華能巢湖電廠全廠壓縮空氣系統優化

張蓮鶯

(江蘇省電力設計院，南京市，211102)

1 工程概況

華能巢湖電廠位于安徽省巢湖市境內淮南鐵路旁，新建規劃容量為4×600 MW，本期工程安裝2臺600 MW燃煤機組。項目于2007年5月23日經國家發展和改革委員會核準，2007年3月1日正式開工建設。2008年08月9日，1號機組投入了商業運行。2008年11月24日，2號機組投入了商業運行。

2 各專業壓縮空氣用量及品質要求

全廠需要壓縮空氣的有熱機、熱控、除灰、脫硫等專業，這些專業對壓縮空氣的用氣量、用氣品質及使用時間各不相同[1-8]。華能巢湖電廠2×600 MW機組各專業壓縮空氣用量見表1。全廠要求的最大供氣量為150 m3/min。

表1 2×600 MW機組用氣量Tab.1 Air consumption of 2×600 MW unit

3 全廠壓縮空氣站優化

采用全廠壓縮空氣站統一配氣、供氣的方式，通過螺桿式空壓機由全廠壓縮空氣站向除灰、熱控、熱機、脫硫等專業提供氣源。該方案可以提高設備利用率，減少備用設備數量，提高供氣可靠性。空氣壓縮裝置所需的總占地面積縮小，監控費用和維修費用降低。通過設備選型優化，可以取消1座除灰空壓機房，并且更容易做到隔音降噪。每臺空壓機設備內置智能控制器，具有操作簡便、可調節工作參數、多機聯控、快速診斷故障、綜合數據顯示等功能。可采用單獨智能控制裝置控制多臺空壓機機組，并提供并入全廠DCS的接口和通訊聯系。壓縮空氣站系統如圖1。

3.1 空壓機站總容量

儀用空氣后處理設備采用組合式空氣干燥器，再生耗氣量不大于進氣量的3%，按照空壓機流量不小于需要空氣流量（150 m3/min＋3%×50 m3/min）的110%考慮，全廠空壓機站總容量為167 m3/min。

3.2 空壓機備用容量

GB 50029—2003《空氣壓縮站設計規程》對空壓機的備用規定如下：當最大機組檢修時，除通過調配措施可允許減少供氣外，其余機組應保證全廠生產的用氣量。

根據上述全廠用氣量一覽表和GB 50029—2003《空氣壓縮站設計規程》的規定，采用4臺螺桿式壓縮機作為供氣設備，3用1備。

綜合考慮《火力發電廠設計技術規程》[1]對儀用空壓機宜設2臺備用的要求，本工程共設置5臺螺桿式壓縮機，3臺運行，2臺備用。所選設備參數如下：每臺空壓機流量Q=167（m3/min）/3=56 m3/min，排氣壓力H=0.85 MPa，功率P=300 kW。

3.3 空氣后處理設備備用容量

空壓機出口采用母管制，不需要進行后處理的熱機檢修用氣直接從空壓機出口母管上接出，其余則根據對空氣品質的不同要求分成2類，一類為熱控控制（含除灰、脫硫控制）用氣，另一類為干灰輸送用氣。

GB 50029—2003《空氣壓縮站設計規程》對儀用空氣后處理設備的備用規定如下：（1）當用戶要求干燥壓縮空氣不能中斷時，應選用不少于2套空氣干燥裝置，其中1套為備用。（2）除要求不能中斷供氣的用戶外，可不設置備用壓縮空氣過濾器。其中，熱控控制、除灰、脫硫儀用氣等級最高，必須保證供給。擬采用帶有前、后共3級過濾器的組合式干燥器處理壓縮空氣，具體流程如下：從空壓機出口空氣母管接管至組合式干燥器，干燥器設一級前置過濾器和二級后置過濾器，以保證空氣品質要求。共設2套組合式干燥器系統，1運1備，干燥器出口設儀用空氣母管。從儀用空氣母管上分別接管至熱控控制用氣點和除灰、脫硫控制用氣點。組合式干燥器空氣處理量60 m3/min，出口空氣壓力露點-40oC。

干灰輸送氣源采用冷干機系統，對空氣進行后處理，具體流程如下：從空壓機出口空氣母管接至冷干機系統，冷干機前后各設一級過濾器，以保證空氣品質要求。共設3套組合式冷干機系統，2運1備，冷干機系統出口設干灰輸送用空氣母管。從干灰輸送用空氣母管上分別接管至兩爐干灰輸送用氣點。冷干機空氣處理量為50 m3/min，出口空氣壓力露點為2oC。

3.4 空壓機選型

傳統的氣缸－活塞式空壓機噪音大，性能不好，產氣品質不良。隨著技術的進步，螺桿式空壓機已經取代活塞式空壓機，廣泛應用于電站工程。世界品牌廠商Ingersoll—Rand、CompAir、Atlas Copco 等公司進入中國，實現了部分部件國產化，使國內螺桿式空壓機技術水平與國外幾乎同步。

螺桿式空壓機是具有螺旋狀轉子的容積式壓縮機，主要部件是1對陰陽轉子，隨著其彼此向前推動，陰陽螺桿與機殼之間容積減小，以達到對空氣進行壓縮的目的。每一個螺桿主機都有固定的內壓縮比，它取決于轉子的長度、節距和排氣口的形狀。為使效率最佳，壓縮比必須與所需的工作壓力相適應。螺桿壓縮機不需要安裝氣閥，也沒有引起不平衡的機械力，因此，它可以在高轉速下工作，并具有小尺寸、大流量的優點。由于螺桿壓縮機進口和出口有壓力差，軸承須承受軸向力。最初螺桿是對稱形狀，現在已發展成不對稱形狀。

早期的螺桿壓縮機有對稱的型線，壓縮腔中不用噴液，稱為無油或干式螺桿壓縮機。1960年出現了不對稱型線的高速無油螺桿壓縮機，由于降低了內泄漏，新轉子型線明顯提高了效率。干式螺桿壓縮機用外部的齒輪使一對相對轉動的轉子保持同步，轉子之間不接觸，也不與機殼接觸，因此壓縮腔中不需要潤滑，壓縮空氣是完全無油的。轉子與機殼經精密加工，使壓力側到進口的泄漏降至最小。單級的壓縮比受到進氣與排氣之間溫度差的限制，這就是無油螺桿壓縮機通常設計成多級的原因。無油螺桿壓縮機價格昂貴，一般用于對壓縮空氣品質要求極高的場合，一般工業企業不選用。

噴液螺桿壓縮機是將液體噴進壓縮腔，通常也噴到壓縮機的軸承，對壓縮機進行冷卻和潤滑。噴液的作用是冷卻壓縮機的主機和防止氣體泄漏。最常用的液體是潤滑油，因為油有良好的潤滑作用。噴液螺桿壓縮機可以制成高壓縮比，單級壓縮機的壓力可以達到1.3 MPa。由于主機的內泄漏低，這也表明即使是比較小的螺桿壓縮機也可以有較高的效率。

因此，在本工程設備選型中選用了噴液螺桿式空壓機。

3.5 空氣后處理設備

空壓機排出的壓縮空氣含有多余的物質，如水滴或蒸汽、油滴或油霧、灰塵。低端用戶對此無要求，可以直接使用。但多數用戶會對空氣品質提出要求，以滿足工藝需要，如熱控控制和干灰輸送等用戶。空氣后處理設備（包括干燥設備和過濾器）為集成式模塊設計，壓縮空氣經過空氣后處理設備后，油、水、塵得到分離，可以根據用戶對空氣品質的不同要求，對其進行相應配置。

3.5.1 組合式空氣干燥器

儀用空氣后處理設備采用組合式空氣干燥器進行空氣處理。組合式空氣干燥器結合了冷凍式空氣干燥器及無熱再生式空氣干燥器的優勢，具有能耗低、再生耗氣量少（不大于進氣量的3%）、露點溫度低（不大于-40℃）且穩定、結構緊湊、自動化程度高、操作簡便等優點。

吸附塔進口的壓縮空氣來自冷凍式空氣干燥器的蒸發器出口（壓縮空氣溫度為5℃左右），再生空氣為從吸附塔出口引出的干燥熱空氣。與傳統的串聯式干燥機相比，組合式空氣干燥器吸附溫度更低（傳統的吸附溫度在20℃左右），進一步提高了吸附深度，在保證同樣的壓縮空氣露點的前提下，能耗更低，更具合理性，而再生過程卻是由高溫的干燥空氣來完成的，使再生過程在更短的時間內完成，從而大大減少了再生耗氣量（不大于進氣量的3%）。這是一般冷凍式空氣干燥器與無熱吸附式干燥器串聯流程所不能實現的。

3.5.2 冷凍式空氣干燥器

冷凍式空氣干燥器本質上是一種熱交換設備，由空氣熱交換系統、制冷系統、汽水分離系統及電氣控制系統等部分組成。制冷系統由冷媒壓縮機、蒸發器、冷凝器及節流組件（毛細管或膨脹閥）等組成。含有大量水蒸氣的壓縮空氣主要在蒸發器里完成汽-液冷凝相變，在汽水分離器里完成液態水的凝聚與排出，從而獲得干燥的壓縮空氣。制冷系統的工作狀況直接決定了冷凍式干燥機的運行情況，而汽水分離器的結構與效率對成品氣的干燥程度（用壓力露點來表示）有至關重要的影響。空氣熱交換器的設計關系到冷凍式干燥機的節能運行，并使壓縮空氣成品氣不至于在機器出口管道內結露。

根據制冷系統中冷凝器工作時的冷卻方式分類，冷凍式干燥機可分為風冷式與水冷式2種。風冷式干燥機多應用于小負荷及移動性場合，受環境溫度影響較大；水冷式干燥機主要用于大負荷場合，受環境溫度影響較小，本工程采用水冷式干燥機。

3.6 儲氣罐及管網

壓縮空氣中心需要設儲氣罐儲存壓縮空氣，消除來自空壓機壓力的波動，冷卻空氣和收集冷凝水。儲氣罐帶有安全閥和排污閥。合理的儲氣罐設置可以提高整個壓縮空氣系統的安全裕度，在極端情況下保證用氣工藝的安全運行。考慮到熱控專業儀用壓縮空氣對整個系統安全至關重要，根據《火力發電廠設計技術規程》[1]中“當全部空氣壓縮機停用時，熱工控制壓縮空氣系統的貯氣罐的容量應能維持不小于5 min的耗氣量”規定，設置2個50 m3的儀用儲氣罐，以滿足儲氣罐內壓力下降到0.6 MPa過程可持續向儀用氣用戶供氣5 min的要求。設置2個25 m3的儲氣罐，作為平穩干灰輸送氣源用。設置1個25 m3的儲氣罐，作為機務檢修氣源用。

3.7 空壓機站控制與調節系統

全廠空壓機站實行智能化控制，設中央控制單元，采取節能型自動控制調節方式控制空壓機群。每臺空壓機本體內置數碼智能控制器，只要輸入系統所需壓力及控制模式，正常運行過程中不需要任何手工操作。中央控制單元根據系統壓力變化，優化計算，自動啟動空壓機群中的不同空壓機，以滿足外部壓縮空氣需求，并實行輪換制式。中央控制單元還可以與集控室通訊，提供系統狀態及報警信號。空氣后處理設備的集控納入中央控制單元范圍。

全廠空壓機站采用儀用空氣優先的原則，在機務檢修用氣儲氣罐和干灰輸送用氣儲氣罐進氣管線上設置氣動閥門，當儀用空氣供氣壓力滿足不了系統要求時，自動依次關閉機務檢修用氣和干灰輸送用氣儲氣罐進氣閥。

4 空壓機站分置與統置的技術經濟比較

4.1 空壓機站分置

按通常的分置空壓機站方式，本工程電廠各空壓機站的設置配套如下。

（1）除灰專業空壓機站。除灰專業空壓機站負責向除灰系統提供輸送用氣，須配置空氣流量50 m3/min，出口壓力0.85 MPa，功率290 kW等級的空壓機3臺，2臺運行，1臺備用。共需要設3套冷凍式空氣干燥器系統，2套運行，1套備用，冷凍式空氣干燥器空氣處理量50 m3/min，出口空氣壓力露點2oC。

（2）熱機專業空壓機站。根據《火力發電廠設計技術規程》[1]中有關熱工控制用和機務檢修用空壓機的設計要求：“運行空壓機的臺數宜為2臺，總容量應能滿足熱工控制用氣動設備的最大連續用氣量，并宜設置2臺備用”，及編制說明中“300 MW和600 MW機組宜分別配置4臺20 m3/min和40 m3/min容量的空氣壓縮機”，本工程需要配置4臺空氣流量40 m3/min、出口壓力0.85 MPa、功率250 kW等級的空壓機，負責向熱控、除灰控制、脫硫儀用、熱機檢修提供壓縮空氣，空壓機2臺運行，2臺備用。共設3套組合式空氣干燥器系統，2運1備，組合式空氣干燥器空氣處理量40 m3/min，出口空氣壓力露點-40oC。

空壓機站分置情況下的系統配置見表2。

表2 空壓機站分置配置表Tab.2 Configuration of compressed air station

4.2 空壓機站統置

當采用全廠空壓機站統一配氣、供氣的方式向除灰、熱控等專業提供氣源時，全廠僅需要配置5臺空氣流量56 m3/min、出口壓力0.85 MPa、功率300 kW等級的空壓機，3臺運行，2臺備用，即可滿足表1中列出的全廠最大壓縮空氣供氣量150 m3/min的要求，并符合GB 50029—2003《空氣壓縮站設計規程》[3]和《火力發電廠設計技術規程》對空壓機的備用規定。

4.3 分置與統置的技術經濟比較

從空壓機站分置與統置2種配置方式的論述中可以看出：如果采用空壓機站分置方式，除灰、熱機分設2處空壓機站，各專業空氣供應各行其道，自成系統，備用設備臺數多，設備總量及品種多，設備布置點分散，維護管理工作大，系統調控性能差，建筑面積增加；空壓機站統一設置，不僅可以減少設備總量、建筑面積和起吊設施，并且系統調控性能得到提高，維護管理也更方便。

空壓機站分置與統一布置2種配置方式經濟比較見表3。

表3 空壓機站分置、統置方式經濟比較Tab.3 Economic comparison of compressed air station

5 結論

綜上所述，對于全廠空壓機站的設置方式，推薦采用全廠統一布置供氣的方式集中供氣，并根據工程條件，選擇合適的機組，可以減少設備備用數量、監控費用和維修費用，減小壓縮裝置占地面積。

[1]DL 5000—2000火力發電廠設計技術規程[S].

[2]DL/T 5142—2002火力發電廠除灰設計技術規程[S].

[3]GB 50029—2003壓縮空氣站設計規程[S].

[4]GB 3857—1998容積式壓縮機驗收試驗[S].

[5]GB 10893—1989壓縮空氣干燥器規范與試驗[S].

[6]陳永江.容積式壓縮機原理與結構設計[M].西安：西安交通大學出版社，1985.

[7]徐明.壓縮空氣站設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1993.

[8]江蛟，高嘉梁,，王志斌.華能巢湖電廠2×600 MW工程創新和優化設計[J].電力建設，2010，31（1）：72-76.