垃圾焚燒發(fā)電廠離心空壓機(jī)節(jié)能改造分析

摘要：垃圾焚燒發(fā)電廠中常用的螺桿空氣壓縮機(jī)，由于存在能耗高、占地大、壓縮空氣品質(zhì)不佳等缺點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性與可靠性均達(dá)不到最佳狀態(tài)。光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目通過(guò)改造1臺(tái)離心式空壓機(jī)代替螺桿空壓機(jī)組，使得系統(tǒng)能耗降低，效益增加，廠用電率降低1%，壓縮空氣含油量由20 ppm 降為0 ppm，運(yùn)行噪音由98 dB 降為82 dB，為用氣量大的垃圾焚燒發(fā)電廠提供了節(jié)能改造參考思路。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒發(fā)電廠；離心空壓機(jī)；節(jié)能改造；二氧化碳減排量

壓縮空氣是指將大氣中的氣體通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，提高其壓力和能量的過(guò)程。壓縮空氣系統(tǒng)在垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目中具有極為重要的作用，其作用主要包括提供動(dòng)力源、氣體輸送、環(huán)境控制、氣體分離和稀釋、儀表應(yīng)用等。

壓縮空氣品質(zhì)主要存在的問(wèn)題是氣體中含有水分、油分、粉塵顆粒等雜質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害用氣系統(tǒng)，甚至影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，提高壓縮空氣品質(zhì)、提高壓縮空氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等課題一直是行業(yè)人員研究的主題。

壓縮空氣系統(tǒng)作為僅次于電力的第二動(dòng)力源，雖在工業(yè)上有著不可取代的地位，但卻存在能耗大的問(wèn)題，其能耗占垃圾焚燒發(fā)電廠的工業(yè)總用電量的10% 左右，使得廠用電率較大。因此，選擇高效的空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱“空壓機(jī)”）對(duì)降低垃圾焚燒發(fā)電廠的用電量有著重要的意義[1-5]。

垃圾焚燒發(fā)電廠中螺桿空壓機(jī)組的使用占據(jù)了較大的比重，其原因主要是項(xiàng)目建設(shè)期為了節(jié)省設(shè)備采購(gòu)成本，建設(shè)方一般會(huì)采用成本較低的螺桿空壓機(jī)組作為壓縮空氣的供氣源，導(dǎo)致圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)面臨設(shè)備占地大、操作繁瑣、設(shè)備組整體耗能較為嚴(yán)重等問(wèn)題，因此如何較大的節(jié)約這部分運(yùn)行能耗是垃圾焚燒電廠急于解決的問(wèn)題，同時(shí)也是降低廠用電率的關(guān)鍵。本文以光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，主要針對(duì)離心空壓機(jī)在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用進(jìn)行分析，考察1 臺(tái)離心式空壓機(jī)替代螺桿空壓機(jī)組的可行性及經(jīng)濟(jì)性，為用氣量大的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目提供可行的節(jié)能改造思路。

1 離心空壓機(jī)工作原理與分類

1.1 工作原理

空氣壓縮機(jī)是利用空氣壓縮原理制成超過(guò)大氣壓力的壓縮空氣的設(shè)備。通過(guò)空壓機(jī)做功，將空壓機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體的壓力能。

空氣壓縮系統(tǒng)主要分為空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、除油過(guò)濾器、干燥機(jī)4 個(gè)部分。其中，空壓機(jī)是空氣壓縮站最重要的設(shè)備，可把大氣中的空氣壓縮成高壓壓縮氣；儲(chǔ)氣罐則根據(jù)安裝位置可分為前置式和后置式，前置式儲(chǔ)氣罐安裝在空壓機(jī)后具有除油、除水、緩沖、降溫的功能，后置式儲(chǔ)氣罐安裝在干燥器后具有儲(chǔ)存壓縮空氣和緩沖的功能；除油過(guò)濾器可除去壓縮空氣中剩余的液態(tài)水、油和大的顆粒物；干燥機(jī)根據(jù)干燥方法的不同分為冷凍式、吸附式等，其功能是除去大部分的水蒸氣，以及液態(tài)的油分和油蒸氣等，從而得到相對(duì)純凈的空氣，滿足用氣系統(tǒng)要求[6-8]。

目前，常用的空氣壓縮系統(tǒng)主要有螺桿空壓機(jī)、離心空壓機(jī)、活塞空壓機(jī)。離心空壓機(jī)工作原理是當(dāng)空氣進(jìn)入到機(jī)器后，其中的葉輪會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，讓氣體進(jìn)入到擴(kuò)壓器逐步完成壓縮；同時(shí)，氣體在離心空壓機(jī)的作用下壓力得到提高，動(dòng)能大為增加，之后在擴(kuò)壓流道內(nèi)動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，使得氣體壓力進(jìn)一步提高。離心空壓機(jī)最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能、排氣量大、故障率低、運(yùn)行成本低、氣體品質(zhì)高， 是用氣量在100 m3 以上的用戶首選產(chǎn)品。但是也存在一定的缺點(diǎn)，主要是離心空壓機(jī)單機(jī)容量不能太小，否則氣流流道就會(huì)太小，影響流動(dòng)效率，造成能量損失。

1.2 離心空壓機(jī)分類[9-12]

1.2.1 按軸的型式分類

離心空壓機(jī)按照軸的形式可分為單軸多級(jí)式和雙軸四級(jí)式。

1.2.2 按氣缸的型式分類

離心空壓機(jī)按照氣缸的形式可分為水平剖分式和垂直剖分式。

1.2.3 按壓縮介質(zhì)分類

離心空壓機(jī)按照壓縮介質(zhì)可分為空氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、氧氣壓縮機(jī)等。不同壓縮介質(zhì)具有不同的使用場(chǎng)景。

1.2.4 按流量大小分類

離心空壓機(jī)按照流量大小可分為1 0～100 m3/min 的小型機(jī)、100～400 m3/min 的中型機(jī)、300～4200 m3/min 的大型機(jī)。

2 項(xiàng)目概況

主要處理生活垃圾和市政垃圾的光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，由于建設(shè)時(shí)使用的壓縮空氣取自螺桿空壓機(jī)組，但運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)廠用壓縮空氣品質(zhì)不佳，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主要原因是由于螺桿空壓機(jī)組產(chǎn)氣帶油，導(dǎo)致儀用氣凈化不徹底，致使精密設(shè)備損壞，因此導(dǎo)致螺桿壓空機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與可靠性都不理想。從節(jié)能和安全角度考慮，該項(xiàng)目增設(shè)了1 臺(tái)離心空壓機(jī)，且增設(shè)后的離心空壓機(jī)組不僅可以節(jié)約電耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、減少空壓機(jī)維護(hù)成本，還能大大提高用氣品質(zhì)及降低運(yùn)行噪聲。

2.1 項(xiàng)目參數(shù)

光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目分為一期、二期和三期，其中一、二期共配置4 臺(tái)132 kW 螺桿空壓機(jī)組，3 用1 備，設(shè)備組小時(shí)耗電量約360 kW；三期配置3 臺(tái)132 kW 螺桿空壓機(jī)，2用1 備，設(shè)備組小時(shí)耗電量約240 kW。

2.2 改造目標(biāo)

為同時(shí)滿足一、二、三期壓縮空氣的使用量，以及保證氣體品質(zhì)，節(jié)約電耗，光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目新增1 臺(tái)參數(shù)為80 m3/min、功率為450 kW 的離心空壓機(jī)。離心空壓機(jī)的PID 調(diào)節(jié)范圍為60%～100%，設(shè)備電耗為430kW/h。經(jīng)理論分析，在同等運(yùn)行負(fù)荷條件下，該項(xiàng)目1 臺(tái)離心空壓機(jī)比多臺(tái)螺桿空壓機(jī)節(jié)約電耗25% 以上。

3 改造方案

增加1 臺(tái)離心空壓機(jī)，并將光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目一、二、三期壓縮空氣系統(tǒng)經(jīng)過(guò)母管連通。選擇1 臺(tái)供氣量為80 m3/min、軸功率為450 kWh 的離心空壓機(jī)對(duì)全發(fā)電廠進(jìn)行供氣。在#4 空壓機(jī)的位置替換安裝離心空壓機(jī)，進(jìn)氣管考慮超大口徑，減少噪音。三期空壓機(jī)出口母管為DN150 管道，在末端處安裝DN150隔離閥，離心空壓機(jī)在光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目大修停爐期間對(duì)接。離心空壓機(jī)DN150 管道沿現(xiàn)有#4 空壓機(jī)滲濾液供熱管道敷設(shè)，并從二、三期垃圾倉(cāng)聯(lián)通管道鋼架進(jìn)入三期主廠房。改造中盡可能使用原有儲(chǔ)氣罐及冷干機(jī)。另外，根據(jù)現(xiàn)有壓縮空氣量，雖然1 臺(tái)80 m3/min 離心空壓機(jī)足以滿足全發(fā)電廠運(yùn)行需求，但有備無(wú)患，因此改造方案提出當(dāng)離心空壓機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，若壓縮空氣量有所欠缺，則啟動(dòng)1 臺(tái)螺桿空壓機(jī)配合運(yùn)行，并定期切換。

4 改造效益及性能分析

4.1 節(jié)能效益

改造前的螺桿空壓機(jī)組正常運(yùn)行能耗如表1 所示，通過(guò)連續(xù)10 d 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目三期共有5 臺(tái)螺桿空壓機(jī)，平均能耗為610 kW/h，氣體中含油量約20 ppm。改造后的1 臺(tái)離心空壓機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的能耗如表2 所示，通過(guò)連續(xù)10 d 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，離心空壓機(jī)的平均能耗為438kW/h，氣體中含油量為0 ppm。因此，由表1和表2 可以看出，改造后的空壓機(jī)組能耗降低了172 kW/h（約137 萬(wàn)kW/a），節(jié)電效果顯著。

改造后的離心空壓機(jī)系統(tǒng)提高了壓縮空氣的穩(wěn)定性，氣量得到保障；廠用電率降低了1%；壓縮空氣中的含油量由20 ppm 降至0 ppm，壓縮空氣品質(zhì)極大提高；設(shè)備運(yùn)行噪音由98 dB 降為82 dB，噪音和振動(dòng)得到優(yōu)化。

4.2 環(huán)境效益

隨著碳達(dá)峰、碳中和政策的頒布，相關(guān)節(jié)能設(shè)備也在自己的角度為碳中和做貢獻(xiàn)。其中，離心空壓機(jī)的環(huán)境效益主要從減少二氧化碳排放量和減少標(biāo)準(zhǔn)煤使用量2 個(gè)方面核算。

4.2.1 減少二氧化碳排放量

按照消耗1 kWh 電量等于間接排放0.997 kgCO2 計(jì)算，改造后的離心空壓機(jī)系統(tǒng)每年可減排二氧化碳1371 t。

4.2.2 減少標(biāo)準(zhǔn)煤用量

按照消耗1 kWh電量于間接燃燒0.433 kgce，改造后的離心空壓機(jī)系統(tǒng)每年可減少標(biāo)準(zhǔn)煤使用量596 t。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

4.3.1 節(jié)省總體費(fèi)用

按運(yùn)行8000 h/a，上網(wǎng)電價(jià)0.65 元/kWh計(jì)算，離心空壓機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用為438×8000×0.65≈227.76 萬(wàn)元，原螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為610×8000×0.65 ≈ 317 萬(wàn)元，改造后的空壓機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用離心空壓機(jī)替代螺桿空壓機(jī)全年可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約90 萬(wàn)元。離心空壓機(jī)相較螺桿空壓機(jī)，每年可以節(jié)省管理和維修保養(yǎng)費(fèi)約30 萬(wàn)元。因此，經(jīng)過(guò)使用離心空壓機(jī)系統(tǒng)后，光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目每年可以節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用、管理和維修保養(yǎng)費(fèi)用約120 萬(wàn)元。

4.3.2 投資回收期

光大某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目改造中離心空壓機(jī)本體、電纜、水泵、控制柜、水箱等設(shè)備購(gòu)買費(fèi)用，以及原設(shè)備拆除和新設(shè)備安裝施工的總費(fèi)為210 萬(wàn)元。該項(xiàng)目準(zhǔn)備時(shí)間為90 d，施工時(shí)間30 d。因此，該項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期計(jì)算為210÷120=1.75 a。

4.3.3 投資回報(bào)率

根據(jù)每年節(jié)省120 萬(wàn)元的總費(fèi)用，計(jì)算設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行后每年的投資回報(bào)率ROI 為120÷210×100% ≈ 57.14%。

5 結(jié)論

綜上所述，改造后的離心空壓機(jī)組，運(yùn)行穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)造成任何影響，壓縮空氣品質(zhì)極大提高，壓縮空氣中含油量由20 ppm 降至0 ppm，設(shè)備運(yùn)行噪音由98 dB 降為82 dB，在用氣量100 m3 以上的垃圾焚燒發(fā)電廠具備推廣改造價(jià)值。改造后的離心空壓機(jī)系統(tǒng)，每年可以減排二氧化碳1371 t，減少標(biāo)準(zhǔn)煤使用量596 t，為碳達(dá)峰、碳中和做出了積極貢獻(xiàn)；每年可以節(jié)省費(fèi)用約120 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯，項(xiàng)目投資回收期為1.75 a。因此，對(duì)于使用壓縮空氣量較大的垃圾焚燒發(fā)電廠而言，通過(guò)將多臺(tái)小功率的螺桿空壓機(jī)改為1 臺(tái)大功率的離心空壓機(jī)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是非?？尚械摹?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 化文燦，楊山舉，王琪，等.離心空壓機(jī)波箔氣體軸承設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2024，49（6）：161-168.

[2] 祁明旭，李忠洋，張虹.背腔結(jié)構(gòu)對(duì)雙級(jí)離心空壓機(jī)軸向力及性能影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2022，43（2）：400-406.

[3] 孫薇.大型離心空壓機(jī)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（5）：126-129.

[4] 彭杰，沈嘉偉.淺談離心空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2014（1）：29-33.

[5] 薛斌.離心空壓機(jī)中間冷卻器概述[J].化工設(shè)備與管道，2003，40（5）：54-56，4.

[6] 盛予非.大型離心空壓機(jī)在100 萬(wàn)t/a乙烯改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用[J].通用機(jī)械，2007（6）：12-15.

[7] 薛金國(guó).螺桿式空壓機(jī)故障檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析[J].西部探礦工程，2023，35（12）：156-158.

[8] 秦勇，王榮華，張振生.空壓機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的數(shù)字與智能化應(yīng)用研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021（15）：36-37.

[9] 王鵬飛.螺桿式空壓機(jī)在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的要點(diǎn)分析[J].當(dāng)代化工研究，2022（6）：126-128.

[10] 曾維剛，屈翔.螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能聯(lián)合控制及應(yīng)用研究[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，37（5）：16-22.

[11] 姜文雍，黃增陽(yáng)，曾燕平，等.工頻螺桿空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)改造應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2020（2）：10-14.

[12] 劉玉勇，王宇川，鮑洋洋，等.噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2019（6）：39-41.

作者簡(jiǎn)介

張?zhí)扃?990—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)楣涛U處理處置、垃圾焚燒發(fā)電廠節(jié)能增效等。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-08-28