充足时提供。完全实现由光伏发电带厂用压缩空气系统运行的目的，实现自给自足。

注意事项：

1、将#1自清洁空压机投入运行，保持自清洁空压机与压缩空气母管相连；

2、退出#1/#2/#3/#4空压机联锁，停止运行。

3、观察压缩空气母管压力下降至自清洁空压机启动数值；

4、自清洁空压机启动加载正常。

5、自清洁空压机未正常加载，检查系统压力无法维持时，启动#1/#2/#3/#4空压机其中一台维持压力，并将#1自清洁空压机与系统隔离；

6、自清洁空压机启动加载时，检查无温度高异音等异常；

7、试验结束后，将压缩空气系统恢复至试验前状态。

结论：

1、自清洁空压机存在气质不合格风险，暂时无法彻底消除；

2、若按照#1空压机变频带系统运行，停掉其他工频空压机，可节省日电量2105度电；

3、若按照自清洁空压机带系统运行，仅停掉公用空压机，可节省日电量1015度电；

4、若按照自清洁空压机带系统运行，停掉公用空压机及闭冷水系统，可节省日电量4855度电。

5、可提升日光伏发电量720度电。

6、综合全年除去迎峰度夏期间6/7/8月及迎峰度冬1月，全年约240日可以使用该节能方式，节约用电240*1015=24.36万度，节约电费约为12.18万元，若停运闭冷水系统，可以达到最大节约用电240*4855=116.52万度，节约电费约为58.26万元。

结语：将自清洁空压机出口设置滤油除湿装置，解决自清洁空压机气质不合格问题；设定每日自清洁空压机在全厂停机备用状态下运行，白天为光伏电源直接供电至自清洁空压机，夜间为自清洁空压机蓄电池为自清洁空压机供电。附加的压缩空气系统投入效益很少，可以节省开支。另一方面若两部制政策有所改变，也可以保留原系统的效用。

参考文献：

【1】 石征锦.压缩机节能控制系统的设计和应用【J】.节能，2008（3）：33-34

【2】 卢光法.西门子F级燃气轮机技术问答.2015（10）

【3】 刘殿河.燃气-蒸汽联合循环机组集控运行规程. 2019（1）：242-244