火力发电厂空压机采用变频方式的技术经济分析

摘要： 空压机设备是火力发电厂重要的动力源，也是电厂正常运行中较大的耗电用户，随着国家的节能政策推广和大型火力发电机组对空压机容量需求的增大，空压机设备的运行经济性也被越来越重视。本文以某工程为例对空压机采用变频运行方式进行了综合性分析，为今后类似工程设计和设备选择提供参考意见。

Abstract： As a important power source of thermal power plant，air compressor is the major power user during normal operation. The running economy of compressor gains its attention as the generalization of energy saving policy and increasing demand for compressor capacity by thermal power unit. This paper shows a comprehensive analysis of compressor frequency conversion operation in some project， provides suggestion for project design.

关键词： 空压机；变频；技术经济分析

Key words： air compressor；frequency conversion；technical and economic analysis

0 引言

空压机是电动机的机械能转换成气体压力能的装置，按工作原理可分为容积式压缩机和速度式压缩机，按结构型式可分为诸多种类，目前用于火力发电机组主要有螺杆式空气压缩机、离心式压缩机，而螺杆式空压机以其独有的特性，得到了更为广泛地应用，故本文为将围绕螺杆空压机展开论述。

1 电厂空压机实际运行分析

目前，电厂内空压机主要用于仪表控制和物料输送2个方面。按照《大中型火力发电厂设计规范》GB50660-2011中规定的“仪表与控制用气、检修用气和厂内除灰气力输送用压缩空气宜统一规划设计、集中布置，空压机宜统一配置，供气系统应分开设置”要求，电厂压缩空气系统设计一般都采用同形式、同容量的螺杆式空气压缩机。

仪表控制用气量一般与机组容量、控制水平和运行工况相关，机组容量越大和控制水平越高耗气量也越大，在机组调试运行和负荷变化时耗气量最大，从电厂实际运行的统计数据看，以2台600MW机组为例，耗气量一般在40-60Nm3/min。

物料（火力发电厂中主要指粉煤灰和干法脱硫用石灰石粉）输送用压缩空气耗量只与燃烧煤质和除灰系统设计有关，输灰系统耗气量受煤质变化影响最为明显。正因为这个特点，电厂考虑到国内电厂燃煤不可控制的实际情况，往往在工程设计时要求在空压机容量选择上留有足够裕量，以应对煤质变化后各输送系统的正常运行。空压机选型裕量大，从系统安全角度考虑是有利的，普通空压机都是出于恒速运转状态，当用户进气量减少时，但这也将随之带来一些负面的问题，实际中运行存在部分空压机长期可能处于减少进气的低负荷运行状态，也存在备用空压机长期空载运行和频繁加卸载的情况，运行效率低，电耗高，也影响设备的使用寿命。

2 定速、变频空压机技术特点比较

2.1 普通空压机技术特点

螺杆空压机属于容积式压缩机，通常是由一对相互平行啮合的阴阳转子在机体内做高速旋转运动，使阴阳转子齿槽和机体之间形成齿间容积随转子的回转不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线方向由吸入端送至输出端，实现螺杆空压机的吸气、压缩和排气的全过程。对空压机来说，在其设计范围内，吸、排气量和转速呈线性正比关系，当转速提高时排气量也随之加大。普通螺杆空压机是恒速运行，而电厂实际中，气量需求都处于变动状态，使得用户用气量小于额定排气量时，空压机出口管路压力上升，当压力达到设定的压力值时，机器自带的控制器将关闭进气阀，此时电机处于空在状态，由于用户仍在用气，稍后一段时间内，空压机出口供气管路压力会逐渐下降，其下降和再次上升速度主要取决于2个因素：

①用户实际用气量与空压机额定吸、排气量的比值k。k值越小压力下降速度越小，同时也表示卸载空压机的空载运行时间越长；反之，k值越大压力下降会越快，表示空压机在进入空载状态后会很快重新进入负载运行状态；当k值持续为1时，系统不会出现空载和加卸载交替出现的状态，会一直处于满负荷运行状态。

②空压机系统配套的储气罐和输气管道的尺寸和长度。储气罐容积越大，供气压力下降和再次上升的速率越慢，空压机由负载状态转为空载状态的频率会降低，从而降低了空压机因频繁满载和空载转换的转换带来的额外功率损耗。

综上所述，空压机运行方式一般就是从正常供气压力点运行，到超过正常压力设定点后关闭进气阀后空载运行，当供气压力低于正常压力点时再重新加载满负荷运行这么一个过程，如此循环往复。根据空压机设备的结构原理可得知，空压机运行压力与转矩正正比，管线压力越高，空压机电机轴功率消耗也会越大；而空压机空载时也会有30-40%的电机效率。

2.2 变频空压机技术特点

所谓变频空压机，就是通过改变电源的频率来改变空压机的运行转速，从而调节空气机的吸、排气量。目前，变频空压机的运行频率大多是由变频器根据系统需要的正常压力和供气端反馈的实时压力的差值进行自动调节。当供气端反馈压力超过正常压力时，变频器减小输出频率；反之，将增大输出频率；当供气端反馈压力与是正常值相吻合时，变频器将维持恒定的输出功率运行。变频空压机启动后，其输出频率平稳上升至额定频率，该过程为软启动，启动时间可以调节设定，然后维持频率的过程，排气量可以根据供气需要做到实时调节，确保气量达到一个动态平衡状态。 变频螺杆空压机与常规螺杆机从运行角度考虑有以下优点：①供气压力稳定。采用变频器无级调速控制，通过控制器或变频器内部的调节器能对供气量实时控制，达到供气压力稳定，比普通定速螺杆运行的上下限相比，气压稳定性更好。②节能更明显。尽管各空压机厂家都采取了不同的节能措施，如进气阀开度和螺杆螺距调节等，但变频空压机是根据实际用气需求实时调节，在用气量低的时候空压机可以自动休眠，可以大大节约电能消耗。③启动平稳。变频器是一种软启动装置，启动的电流最大是额定电流的2倍左右，与定速电机的启动电流为额定电流的6倍以上比，对供电系统和机械转动部件的启动冲击小得多。④运行噪音低。启动和低速连续运行时，机械噪音下降，机械磨损小。⑤对储气罐和管路尺寸要求低。

3 某2×600MW工程空压机变频运行的实施情况

电厂可根据运行实际情况开启或关闭此阀门，方便做到仪用气的单独供给，也可以有效地保证仪用气系统的稳定供给。也在仪用、输灰、检修用气上设置压力测点和压力保护值，当仪用压力低的保护值时，输灰或检修用气的电动门可自动关闭，以保证仪用气的母管的稳定性，可以实现仪用压缩空气优先。仪用储气罐的设计容积按满足机组故障失电时，维持5分钟的仪表控制耗气量考虑，以确保机组安全停机。

综合电厂实际运行情况和设备购置成本，空压机在火力发电厂全部采用变频的必要性不大，而且会导致设备投资大大增加，故全部采用变频方案不予以考虑。下面仅对“全部采用定速螺杆”（常规设计方案）以及“6台定速螺杆和2台变频螺杆相结合”两种方案，进行经济性分析。

4 本工程与常规设计方案经济比较

4.1 两种方案主要参数比较

4.2 两种方案的经济比较

本工程与常规设计方案的经济比较。

5 总结

从上述工程为例分析，空压机采用“定速螺杆和变频螺杆相结合”方案与火力发电厂“全部采用定速螺杆”的常规设计方案比较来看，虽然设备初投资略高，但年费用低，节能效果较好，3年左右就能收回投资成本。

参考文献：

[2]高相家，陈放.螺杆空压机变频节能改造的经济分析和技术方案[J].压缩机技术，2009（3）.

[3]李路，张岚原，安振华.基于振动测试的螺杆压缩机运转可靠性分析[J].日用电器，2013，07.