大型發(fā)電廠建設(shè)集中供氣空壓站方案研究

嚴(yán)妉妉

(東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210096)

2003年，英國(guó)發(fā)表的能源白皮書(shū)《我們能源的未來(lái)：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟(jì)》第一次提出了低碳經(jīng)濟(jì)的概念，其宗旨是將大氣中的溫室氣體濃度穩(wěn)定在不對(duì)氣候系統(tǒng)造成危害的水平，實(shí)質(zhì)是提高能源利用率和創(chuàng)建清潔能源結(jié)構(gòu)[1]。自此，全球都在以“低碳、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展”為目標(biāo)進(jìn)行重大變革。2020年9月第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上，我國(guó)提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”這一鄭重承諾表明了我國(guó)對(duì)今后開(kāi)展實(shí)施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)全面綠色轉(zhuǎn)型調(diào)整，節(jié)能減排降耗工作的決心和信心。建設(shè)高效集中供氣空壓站作為區(qū)域內(nèi)的配套基礎(chǔ)設(shè)施，替代區(qū)域內(nèi)小型高能耗空壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中供壓縮空氣，可以提高供氣效率，降低區(qū)域能耗總量和企業(yè)用氣成本，促進(jìn)區(qū)域節(jié)能和碳減排的同時(shí)推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，為“30·60雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)一份力量。

1 區(qū)域空壓風(fēng)負(fù)荷調(diào)研

壓縮空氣作為第四大工業(yè)能源，是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源之一，應(yīng)用范圍遍及石油、化工、冶金、電力和機(jī)械等行業(yè)和部門(mén)。

國(guó)內(nèi)某一國(guó)家級(jí)高新科技園區(qū)，集中了以醫(yī)藥企業(yè)、電子和制造企業(yè)為首的生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)和科技含量高的部分用氣企業(yè)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些用氣企業(yè)大多采用小型螺桿式空壓機(jī)和少數(shù)活塞式空壓機(jī)，空壓機(jī)的能效等級(jí)大部分處于二級(jí)能耗水平，空壓風(fēng)用戶調(diào)查負(fù)荷總量為5 800 m3/min。經(jīng)過(guò)篩選，將其中能效等級(jí)較低、用氣最高使用壓力低于等于0.8 MPa、用戶年用氣時(shí)長(zhǎng)大于等于8 000 h的用氣企業(yè)作為一期優(yōu)先供氣用戶，合計(jì)24家用戶，用氣負(fù)荷約2 000 m3/min。

2 大型發(fā)電廠現(xiàn)狀概述

2.1 大型發(fā)電廠現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)某一大型發(fā)電廠，距離用氣企業(yè)所在高新科技園區(qū)1 km處，目前裝機(jī)規(guī)模為1臺(tái)300 MW燃煤機(jī)組，2臺(tái)600 MW級(jí)超超臨界燃煤機(jī)組，2020年區(qū)域供熱平均負(fù)荷為400 t/h。

2.2 供熱氣源分析

發(fā)電廠供熱負(fù)荷能力見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電廠供熱負(fù)荷能力

根據(jù)發(fā)電廠反饋信息，表1中可用于汽動(dòng)空壓機(jī)的汽源為：300 MW機(jī)組熱再供熱(50 t/h)、單臺(tái)600 MW機(jī)組一抽供熱(30 t/h)、單臺(tái)600 MW機(jī)組三抽供熱(10 t/h)、單臺(tái)600 MW機(jī)組熱再抽汽供熱(150 t/h)。

3 建設(shè)集中供氣空壓站方案比較

3.1 空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選擇

空壓機(jī)組驅(qū)動(dòng)方式主要有汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種形式，其中汽驅(qū)形式可以分為背壓式汽輪機(jī)和凝汽式汽輪機(jī)兩種形式。從技術(shù)可靠性來(lái)看，汽驅(qū)空壓機(jī)形式在各企業(yè)中已大量應(yīng)用，機(jī)組本體技術(shù)方面沒(méi)有問(wèn)題。火力發(fā)電廠中給水泵和引風(fēng)機(jī)采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，近幾年來(lái)660 MW及1 000 MW 火力發(fā)電廠中大量采用了100%容量汽動(dòng)給水泵及汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的方案，故采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)的技術(shù)方案是成熟可靠的。

3.2 空壓機(jī)選型

按照壓縮氣體的方式不同，空壓機(jī)通常分容積式壓縮機(jī)(包括活塞式壓縮機(jī)、回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)等)和透平式壓縮機(jī)(包括離心式壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī))。各類(lèi)壓縮機(jī)的使用范圍如圖1所示。

圖1 各類(lèi)壓縮機(jī)的使用范圍

一般回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)宜用于低壓力，中、小流量的場(chǎng)合；活塞式壓縮機(jī)宜用于高壓力，中、小流量的場(chǎng)合；相反離心式壓縮機(jī)適用于低、中壓力，大流量場(chǎng)合，且離心式壓縮機(jī)具有無(wú)油，轉(zhuǎn)速高，可用蒸汽透平帶動(dòng)，用氣量越大，經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)勢(shì)越突出的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)負(fù)荷調(diào)研，本空壓站擬定壓縮空氣設(shè)計(jì)負(fù)荷為2 000 m3/min，排氣壓力為0.95 MPa，因此本集中供氣站優(yōu)選離心式空壓機(jī)。

3.3 機(jī)組方案配置

3.3.1 工藝流程

集中供氣站主設(shè)備工藝部分由初過(guò)濾工段、壓縮工段、干燥凈化工段和產(chǎn)品輸出工段組成。空氣經(jīng)自潔式過(guò)濾器進(jìn)入空壓機(jī)，經(jīng)空壓機(jī)壓縮后氣體進(jìn)入干燥器干燥，除水和除雜質(zhì)后送至用戶。壓縮機(jī)出口氣體溫度控制在120 ℃左右。

空壓機(jī)壓縮后的空氣進(jìn)入干燥器，干燥器利用空壓機(jī)高溫排氣的熱量直接加熱再生，最大程度節(jié)約能量。干燥過(guò)程分為加熱、干燥和冷卻等三個(gè)過(guò)程，最終冷卻完的氣體經(jīng)計(jì)量后送至用戶廠區(qū)外1 m處。

本供氣站擬定方案如下：

方案一：2×7 MW背壓式汽輪機(jī)組拖動(dòng)2×1 000 m3/min空氣壓縮機(jī)組+3×400 m3/min電動(dòng)空氣壓縮機(jī)組(備用)。

方案二：2×7 MW純凝式汽輪機(jī)組拖動(dòng)2×1 000 m3/min空氣壓縮機(jī)組+3×400 m3/min電動(dòng)空氣壓縮機(jī)組(備用)。

方案三：5×500 m3/min電動(dòng)空氣壓縮機(jī)組(四用一備)。

3.3.2 汽動(dòng)空壓機(jī)氣源方案

根據(jù)第二節(jié)可用供熱汽源分析及發(fā)電廠提供的熱平衡圖和實(shí)際運(yùn)行供熱數(shù)據(jù)，機(jī)組的抽汽壓力會(huì)因發(fā)電功率變化而變化，發(fā)電廠實(shí)際高參數(shù)蒸汽情況見(jiàn)表2

表2 發(fā)電廠實(shí)際高參數(shù)蒸汽情況表

3.3.3 運(yùn)行方案主要技術(shù)指標(biāo)比較

在相同邊界條件下，對(duì)空壓機(jī)不同驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。機(jī)組運(yùn)行情況見(jiàn)表3，機(jī)組比較邊界條件見(jiàn)表4。

表3 機(jī)組運(yùn)行情況表

表4 機(jī)組比較邊界條件

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對(duì)擬定的三個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)分析計(jì)算，主要技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 主要技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果

由表5可以看出，從能耗的角度，純凝式汽輪機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)因其冷端損失大，因而方案二供氣標(biāo)煤耗最高，且循環(huán)冷卻水量大，現(xiàn)場(chǎng)難以滿足要求。背壓式汽輪機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)組因其熱風(fēng)聯(lián)產(chǎn)，生產(chǎn)壓縮空氣的同時(shí)進(jìn)行供熱，能源利用效率最高，因此方案一供氣標(biāo)煤耗最低。若僅考慮燃料成本，方案一的供氣成本也最低。從總投資和運(yùn)行操作的角度，方案一和方案二采用汽輪機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)組，設(shè)備、土建和控制系統(tǒng)投資成本均要高于方案三純電動(dòng)空壓機(jī)組。方案一背壓式拖動(dòng)空壓機(jī)組可能會(huì)遇到供熱蒸汽消納能力有限的情況導(dǎo)致拖動(dòng)能力不足，需要切換為電動(dòng)空壓機(jī)，控制較方案二和方案三復(fù)雜。

綜上所述，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，淘汰方案二純凝式汽動(dòng)空壓機(jī)組。

3.4 節(jié)能減碳分析

3.4.1 節(jié)煤分析

集中空壓站方案主要能耗指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 集中空壓站方案主要能耗指標(biāo)

項(xiàng)目建成后，集中供氣站年供壓縮空氣量為10.57×108m3。

國(guó)家能源局2018年發(fā)布的6 000 kW及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為308 g/kW·h，發(fā)電廠供電標(biāo)煤耗率為295 g/kW·h，以及調(diào)研中分散小型空壓機(jī)按二級(jí)能耗產(chǎn)汽率7.41 m3/kW·h計(jì)算得出：

方案一年節(jié)標(biāo)煤量：10.57×108m3/7.41 m3/(kW·h)×0.308 kg/(kW·h)/1 000-10.32×108m3×22.236 2 g/m3/1 000 000-3.06 GW·h×0.295 kg/(kW·h)×1 000=20 084.22 tce。

方案三年節(jié)標(biāo)煤量：10.57×108m3/7.41 m3/(kW·h)×0.308 kg/(kW·h)/1 000-118.29 GW·h×0.295 kg/(kW·h)×1 000=9 039 tce。

3.4.2 減碳分析

根據(jù)發(fā)電行業(yè)燃煤機(jī)組CO2排放量公式(排放因子法)：

Eco2=E燃燒=FC煤×NCV煤×CC煤×OF煤× 44/12

上式中，E燃燒為煤炭燃料燃燒的排放量，tCO2；FC煤為煤炭燃料的消耗量，t；NCV煤為煤炭燃料的低位發(fā)熱量，GJ/t；CC煤為煤炭燃料的單位熱值含碳量，tC/GJ；OF煤為煤炭燃料的碳氧化率，%；44/12 為二氧化碳與碳的相對(duì)分子質(zhì)量之比。

其中：(1)煤炭燃料消耗量采用計(jì)算出的年節(jié)標(biāo)煤量，即方案一的計(jì)算結(jié)果為20 084.22 tce，方案三計(jì)算結(jié)果為9 039 tce；(2)煤炭燃料的低位發(fā)熱量根據(jù)發(fā)電廠用煤質(zhì)燃煤年均低位發(fā)熱量為0.019 534 GJ/t；(3)煤炭燃料的單位熱值含碳量采用國(guó)家碳市場(chǎng)幫助平臺(tái)的高限值，即33.56 tC/TJ；(4)煤炭燃料的碳氧化率采用國(guó)家碳市場(chǎng)幫助平臺(tái)的高限值，即100%；(5)二氧化碳與碳分子量比為44/12=3.67。

如此，計(jì)算可得：方案一年可減少CO2排放量483 t，方案三年可減少CO2排放217 t。

綜上所述，方案一年節(jié)約標(biāo)煤量和減排CO2量均高于方案三，利用背壓式汽動(dòng)空壓機(jī)組比電動(dòng)空壓機(jī)組節(jié)能減排效果更優(yōu)，面對(duì)國(guó)內(nèi)節(jié)能減排的緊迫形式和環(huán)境保護(hù)的重要性，推薦選擇方案一即背壓式汽動(dòng)空壓機(jī)集中供氣站。

4 結(jié)語(yǔ)

在類(lèi)似的百萬(wàn)機(jī)組大型發(fā)電廠內(nèi)，若周邊區(qū)域有較大壓縮空氣需求負(fù)荷，可以利用電廠內(nèi)富裕供熱蒸汽建設(shè)背壓式汽動(dòng)集中供氣站，替代區(qū)域內(nèi)小型高能耗空壓機(jī)組為用氣企業(yè)供應(yīng)安全可靠、優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的壓縮空氣，不僅具有節(jié)能減排和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的雙重優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也是積極響應(yīng)國(guó)家雙碳目標(biāo)戰(zhàn)略的舉措。