600MW等級火力發電廠空壓機優化選型分析

李芳芽

（上海電氣工程設計有限公司，上海201612）

0 引言

儀用壓縮空氣系統主要為機組控制系統中眾多氣動執行機構提供操作氣源，為控制設備提供冷卻風，為粉塵、煙氣壓力測量取壓管道提供吹掃。其工作的可靠性以及容量選擇的合理性對安全經濟生產極為重要。

在GB4830《工業自動化儀表氣源壓力范圍和質量》及HG／T20510《儀表供氣設計規定》中對壓縮空氣品質統一進行了如下約束：

（1）壓力范圍：1）凈化裝置出口處的氣源壓力范圍為300～500kPa和500～800kPa；2）儀表輸入端的氣源壓力范圍為140kPa、260kPa、350kPa、550kPa和700kPa，允許波動范圍為其公稱值的±10%。

（2）質量：1）露點：在線壓力下的氣源露點應比環境溫度下限值至少低10℃（現基本以－40℃為選型基礎）；2）含塵粒徑：不應大于3μm；3）含油量：不應大于10mg／m3（8ppmw）；4）污染物：氣源中應無明顯的有害氣體或蒸汽。

以上的儀用壓縮空氣品質為設計、選型的必要基礎數據。

GB50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》建議2臺機組的項目儀表與控制用空壓機的運行臺數宜為每臺機組1臺，并設置1臺檢修備用和1臺運行備用的空壓機，同時應兼做檢修用空壓機。2000版的《火力發電廠設計技術規程》規定“300MW和600MW機組宜分別配置4臺20m3／min和4臺40m3／min容量的空氣壓縮機”，此項條目是總結國內各電廠的常規配置得出的經驗值，而對于國外項目，系統上的配置有較大區別（如氣動閥門的選用等），據此，本文依據各規范中的公式對SEC近期承包的600MW等級海外項目氣耗量進行了計算，以核實上述數據是否適用。

1 計算依據

1.1 耗氣量計算相關公式

（1）耗氣量計算（HG20510—2000《儀表供氣設計規定》）：

式中，Q′C為標準狀態下的耗氣量（Nm3／h）；Q0為操作狀態下的耗氣量（m3／h）。

（2）氣源裝置設計計算容量（HG20510—2000《儀表供氣設計規定》）：

式中，QS為氣源裝置設計計算容量（Nm3／h）；Q′C為各用氣單位的耗氣量總和（標準狀態）（Nm3／h）；2為備用系數；0.1～0.3為管道漏氣系數，在下文計算中泄漏系數均按照最大值0.3選取。

（3）儲氣罐容積計算（HG20510—2000《儀表供氣設計規定》）：

式中，V 為儲罐容積（m3）；QS為氣源裝置供氣設計容量（Nm3／min）；t為保持時間（min），根據規范，此處選取《大中型火力發電廠設計規范》中規定的5min作為計算依據；P0為大氣壓力（kPa），P0＝101.33kPa；P1為正常操作壓力（kPa）；P2為最低送出壓力（kPa）。

（4）氣缸耗氣流量（《氣動手冊》）：

無桿腔：

式中，Q為自由空氣耗氣量（L）；D為缸徑（m）；d為活塞桿直徑（m）；L為行程（m）；P 為工作壓力（MPa）。

1.2 相關的基礎數據

通過查閱各類廠家樣本、產品資料整理如下需要壓縮空氣的設備或儀表，作為下文計算的基礎數據：

（1）煙道取樣吹掃裝置：根據DFY型補償式風壓防堵吹掃裝置樣本，每套吹掃裝置可配置4個吹掃點，每套耗氣量為1m3／h。

（2）氧化鋯氧量分析儀：橫河ZR22／ZR402G樣本中耗氣量為1NL／min，羅斯蒙特 Oxymitter4000為56.6NL／h，下文中按照1NL／min選取。

（3）空預器火災報警探頭吹掃用氣：火災報警探頭的吹掃為間歇性吹掃，大約每20min吹掃30s，供氣量不大于5m3／h（每臺預熱器）。

（4）爐膛工業電視：根據長春鍋爐儀表程控設備股份有限公司技術資料0.2m3／min（每個攝像頭）。

（5）爐管泄漏檢測系統：聲波傳導管會在堵灰時產生報警信號提示運行人員進行人工或自動清灰，或自定義吹掃間隔（1～30天不等），7～8個點為一組設置一個電磁閥，此吹掃為間歇性吹掃，此處耗氣量估算為10m3／h（整個系統）。

（6）CEMS：根據廠家為天津普洛塞斯有限公司提供技術資料耗氣量為120L／min。

（7）調節類閥門、風門的耗氣量：此類設備的耗氣量指的是其閥門定位器的耗氣量，二次風門及擺角燃燒器的執行機構（定位器）集中了大部分的調節類執行機構，根據STI選型樣本，選 擇 SA／CL－1 系 列 定 位 器，此 系 列 氣 耗 為 1Nm3／h（0.4MPa平衡時），另外熱工自動化設計手冊中列出了ZSL型及ZSLD型兩種形式執行機構的耗氣量，為1 000～1 500L／h，本文按照1Nm3／h計算。

（8）開關型執行機構：此部分數據較難確定，是計算耗氣量的一個難點，各類廠家樣本中所列數據均為調節性執行機構定位器的耗氣量或開關型執行機構單次動作的耗氣量。對于開關型執行機構，去除泄漏等因素，理論上可認為在其靜止時是不耗氣的，這部分設備的耗氣是暫態的，可以不納入計算。但考慮到在極端工況下對儀表氣源的影響，本文依據計算公式及廠家樣本對主要類型的開關執行機構進行分類估算如下：

1）煙風、煤粉的擋板類執行機構，如磨煤機出口快關門、石子煤斗出口快關門等，200mm缸徑300mm行程的執行機構（產生15 000N的推力基本可滿足要求），根據氣缸耗氣流量計算公式計算得出單次動作耗氣量約為35L，其中石子煤斗的操作只取決于石子煤斗的料位，操作靈活，對機組運行影響較小，按照常規執行機構估算，為1Nm3／h，磨煤機出口快關門每個執行機構按照5Nm3／h估算其耗氣量。

2）鍋爐油燃燒器部分，如油槍、點火槍執行機構、油角閥、吹掃霧化閥門，此類閥門力矩較小，動作時耗氣量也較小，此處按照1Nm3／h估算。

3）汽水系統氣動執行機構，如各疏水門、抽汽逆止門，此類閥門多配單作用電磁閥，單項動作產生耗氣量，同時動作多出現在緊急情況下依靠執行機構彈簧完成，此部分按照1Nm3／h估算。

4）化學系統氣動執行機構，化學系統管道壓力較低且閥門較小，耗氣量低，此處按照0.5Nm3／h估算。

5）除灰系統氣動開關型執行機構：每路耗氣設備包含2個進氣氣動閥門、電除塵灰斗下圓頂閥以及灰斗進料閥，耗氣量較小，2臺機組綜合考慮10Nm3／h。

2 計算實例

依據上述計算公式及基礎數據選取較具有代表性的印度SASAN 660MW項目進行計算。該項目采用上海鍋爐廠主推的四角切圓燃燒超臨界鍋爐，上汽廠生產的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機。7臺磨煤機，5運行2備用，主廠房用氣量估算值如表1所示。

表1 主廠房用氣量估算（單臺機組）

因本項目共建設6臺機組，凝結水精處理系統較為復雜，此處按照兩臺機組量考慮，單元機組氣動門為40Nm3／h，公用部分為40Nm3／h。根據前文公式得出主廠房部分單臺機組的耗氣量為：

Q′C（BTG）＝（24＋24＋0.48＋10＋10＋7.2）×1.54＋97＋245＋105＋52＋67＋60＝742Nm3／h

化學系統（假定含有除鹽水處理系統、海水淡化、制氫站、工業廢水處理系統等）按140個氣動門計算，總耗氣量考慮70Nm3／h（全廠），除灰按照前文預估為10Nm3／h。

Q′C＝742＋35＋5＝782Nm3／h

氣源裝置設計計算容量：

QS＝Q′C（2＋0.1～0.3）＝29.97Nm3／min

儲罐容積（按照每臺機組設置一個計算）：

V＝QStP0／（P1－P2）＝29.97×5×0.101 3／（0.8－0.45）＝43.37m3

3 結語

在以上計算中，在各個環節，如廠家提資、公式中系數的選取等均考慮了一定裕量，所以在最終空壓機選型時不建議再添加裕量以造成浪費。

2011版《大中型火力發電廠設計規范》刪除了2000版中的建議空壓機容量，而是建議儀用空壓機與除灰空壓機采用相同容量以減少空壓機規格、數量及占地面積。

通過計算結果結合規范規定，得出：2×600MW機組項目宜配置3臺40m3／min左右的空壓機及2個主廠房儀控設備用的50m3貯氣罐。比DL5000—2000《火力發電廠設計技術規程》中要求的4臺40m3／min空壓機少1臺。對于常規600MW等級機組（四角切圓燃燒鍋爐），儀用空壓機與除灰空壓機合并設置的情況下，選擇250kW的空壓機可滿足要求，備用數量上減少1臺，廠用電相應減少250kW，此處進行合理優化是降低能耗、提高效率、節約成本的一個重要手段。

在實際項目設計工程中，由于各項目實際情況不同，需要依據各項目特點進行實際計算并作經濟比較，以最終確定空壓機容量及系統配置。

［1］GB50660—2011 大中型火力發電廠設計規范［S］.

［2］王建榮，張世園.火電廠空壓站設備選型［J］.電力設備，2003（4）.

［3］徐炳輝.氣動手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2005.