大型鋼鐵企業(yè)壓縮空氣站的配置方案探討

孫 薇

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223)

0 引 言

2000年前的鋼鐵企業(yè)規(guī)模相對現(xiàn)在較小，各生產(chǎn)線也是零星擴(kuò)建，壓縮空氣消耗量相對小，所以空壓站也是零星設(shè)置，螺桿式機(jī)組還有不少的應(yīng)用；2000年后的鋼鐵企業(yè)在上規(guī)模的同時，建設(shè)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(shè)置較少的空壓站供應(yīng)全廠，此時全廠空壓機(jī)組數(shù)量少，所以離心式空壓機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。

鋼鐵企業(yè)中的壓縮空氣用戶除極少部分外，對壓縮空氣的供應(yīng)壓力要求不高，多在0.8 MPa以內(nèi)。當(dāng)前，鋼鐵企業(yè)集中空壓站的配置的特點(diǎn)為：全廠主力機(jī)組采用統(tǒng)一型號的離心式空氣壓縮機(jī)，這種配置方案符合GB50029《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》[1]的要求，也便于企業(yè)統(tǒng)一備品備件、滿足檢修維護(hù)的需求；主力機(jī)型的單機(jī)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(jī)數(shù)量繁多、大量采用螺桿壓縮機(jī)的配置方案，由于離心壓縮機(jī)的高效性能，大大提高了能源利用效率，但是在節(jié)能減排上，我們可以做進(jìn)一步的工作。

日本企業(yè)在節(jié)能方面一直走在前面。新日鐵大分鋼廠是具有年產(chǎn)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(shè)2座空壓站，站內(nèi)低壓空壓機(jī)組配置詳見表1。

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

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

1 離心機(jī)組的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率

1.1 容積流量與效率

多級離心壓縮機(jī)的內(nèi)功率是各級總功率之和。葉輪對級內(nèi)氣體所做的機(jī)械功，表達(dá)成通用的伯努利方程為：

Lth=Hth=[2]

式中，為級進(jìn)出口靜壓能量頭的增量；為級內(nèi)的流動損失；為流體的動能增加。它表示葉輪所做的機(jī)械功在轉(zhuǎn)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(nèi)還存在2種能量損失，分別為：漏氣損失和輪阻損失。級內(nèi)的漏氣損失是由于葉輪出口壓力大于進(jìn)口壓力、級出口壓力大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側(cè)與固定部分的間隙中會產(chǎn)生漏氣，這部分漏氣隨主流流動，造成膨脹與壓縮的循環(huán)，造成能量損失；輪阻損失是葉輪旋轉(zhuǎn)時，輪盤、輪蓋的外側(cè)和輪緣與周圍氣體發(fā)生摩擦產(chǎn)生的。這些損失消耗的功不可逆的轉(zhuǎn)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(jī)效率的關(guān)鍵。

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

①全面開展大江大河治理。在全面完成2013年水毀防洪工程修復(fù)的基礎(chǔ)上，加快三江治理工程建設(shè)，用3～5年時間完成治理工程任務(wù)。按照《松花江流域防洪規(guī)劃》等確定的標(biāo)準(zhǔn)，對嫩江、第二松花江、松花江、黑龍江干流堤防進(jìn)行全線達(dá)標(biāo)建設(shè)，全面完成胖頭泡、月亮泡蓄滯洪區(qū)建設(shè)，有序推進(jìn)豐滿水庫重建和察爾森等病險水庫除險加固，從根本上提高流域綜合防洪能力。

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(jī)組的多變效率有所提高。考慮到電機(jī)的效率，也是大功率的機(jī)組較高，也能使整體機(jī)組的效率提高。

從空壓機(jī)制造商出得到的數(shù)據(jù)也證明了大排量機(jī)組效率高于小排量機(jī)組。筆者在某空壓站設(shè)計工程設(shè)計工程中，Atlas公司提供的三個排量機(jī)型的選型結(jié)果數(shù)據(jù)，這3種機(jī)型均為所在排量系列中的最佳效率機(jī)型：

表1 空壓機(jī)選型數(shù)據(jù)匯總一

由上表可明顯看出：在同樣排氣壓力下，各機(jī)型的比功率隨流量下降。

2.2 級數(shù)與效率

為使機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊、降低制造成本，壓縮機(jī)的設(shè)計是以：在達(dá)到需要的壓比的條件下盡可能減少級數(shù)為原則設(shè)計的[2]。鋼企用常規(guī)離心式空氣壓縮機(jī)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(jī)一般設(shè)計為3級，每級之間均設(shè)有冷卻器。

3 采用大型離心機(jī)配置方案的運(yùn)行成本比較

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

表2 方案一空壓站配置

3座空壓站內(nèi)的所有空壓機(jī)組均與廠區(qū)壓縮空氣主干管并網(wǎng)，全廠機(jī)組統(tǒng)一調(diào)配，全廠壓縮空氣系統(tǒng)詳如圖3所示。

該方案中采用大型離心式空壓機(jī)出于系統(tǒng)高效運(yùn)行的考慮；采用中型離心式空壓機(jī)也是為了提高系統(tǒng)整體運(yùn)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(jī)組進(jìn)行調(diào)峰，離心式空壓機(jī)的高效工作區(qū)為70%～100%，為保證所有機(jī)組都在高效區(qū)運(yùn)行，必須采用啟停部分機(jī)組并對部分運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)實現(xiàn)。故，正常情況下，出力1 200 Nm3/min的大機(jī)組常年運(yùn)行，其它9套480 Nm3/min機(jī)組輪換運(yùn)行，平均有5臺480 Nm3/min機(jī)組同時運(yùn)行，余下機(jī)組均為備機(jī)。

下表3中方案一數(shù)據(jù)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(jī)型的選型結(jié)果數(shù)據(jù)；由該表可以看出1 200 Nm3/min機(jī)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(yè)主考慮到一期工程消耗量比較小且無法預(yù)計二期工程的開工時間而未按方案一實施，結(jié)合一次投資的因素，選用了國內(nèi)主流的350 Nm3/min排量機(jī)型，其數(shù)據(jù)詳見方案二，該機(jī)型為3級壓縮，其比功率與方案一中的480 Nm3/min機(jī)型相差不大。

表3 空壓機(jī)選型數(shù)據(jù)匯總二

若該工程完全實施，全廠離心空壓機(jī)組均按國內(nèi)現(xiàn)有模式選用350 Nm3/min機(jī)型(方案二)，則共需運(yùn)行10套機(jī)組(不含備機(jī))。年運(yùn)行時間按8 000 h計，不考慮負(fù)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(jié)省電費(fèi)約517萬元，由于機(jī)組效率的提高減少的運(yùn)行成本是很顯著的。

4 大型離心式空壓機(jī)推廣應(yīng)用前景

4.1 目前推廣大型離心式空壓機(jī)存在的問題

大排量離心式空壓機(jī)的高效節(jié)能是毋庸置疑的，但是在國內(nèi)冶金行業(yè)目前未得到廣泛應(yīng)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(yè)往往選用價格便宜但效率稍差的設(shè)備，而忽略高效設(shè)備長期運(yùn)行帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

離心壓縮機(jī)一直是壓縮機(jī)行業(yè)技術(shù)含量和門檻較高的產(chǎn)品之一，國內(nèi)鋼企長期以來使用的大多是國外品牌設(shè)備，如：阿特拉斯·科普柯、英格索蘭、三星、IHI-壽力及FS-ELLIOTT等。國內(nèi)有生產(chǎn)離心壓縮機(jī)技術(shù)優(yōu)勢的沈鼓和陜鼓產(chǎn)品重點(diǎn)在氣體壓縮機(jī)而不是鋼企所需的低壓空氣壓縮機(jī)，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(nèi)建有工廠，從一開始僅從事進(jìn)口零部件組裝，到如今不少工廠已具備葉輪及蝸殼等關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)能力，空壓機(jī)的生產(chǎn)成本如今已大大降低。同時由于進(jìn)入市場的廠家數(shù)目日漸增加，競爭加劇也促使了各制造商標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品的價格降低。但是對于大排量的離心式空壓機(jī)而言，由于訂單少，屬于特殊定制設(shè)備，即便在國內(nèi)生產(chǎn)，產(chǎn)品價格較標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品也高出很多。目前各離心式空壓機(jī)制造商(包括合資品牌)在國內(nèi)工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，其單機(jī)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(jī)組的價格為定制產(chǎn)品價格，很多品牌甚至需要原裝進(jìn)口，因此大型離心式空壓機(jī)單位排量的設(shè)備價格可能會較標(biāo)準(zhǔn)系列排量機(jī)組翻倍甚至更多，對于資金緊張的鋼鐵企業(yè)說，往往會選擇價廉可靠的標(biāo)準(zhǔn)系列小型機(jī)組而舍棄高效的大型機(jī)組方案。

除了一次性投資的原因，設(shè)備的后期維護(hù)備件也因為機(jī)型數(shù)量少，可能有庫存少、價格高，使維護(hù)費(fèi)用增加。這些都阻礙了高效的大型離心式空壓機(jī)的應(yīng)用。

4.2 推廣大型離心式空壓機(jī)的必要性及前景

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

推廣使用大型離心空壓機(jī)組的過程中，能促進(jìn)國內(nèi)制造企業(yè)的技術(shù)和裝備能力的升級，獲取、攻克研制過程中的技術(shù)難題，提高應(yīng)對因國際突發(fā)事件而造成的設(shè)備/零件斷供危險能力，避免國內(nèi)行業(yè)在此方面受制于國外的潛在風(fēng)險。與此同時制造商也會設(shè)法降低成本，產(chǎn)品價格終將逐漸降低。

5 結(jié)束語

采用大型、中型離心式空壓機(jī)組結(jié)合的配置方案，使大型離心式空壓機(jī)組承擔(dān)全廠基本負(fù)荷，中型離心式空壓機(jī)承擔(dān)波動負(fù)荷及調(diào)峰，可實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。大型離心式空壓機(jī)組在鋼鐵企業(yè)的推廣應(yīng)用隨著節(jié)能工作的深入，是一種必然。