火力發電廠空氣壓縮機系統優化節能探究

劉曉東

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源517025）

火力發電廠空氣壓縮機系統優化節能探究

劉曉東

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源517025）

空氣壓縮機系統在火力發電廠中是必不可少的重要的系統之一，并且無時不刻都在運行，對系統優化和廢熱利用，會為電廠、社會節能降耗做出巨大的貢獻。本文著重從空壓系統聯網控制（PLC）、壓縮氣體智能流量控制器（I F C）和空氣壓縮機廢熱回收節能3個方面來闡述火力發電廠空壓機系統的節能優化設計，對空壓機系統包括后處理設備的控制管理、流量管理、余熱再利用，從而達到節能的目的。

發電廠；空氣壓縮機系統優化；廢熱利用；節能

火力發電廠的空氣壓縮機站通常由多臺空氣壓縮機組成，每臺空氣壓縮機都由一臺電機單獨拖動，獨立進行控制，供氣系統連成網絡。空氣壓縮機站一般按最大工作負荷而設計的，在實際運行中，如果整個系統用氣量少時，啟動1～2臺空氣壓縮機組即可滿足用氣要求；用氣量大時，啟動多臺并聯運行從而達到穩定氣壓、保證系統供氣量的目的。在供氣系統預設管網壓力定值后，系統將自動根據在預設壓力定值的下限與上限之間自動控制空氣壓縮機的加載與卸載，來實現滿足整個系統用氣量的自動控制。

本文著重論述的是某發電廠6臺600 HP空氣壓縮機系統的聯網控制優化方案和廢熱回收等節能措施，為其他電廠工程優化設計、節能、改造提供了借鑒。

1 基本環境

某火力發電廠一期工程為2臺600 MW超超臨界燃煤發電機組，公共系統配備6臺600 HP的螺桿式空氣壓縮機系統，壓縮空氣管網設計供氣壓力為0.7 MPa，最大工況設計供氣量為300 Nm3/min，空氣壓縮機運行方式為4運2備。

采用壓縮空氣后處理裝置使壓縮空氣達到氣動儀表用壓縮空氣的質量等級，當空氣壓縮機冷卻水進口溫度為30℃、空氣壓縮機進口空氣溫度不高于40℃、排氣壓力不低于0.8 MPa時，單臺空氣壓縮機出力不小于85 Nm3/min.

2 方案設計依據

空氣壓縮機系統聯網控制是針對螺桿式空氣壓縮機的生產使用工藝要求而設計的自動化監視系統。通過智能化的監測，實現對空氣壓縮機及其輔助設備的數據監視，以保證整個壓縮空氣管網系統的長期、安全、穩定、合理和高效的運行。

通過PLC(Programmable Logic Controller)軟件程序優化、IFC節能控制器對用氣端管理、廢熱利用以及電氣設備選型，參照監測設備的使用要求，結合了多年的實際應用經驗進行系統優化。方案設計中充分考慮了性價比和系統的合理性，最大限度地滿足需方的要求，同時兼顧中國及國際相關電氣標準。

3 空氣壓縮機系統節能方案

3.1 空壓系統聯網控制節能

PLC聯網監測的對象如表1所示。

表1 空氣壓縮機系統聯網監測對象清單

圖1為螺桿式空壓機的工作原理圖，PLC聯網監測表現的就是對空壓機與干燥機（冷卻器）的控制，來實現一鍵啟停、無人值守的目的。

圖1 火力發電廠空壓機系統

螺桿式壓縮機設備通過通訊總線采集數據，而組合式干燥機設備通過硬結線采集運行狀態數據。空氣壓縮機聯網控制系統由計算機操作站組成，采用分層分級監測管理的原理，逐一、逐級進行檢測、管理、優化運行，而分層管理又分為現場層和信息層兩個級別。

處于現場層的空氣壓縮機及其輔助設備均配備了完善可靠的本機監測設備和電氣保護裝置，可以獨立完成本機的啟動、運行和自我保護，而在監測系統不投運的情況下，也能正常地進行單機工作。此時，監測系統不對壓縮機及其輔助設備的內部運行邏輯和保護進行操作。

監測系統的信息傳遞和控制執行是通過信息層的計算機操作站來實現的，用戶可以在操作站上觀察設備的運行狀態和數據情況，以便及時發現設備的當前運行參數是否偏離或者嚴重偏離正常值，為下一步是否采取必要措施提供了參考。這一切都是由監測系統的信息層來自動跟蹤和實現的。

計算機操作站的監視軟件選用美國GE公司的iFIX工業自動化軟件平臺，又對其進行了二次開發，更貼合某電廠的實際運行狀況，達到最大限度的安全運行、節能優化的功能。它有如下特點：

（1）友好的人機操作界面，方便的導向性操作菜單，圖形設計簡潔，色彩應用合理；

（2）實時采集和顯示空氣壓縮機設備及其輔助設備的運行狀態和運行參數，以及現場運行過程的檢測數據的記錄；

（3）自動進行設備報警和故障提示；

（4）采用用戶權限的管理方法，密碼輸入，進行系統操作安全性限制；

（5）可以根據需方要求定制輸出中文數據報表；系統具有大容量數據庫存儲，可以保證一年的數據存儲量，并且提供了快速方便的歷史數據查詢和檢索功能；

（6）通過PLC對空氣壓縮機系統的聯網控制，可對現有機器使用情況做到自動轉換，無需人工干預而達到減少開機次數或者減少運行臺數，從而達到節能降耗目的。

3.2 IFC（Inte lligent flow contro ller）智能流量控制器

3.2.1 壓縮氣體用氣端優化

節能控制器是專門設計用在壓縮氣體后處理設備之后、或者用氣設備之前的一種節能裝置，它配置了有用儲存信息，根據用戶的實際需求，以最低壓力、最優模式提供可靠的壓縮空氣。

空氣壓縮機系統供氣管網數據與各用戶的需求參數之間的遠程聯系由IFC來建立，即由IFC控制器時刻監控管網的系統壓力，它可以精確到±1psi.當用戶出現短暫的峰值用氣需求時，它首先控制系統從中間儲氣壓力罐體中釋放壓縮空氣來滿足用戶當時的用氣需求，而不再是靠再啟動另外一臺空氣壓縮機的運轉來直接滿足用戶需求。當用戶端的壓力下降且不足以維持設備正常運行時，IFC發出信號，啟動新的壓縮機增加產氣量提升系統的壓縮空氣壓力，達到最低的需求壓力時，空氣壓縮機自動加、卸載運行平衡系統壓力。一旦系統不再大量需求壓縮空氣，那IFC會自動尋優切掉一臺或者兩臺空氣壓縮機，最大限度地達到節能的目的。

3.2.2 用氣端優化的優點

用氣端優化的流程圖如圖2所示，即在原來空壓機產、供氣系統上增加一個虛框內的設備IFC，用以對供氣端進行調整和管理。

圖2 帶智能流量控制系統的火力發電廠空壓機系統

空氣壓縮機能效提高。通過IFC使得壓縮空氣管網系統按用氣端的需求壓力能夠以最低壓力、最優模式來提供，這樣，空氣壓縮機的實際運轉臺數和實際運轉時間便有了降低的空間或可能；也是因為IFC的存在，使得空氣壓縮機不需要再對用戶的動態用氣需求做出直接回應，從而實現了空氣壓縮機運行效用的優化，同時減少了設備的磨損，使維護、保養、更換備件周期加長，提高了經濟效益。詳細見圖3所示的有/無IFC時的供氣端壓力管理曲線。

圖3 無智能流量控制器和有智能流量控制器的用氣端壓縮空氣輸出曲線圖

生產用氣品質提升：從圖2也可以看出，IFC節能控制器精準的壓力輸出（±1psi），大大地降低了用氣端的大幅度壓力波動，為末端用戶提供了高品質的氣源，有效地保證了設備的性能使用，減少了壓力沖擊等對設備的磨損和消耗，無形中延長了設備的使用壽命。

3.2.3 節能效果評估

以停運1臺空氣壓縮機或者延長1臺空氣壓縮機的卸載時間為例，來計算節省用電費：

1臺85 Nm3/h的空氣壓縮機（600 HP/450 kW）、運行：24 hrs×150 days、加載70%~30%，年節省能耗：1 231 200 kWh.按目前電費0.65元/kWh計算，年節省電費800 280元/年。

以上還不包括設備減少磨損、備件消耗、人工檢修等成本，節能效果相當可觀。

3.2.4 小結

IFC壓縮氣體節能控制器的存在，改變了現在空氣壓縮機系統中的4運2備的設備狀態，減少了空氣壓縮機臺數的運行，避免了設備長期在卸載狀態，不但大大降低了廠用電率，而且減少了空氣壓縮機的磨損，降低了備件的消耗。

3.3 空氣壓縮機廢熱回收節能

3.3.1 空氣壓縮機廢熱回收器原理

火電廠600HP是水冷式空氣壓縮機，廢熱回收系統其原理是把空氣壓縮機在正常運行時產生的熱量，利用同程截流式反串熱泵做熱交換回收出來，經過循環加熱達到所需求參數的熱水。一方面使運行的機組得到正常的冷卻，另一方面減少其他能耗設備的運行，達到節能減排的目的。

空氣壓縮機熱水器主體熱泵并非簡單和傳統的冷熱交換形式，其采用同程截流式反串熱泵，使冷熱交換效果大增到1.8～2.0倍。該系統的優點是：（1）水溫恒定，不受外界溫度影響；（2）熱回收率高，計算熱回收效率可達80%以上；（3）安全、衛生、方便；（4）降低空氣壓縮機運行時產生的噪音，減少了對周邊環境的噪聲污染；（5）提高空氣壓縮機的產氣量，降低故障率，延長保養周期和設備的使用壽命；（6）系統全自動運行、定溫智能控制，無需專人值守。

3.3.2 節能效果評估

根據空氣壓縮機的設計參數得知：如果1臺600 HP空氣壓縮機運行產生的廢熱回收效率按85%，進水溫度為20℃，出水溫度為65℃來計算，它的產水量計算約為5m3/h.

按電廠空氣壓縮機系統每天為3臺600 HP正常運行，熱回收改造后一天回收的熱量為：5×3×24 =360m3/天。

在相同條件下，對1 t初始水溫為20℃的生活用水進行加熱，使水溫升高至65℃所需要的熱量為：1000 kg×（65-20）℃×1 Kcal/kg℃=45 000 Kcal.

熱水機組回收系統與其他能源設備的經濟性對比參數，詳見表2.

表2 熱水機組回收系統與其他能源設備的經濟性對比參數

從上述的表格對比情況來看，空氣壓縮機運行產生的熱量如果被有效地利用起來，是廢熱再利用、節能、環保良好的典范。

從客觀的情況來說，火力電廠空氣壓縮機系統是幾乎沒有停運時候的，其連續產生的熱量就會源源不斷地向外輸出，造福人類。

4 結束語

本文著重從3個方面來說明火力發電廠空氣壓縮機系統重要的的節能方式，它們分別是：空壓系統聯網控制，IFC壓縮氣體節能控制器和空氣壓縮機廢熱回收節能。

通過第一方案PLC空壓系統聯網控制和第二方案IFC壓縮氣體節能控制器相結合，把現在主機房4運2備的狀態改變，合理減少運行機組的數量，且能在設備主動停用或者故障時，PLC系統又能自動根據管網系統的壓力情況啟動備用空氣壓縮機進行壓力補充，且不會影響正常生產用氣，這樣會節省更多廠用電以及減少空氣壓縮機的磨損、備件消耗。

空氣壓縮機系統是給設備提供合格的、穩定壓縮空氣的系統，是電廠機組正常運行時必不可缺少的重要的系統之一，如果對設備優化運行和運行中產生的廢熱得到綜合利用，能為電廠和社會帶來更巨大的效益。

Optimization and Energy Saving of Air Compressor System in Thermal Power Plant

LIU Xiao-dong
（Deep Energy and Electric Power（Heyuan）Co.，Ltd.，Heyuan Guangdong 517025，China）

Air compressors is a necessariers and important system in the thermal power plant，always in operation of the air compressor system optimization and waste heat utilization，for power plants make a great contribution，society，saving energy and reducing consumption. This paper from the air pressure system network control，compressed gas intelligent traffic controller (IFC) and an air compressor waste heat recovery energy-saving three aspects to elaborate the air compressor system in the thermal power plant energy saving optimization design. The air compressor system includes the control and management of the post processing equipment，flow management，waste heat reuse，so as to achieve the purpose of energy saving.

power plant；air compressors system optimize；waste heat utilization ；energy saving

T M 621.7

A

1672-545X（2016）09-0171-04

2016-06-16

劉曉東（1969-），男，吉林長春人，本科，高級工程師，多年從事電力設備的設計、制造、安裝、調試、檢修等工作。