大型鋼鐵企業壓縮空氣站的配置方案探討

孫 薇

(中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223)

0 引 言

2000年前的鋼鐵企業規模相對現在較小，各生產線也是零星擴建，壓縮空氣消耗量相對小，所以空壓站也是零星設置，螺桿式機組還有不少的應用；2000年后的鋼鐵企業在上規模的同時，建設了很多全流程的項目，在此情況下集中空壓站是一種普遍模式，即設置較少的空壓站供應全廠，此時全廠空壓機組數量少，所以離心式空壓機得到了廣泛應用。

鋼鐵企業中的壓縮空氣用戶除極少部分外，對壓縮空氣的供應壓力要求不高，多在0.8 MPa以內。當前，鋼鐵企業集中空壓站的配置的特點為：全廠主力機組采用統一型號的離心式空氣壓縮機，這種配置方案符合GB50029《壓縮空氣站設計規范》[1]的要求，也便于企業統一備品備件、滿足檢修維護的需求；主力機型的單機排量多在100 Nm3/min～350 Nm3/min。這種配置方案較前期的零星空壓站、全廠空壓機數量繁多、大量采用螺桿壓縮機的配置方案，由于離心壓縮機的高效性能，大大提高了能源利用效率，但是在節能減排上，我們可以做進一步的工作。

日本企業在節能方面一直走在前面。新日鐵大分鋼廠是具有年產1 000萬噸鋼的能力的鋼廠，在一次工程交流中，筆者了解到該廠共設2座空壓站，站內低壓空壓機組配置詳見表1。

名 稱空壓機配置空壓站一4×550Nm3/min電動離心空壓機,4級壓縮,排氣壓力0.65MPa,3運1備1×1270Nm3/min汽動離心空壓機,3級壓縮,排氣壓力0.7MPa,1運0備空壓站二3×583Nm3/min電動離心空壓機,4級壓縮,排氣壓力0.73MPa,3運0備1×583Nm3/min電動離心空壓機,4級壓縮,排氣壓力0.7MPa,0運1備1×417Nm3/min電動離心空壓機,4級壓縮,排氣壓力0.73MPa,0運1備

上述2個空壓站內所有低壓機組全部并至全廠低壓壓縮空氣管網，供應全廠壓縮空氣用戶。該配置與國內鋼企的集中空壓站主流配置相比單機出力更大，且配置了1臺超大型的機組常年運行，其中多數機組選用4級壓縮。新日鐵的選型配置使全廠壓縮空氣系統的效率更高。

1 離心機組的結構參數與效率

1.1 容積流量與效率

多級離心壓縮機的內功率是各級總功率之和。葉輪對級內氣體所做的機械功，表達成通用的伯努利方程為：

Lth=Hth=[2]

式中，為級進出口靜壓能量頭的增量；為級內的流動損失；為流體的動能增加。它表示葉輪所做的機械功在轉化為級中流體的有用能量(靜壓能和動能增加)的同時，由于氣體具有黏性，還需付出一部分能量克服流動損失。

除了流動損失外，級內還存在2種能量損失，分別為：漏氣損失和輪阻損失。級內的漏氣損失是由于葉輪出口壓力大于進口壓力、級出口壓力大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側與固定部分的間隙中會產生漏氣，這部分漏氣隨主流流動，造成膨脹與壓縮的循環，造成能量損失；輪阻損失是葉輪旋轉時，輪盤、輪蓋的外側和輪緣與周圍氣體發生摩擦產生的。這些損失消耗的功不可逆的轉化為氣體的熱量。幾種能量頭、損失的分配示意詳如圖1所示[2]。

如圖1所示，氣體的流動損失是主要損失，所以盡量減少壓縮過程中的各種能量損失、提高流動過程的效率是提高空壓機效率的關鍵。

大型離心式空壓機的機械效率高于中、小型離心式空壓機，這是由葉輪的結構尺寸決定的。由于后彎型葉輪的級效率高、穩定工作范圍寬，離心空壓機的葉輪均采用后彎型。后彎式葉輪的尺寸如圖2所示。

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另外，對于漏氣損失說，漏氣量相對于較大的通流流量，漏氣損失也相對降低，從而機組的多變效率有所提高。考慮到電機的效率，也是大功率的機組較高，也能使整體機組的效率提高。

從空壓機制造商出得到的數據也證明了大排量機組效率高于小排量機組。筆者在某空壓站設計工程設計工程中，Atlas公司提供的三個排量機型的選型結果數據，這3種機型均為所在排量系列中的最佳效率機型：

表1 空壓機選型數據匯總一

由上表可明顯看出：在同樣排氣壓力下，各機型的比功率隨流量下降。

2.2 級數與效率

為使機器結構緊湊、降低制造成本，壓縮機的設計是以：在達到需要的壓比的條件下盡可能減少級數為原則設計的[2]。鋼企用常規離心式空氣壓縮機壓比較低，一般在10以下，排氣量較小(350 Nm3/min及以下)的離心式空壓機一般設計為3級，每級之間均設有冷卻器。

3 采用大型離心機配置方案的運行成本比較

在國內某千萬噸級大型鋼鐵基地項目的籌建過程中，經與業主溝通后，筆者做過采用大型離心式空壓機的配置方案：全廠擬建3座集中空壓站供應全廠低壓壓縮空氣用戶，每個空壓站所在區域的平均負荷估算值及站內機組配置詳見表2。

表2 方案一空壓站配置

3座空壓站內的所有空壓機組均與廠區壓縮空氣主干管并網，全廠機組統一調配，全廠壓縮空氣系統詳如圖3所示。

該方案中采用大型離心式空壓機出于系統高效運行的考慮；采用中型離心式空壓機也是為了提高系統整體運行效率。壓縮空氣用戶的實際消耗量是波動的，需要部分空壓機組進行調峰，離心式空壓機的高效工作區為70%～100%，為保證所有機組都在高效區運行，必須采用啟停部分機組并對部分運行機組進行負荷調節實現。故，正常情況下，出力1 200 Nm3/min的大機組常年運行，其它9套480 Nm3/min機組輪換運行，平均有5臺480 Nm3/min機組同時運行，余下機組均為備機。

下表3中方案一數據為某國際知名品牌制造商給出的上述1 200 Nm3/min和480 Nm3/min兩種排量機型的選型結果數據；由該表可以看出1 200 Nm3/min機型采用4級壓縮，其比功率較480 Nm3/min明顯低，比冷卻水消耗略低。該項目最終未能整體實施，業主考慮到一期工程消耗量比較小且無法預計二期工程的開工時間而未按方案一實施，結合一次投資的因素，選用了國內主流的350 Nm3/min排量機型，其數據詳見方案二，該機型為3級壓縮，其比功率與方案一中的480 Nm3/min機型相差不大。

表3 空壓機選型數據匯總二

若該工程完全實施，全廠離心空壓機組均按國內現有模式選用350 Nm3/min機型(方案二)，則共需運行10套機組(不含備機)。年運行時間按8 000 h計，不考慮負荷波動的因素，方案一和方案二的電耗粗略估算如下：

方案一電耗=6 867 kW×8 000 h+3 082 kW×8 000 h×5×0.94=1.708×108kWh/年

方案二電耗=2 250 kW×8 000 h×10×0.99=1.782×108kWh/年

方案一年耗電量較方案二少738萬kW·h。按綜合電價￥0.7元/kW·h計，年節省電費約517萬元，由于機組效率的提高減少的運行成本是很顯著的。

4 大型離心式空壓機推廣應用前景

4.1 目前推廣大型離心式空壓機存在的問題

大排量離心式空壓機的高效節能是毋庸置疑的，但是在國內冶金行業目前未得到廣泛應用，主要障礙在于投資成本：出于對投資總額的控制要求，企業往往選用價格便宜但效率稍差的設備，而忽略高效設備長期運行帶來的經濟效益。

離心壓縮機一直是壓縮機行業技術含量和門檻較高的產品之一，國內鋼企長期以來使用的大多是國外品牌設備，如：阿特拉斯·科普柯、英格索蘭、三星、IHI-壽力及FS-ELLIOTT等。國內有生產離心壓縮機技術優勢的沈鼓和陜鼓產品重點在氣體壓縮機而不是鋼企所需的低壓空氣壓縮機，在鋼企鮮有使用。

近年來，為降低成本，這些國外品牌大多在國內建有工廠，從一開始僅從事進口零部件組裝，到如今不少工廠已具備葉輪及蝸殼等關鍵零部件的生產能力，空壓機的生產成本如今已大大降低。同時由于進入市場的廠家數目日漸增加，競爭加劇也促使了各制造商標準系列產品的價格降低。但是對于大排量的離心式空壓機而言，由于訂單少，屬于特殊定制設備，即便在國內生產，產品價格較標準系列產品也高出很多。目前各離心式空壓機制造商(包括合資品牌)在國內工廠生產的標準系列產品，其單機出力多不超過400 Nm3/min，最大不超過530 Nm3/min左右；更大排量的離心空壓機組的價格為定制產品價格，很多品牌甚至需要原裝進口，因此大型離心式空壓機單位排量的設備價格可能會較標準系列排量機組翻倍甚至更多，對于資金緊張的鋼鐵企業說，往往會選擇價廉可靠的標準系列小型機組而舍棄高效的大型機組方案。

除了一次性投資的原因，設備的后期維護備件也因為機型數量少，可能有庫存少、價格高，使維護費用增加。這些都阻礙了高效的大型離心式空壓機的應用。

4.2 推廣大型離心式空壓機的必要性及前景

大型離心式空壓機組的節能效益是明顯的，但是在目前的設備價格體系下，其一次性投資成本較高，短期內無法產生經濟效益。《中華人民共和國節約能源法》指出“節約資源是我國的基本國策”，鋼鐵企業是能耗大戶，做好節能工作意義重大。在項目決策過程中，不能僅關注經濟效益，更要關注社會效益。作為設計方，要積極與業主溝通，以節能為設計原則提供最優化方案并選用高效產品。隨著企業節能意識的提高，大型離心式空壓機需求量會增加，而引導市場去催化國內企業推出大型離心空壓機組。

推廣使用大型離心空壓機組的過程中，能促進國內制造企業的技術和裝備能力的升級，獲取、攻克研制過程中的技術難題，提高應對因國際突發事件而造成的設備/零件斷供危險能力，避免國內行業在此方面受制于國外的潛在風險。與此同時制造商也會設法降低成本，產品價格終將逐漸降低。

5 結束語

采用大型、中型離心式空壓機組結合的配置方案，使大型離心式空壓機組承擔全廠基本負荷，中型離心式空壓機承擔波動負荷及調峰，可實現系統節能。大型離心式空壓機組在鋼鐵企業的推廣應用隨著節能工作的深入，是一種必然。