一、空压机系统节能设计方法探讨

1.1 空压机系统节能设计的主要方法

空压机系统可通过优化系统选择，对空压机和后处理设备进行合理选型来达到节能设计的目的。

在系统选择上突破“同型式、同容量的空气压缩机”的限制，按压力的不同需求分别选择高、低压压缩空气分流的系统；重视空压机设备能效水平，根据比功率参数选择节能型空压机；根据不同压力露点选择合适的后处理设备，减小后处理设备的压缩空气损耗量。

1.1.1 选择高、低压压缩空气分流系统

根据工程不同用气压力要求，分别设置常规的高压空压机系统和低压空压机系统，系统分开，分别备用。

根据多个工程资料收集，浓相气力除灰系统和石灰石气力输送系统的输送压损一般在0.2～0.3MPa，个别电厂接近0.4MPa( 见图1)，故对于这两种用气可以采用排气压力为0.3～0.55MPa的低压空压机。

离心式空压机在额定负荷稳定不变运行时，能效一般优于螺杆机，而螺杆机在变负荷工况下的性能明显优于离心机（如调节范围和方式、启停响应时间、灵活性和节能性等），在大气量系统选择时应注意到系统气量随负荷变化的特点，选择离心式空压机为主力机稳定运行，螺杆空压机调节运行。

一般来说，对于排气压力为0.7MPa的空压机，排气压力每降低0.1MPa，能耗可以降低7%左右。故采用低压空压机系统可以有效降低系统能耗。根据工程经验，对于低压耗气量超过300m³/min 的大型空压机站系统，推荐采用高低压系统分开设计，仪用气系统推荐采用高压螺杆系统，输送用气系统推荐采用低压离心＋低压螺杆方案。

1.1.2 对空压机进行合理选型

根据工程用气条件及系统选择要求，选择合适的空压机，不仅要求对仪用高压螺杆式空压机选用较高能效的产品，并且低压空压机的主力运行机选择低压离心式空压机，运行能耗更低。

国家非常重视设备的节能，从行业规范和政策上对节能设备进行引导和扶持。而能源效率等级是判断产品是否节能的最重要指标。

目前容积式空压机能效等级共分为3级，其中1级能效最高。

对于喷油螺杆式空压机，单从设备的电耗来说，每一级能效值相差10％以上。这也意味着电能消耗相差10%以上，1台40m³/min，排气压力0.7MPa的空压机，运行电耗大约是250kW，如果按年运行5500h，电价按0.4元/ 度计算，每年节约10％的电耗大约节省5.5万元，相当于5年内节约的电费可以再买一台相同的设备，所以节能效果相当可观。

理论上能效等级越高越好，但是目前能达到1级能效的大功率空压机并不是特别多，为了便于设备招标，可以要求设备能效等级达到1级或2级，杜绝使用不节能设备。

对于低压空压机，目前常用的有离心式空压机、喷油螺杆式空压机和无油螺杆式空压机。需要注意的是，螺杆式空压机一般是定型产品，低压喷油螺杆机存在跑油之虞。

另外也需要重视低压空压机的能效水平，由于目前低压空压机还没有能效等级的规范，但仍应根据其比功率水平进行选取。目前市场上排气压力为0.3～0.5MPa 低压喷油螺杆空压机比功率可以达到4.1～4.8 kW/（m³/min）。而低压离心式空压机一般是根据工况点设计，并且是全无油的机型，没有低压喷油机遇到的问题，一般能够保证较好的运行效率和较高的可靠性，适合大容量稳定运行的场合。

1.1.3 对后处理设备进行合理选型

根据压力露点要求选用零气耗压缩热和外加热后处理设备，减小空压机选型容量。

由于低压空气体积增大，流速增加，其后处理设备选型需要加大，再生耗气量也会增大，但是选用零气耗后处理设备后，则减少了再生耗气量的损耗，节约了用气，反应到空压机上就是可以降低空压机的容积流量，则相应的空压机运行能耗降低。

1.2 其他节能方式

1.2.1 空压机站的余热回收

空压机在压缩过程中产生大量的热能，但是由于这些热能回收温度不高，在电厂中能利用的地方不多，主要方向是生活热水利用、寒冷地区冬季取暖，后处理设备还可以利用了离心式空压机的压缩热等。

1.2.2 空压机系统及管网的精确计算

通过对系统管网及布置的优化设计，降低系统的压降，从而在选择空压机时选择合适的压力。

1.2.3 空压机站宜采用集散控制系统(distributed control system, DCS)或群控的节能控制方式

空压机系统主要管道宜装设露点仪及流量计，用于实时监控系统的运行状态并及时进行调控。控制系统除了具备基本的逻辑控制外，还应具备数据的纪录、储存以及分析的功能，通过对长期运行数据的分析以及通过优化的算法，达到最优控制的目的。

1.2.4 针对系统的波动选择大容量储气罐系统

一般来说，火电厂的用气比如除灰输送用气是波动的，可能造成空压机系统空压机频繁启停。有效的气量消峰可以避免备用机的启停次数。

1.3 火电厂空压机站节能的判定标准

衡量一个电厂空压机站是否节能，主要是看单位气量下的动力消耗指标( 或单位动力下的产气指标)。前面设备部分已提到设备的能效等级的概念，但个别设备的节能仅仅指设备本身，对于空压机系统，影响节能的因素很多。所以对于火力发电厂的空压机系统，特别是大容量空压机系统，采用统一的系统能效指标来衡量系统的节能是非常有必要的。

系统能效作为有一定超前性的指标，能够比较直观地衡量系统的节能性，其与设备初投资和全寿命期优等标准所侧重的方面不同，因为设备价格、检修维护价格等是动态的，随技术进步长期来说是不断降低的，而能源价格长期是不断上涨的，故能效指标在全寿命期优的各种指标中更具有前瞻性，其重要性是不断增加的。

设备初始投资在空压机系统中仅占全寿命期投资的8％左右，而电费所占的比重在78％左右，即系统能效的高低基本反应了全寿命期经济性的情况。

目前空压机行业的空压机站能效标准正在制订之中，推荐按综合输功效率标准来判断空压机站的节能水平，但其中热能回收占很大比例，不能较好地反映当前火电厂空压机站的实际情况。故在现阶段我们暂不采用综合输功效率，系统能效仍然参照空压机设备的能效表示方法，即采用系统比功率：产出的有效气量和输入功率的比。

二、空压机系统优化设计实例

以某电厂为例，通过大容量压缩空气系统优化的典型案例比较，说明经过优化后的节能效果。

该电厂为2×600 MW 循环流化床锅炉(circulating fluidized bed boiler, CFB) 机组， 四炉两机，全厂采用集中空压机站。

1、主要气象资料

当地1996年～2007年主要气象资料平均值见表1。

2、工程用气量资料

经过除灰、热控、热机等专业统计，全厂需要的压缩空气用量见表2。

3、原设计方案

全厂耗气量合计为580Nm³/min， 考虑到后处理选用组合式干燥机，在压力露点为-20℃时再生耗气量为4%，用气点压缩余量修正后的标准容积流量Qe为：

Qe =580×(1+4%)= 603.2 Nm³/min

根据全厂耗气量合计，计算空压机自由出风量【Free Air Delivery， FAD，指经过压缩机压缩后的空气体积以入气口的自由空气状况( 温度，压力，湿度等) 来表示】：

Qfad＝(PN/P)×[(273＋t)/(273＋tN)]×Qe

式中：

Qfad为空压机FAD流量(m³/min)；

PN为标准大气压，绝对压力(MPa)，取0.1013；

P为空压机工作环境压力，绝对压力(MPa)，忽略空气中水蒸气分压，近似取当地大气压0.1013；

t为空压机工作环境温度(℃ )，取40.7；tN为标准状态温度(℃ )，取0；

Qe为用气点压缩余量修正后的标准容积流量(Nm³/min)，计算得603.2。

将数值代入，计算得Qfad＝693m³/min。

原设计方案按全厂集中方案拟定，采用同容量，同型号空压机。设备配置见表3。

4、优化设计方案

优化设计方案采用高低压分开方案，高压空压机部分采用喷油螺杆式空压机，低压空压机部分推荐采用低压离心式空压机＋低压螺杆式空压机组合的方案。

通过计算， 低压空压机出口压力选用0.55MPa ；后处理设备选用零气耗鼓风外加热干燥机和零气耗压缩外加热干燥机；经过流量修正计算，空压机的FAD选型流量降低。

根据公式(1) 高压部分FAD流量计算结果为：75m³/min。

低压部分FAD流量计算结果为：595m³/min。优化后的方案配置见表4。

5、初投资和运行费比较见表5。

6、小结

本案例中，优化后的系统综合比功率降低了1.73kW/(m³/min)，年运行电费节约270万元( 约占原设计方案年运行电费的28％ )，优化成果显著，详见图2。

虽然初投资有所增加，但优化设计方案的全寿命期总价仍比原设计方案节约25%左右。

三、结论

本文的案例表明，优化后的系统节能效果显著。对于大容量空压机站的节能设计可采用如下方法：

1) 当火电厂低压耗气量超过300Nm³/min时，空压机站系统推荐按高、低压压缩空气系统分流设计，仪用气系统采用高压螺杆机，输送用气系统采用低压离心＋低压螺杆机供气的方案。

2) 空压机设备合理选型，选择能效等级高、比功率较低的空压机产品。

3) 后处理设备优化配置，根据压力露点需求选用零气耗或低气耗的后处理设备。

4) 除了单个设备选择节能产品，同时要满足系统能效高的要求。

5) 宜对系统及管网进行精确计算，满足系统在稳定负荷以及负荷波动情况下的最优控制要求。

6) 有条件的可对空压机站的余热回收利用。