600MW等级火力发电厂空压机优化选型分析

李芳芽

（上海电气工程设计有限公司，上海201612）

0 引言

仪用压缩空气系统主要为机组控制系统中众多气动执行机构提供操作气源，为控制设备提供冷却风，为粉尘、烟气压力测量取压管道提供吹扫。其工作的可靠性以及容量选择的合理性对安全经济生产极为重要。

在GB4830《工业自动化仪表气源压力范围和质量》及HG／T20510《仪表供气设计规定》中对压缩空气品质统一进行了如下约束：

（1）压力范围：1）净化装置出口处的气源压力范围为300～500kPa和500～800kPa；2）仪表输入端的气源压力范围为140kPa、260kPa、350kPa、550kPa和700kPa，允许波动范围为其公称值的±10%。

（2）质量：1）露点：在线压力下的气源露点应比环境温度下限值至少低10℃（现基本以－40℃为选型基础）；2）含尘粒径：不应大于3μm；3）含油量：不应大于10mg／m3（8ppmw）；4）污染物：气源中应无明显的有害气体或蒸汽。

以上的仪用压缩空气品质为设计、选型的必要基础数据。

GB50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》建议2台机组的项目仪表与控制用空压机的运行台数宜为每台机组1台，并设置1台检修备用和1台运行备用的空压机，同时应兼做检修用空压机。2000版的《火力发电厂设计技术规程》规定“300MW和600MW机组宜分别配置4台20m3／min和4台40m3／min容量的空气压缩机”，此项条目是总结国内各电厂的常规配置得出的经验值，而对于国外项目，系统上的配置有较大区别（如气动阀门的选用等），据此，本文依据各规范中的公式对SEC近期承包的600MW等级海外项目气耗量进行了计算，以核实上述数据是否适用。

1 计算依据

1.1 耗气量计算相关公式

（1）耗气量计算（HG20510—2000《仪表供气设计规定》）：

式中，Q′C为标准状态下的耗气量（Nm3／h）；Q0为操作状态下的耗气量（m3／h）。

（2）气源装置设计计算容量（HG20510—2000《仪表供气设计规定》）：

式中，QS为气源装置设计计算容量（Nm3／h）；Q′C为各用气单位的耗气量总和（标准状态）（Nm3／h）；2为备用系数；0.1～0.3为管道漏气系数，在下文计算中泄漏系数均按照最大值0.3选取。

（3）储气罐容积计算（HG20510—2000《仪表供气设计规定》）：

式中，V 为储罐容积（m3）；QS为气源装置供气设计容量（Nm3／min）；t为保持时间（min），根据规范，此处选取《大中型火力发电厂设计规范》中规定的5min作为计算依据；P0为大气压力（kPa），P0＝101.33kPa；P1为正常操作压力（kPa）；P2为最低送出压力（kPa）。

（4）气缸耗气流量（《气动手册》）：

无杆腔：

式中，Q为自由空气耗气量（L）；D为缸径（m）；d为活塞杆直径（m）；L为行程（m）；P 为工作压力（MPa）。

1.2 相关的基础数据

通过查阅各类厂家样本、产品资料整理如下需要压缩空气的设备或仪表，作为下文计算的基础数据：

（1）烟道取样吹扫装置：根据DFY型补偿式风压防堵吹扫装置样本，每套吹扫装置可配置4个吹扫点，每套耗气量为1m3／h。

（2）氧化锆氧量分析仪：横河ZR22／ZR402G样本中耗气量为1NL／min，罗斯蒙特 Oxymitter4000为56.6NL／h，下文中按照1NL／min选取。

（3）空预器火灾报警探头吹扫用气：火灾报警探头的吹扫为间歇性吹扫，大约每20min吹扫30s，供气量不大于5m3／h（每台预热器）。

（4）炉膛工业电视：根据长春锅炉仪表程控设备股份有限公司技术资料0.2m3／min（每个摄像头）。

（5）炉管泄漏检测系统：声波传导管会在堵灰时产生报警信号提示运行人员进行人工或自动清灰，或自定义吹扫间隔（1～30天不等），7～8个点为一组设置一个电磁阀，此吹扫为间歇性吹扫，此处耗气量估算为10m3／h（整个系统）。

（6）CEMS：根据厂家为天津普洛塞斯有限公司提供技术资料耗气量为120L／min。

（7）调节类阀门、风门的耗气量：此类设备的耗气量指的是其阀门定位器的耗气量，二次风门及摆角燃烧器的执行机构（定位器）集中了大部分的调节类执行机构，根据STI选型样本，选 择 SA／CL－1 系 列 定 位 器，此 系 列 气 耗 为 1Nm3／h（0.4MPa平衡时），另外热工自动化设计手册中列出了ZSL型及ZSLD型两种形式执行机构的耗气量，为1 000～1 500L／h，本文按照1Nm3／h计算。

（8）开关型执行机构：此部分数据较难确定，是计算耗气量的一个难点，各类厂家样本中所列数据均为调节性执行机构定位器的耗气量或开关型执行机构单次动作的耗气量。对于开关型执行机构，去除泄漏等因素，理论上可认为在其静止时是不耗气的，这部分设备的耗气是暂态的，可以不纳入计算。但考虑到在极端工况下对仪表气源的影响，本文依据计算公式及厂家样本对主要类型的开关执行机构进行分类估算如下：

1）烟风、煤粉的挡板类执行机构，如磨煤机出口快关门、石子煤斗出口快关门等，200mm缸径300mm行程的执行机构（产生15 000N的推力基本可满足要求），根据气缸耗气流量计算公式计算得出单次动作耗气量约为35L，其中石子煤斗的操作只取决于石子煤斗的料位，操作灵活，对机组运行影响较小，按照常规执行机构估算，为1Nm3／h，磨煤机出口快关门每个执行机构按照5Nm3／h估算其耗气量。

2）锅炉油燃烧器部分，如油枪、点火枪执行机构、油角阀、吹扫雾化阀门，此类阀门力矩较小，动作时耗气量也较小，此处按照1Nm3／h估算。

3）汽水系统气动执行机构，如各疏水门、抽汽逆止门，此类阀门多配单作用电磁阀，单项动作产生耗气量，同时动作多出现在紧急情况下依靠执行机构弹簧完成，此部分按照1Nm3／h估算。

4）化学系统气动执行机构，化学系统管道压力较低且阀门较小，耗气量低，此处按照0.5Nm3／h估算。

5）除灰系统气动开关型执行机构：每路耗气设备包含2个进气气动阀门、电除尘灰斗下圆顶阀以及灰斗进料阀，耗气量较小，2台机组综合考虑10Nm3／h。

2 计算实例

依据上述计算公式及基础数据选取较具有代表性的印度SASAN 660MW项目进行计算。该项目采用上海锅炉厂主推的四角切圆燃烧超临界锅炉，上汽厂生产的超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机。7台磨煤机，5运行2备用，主厂房用气量估算值如表1所示。

表1 主厂房用气量估算（单台机组）

因本项目共建设6台机组，凝结水精处理系统较为复杂，此处按照两台机组量考虑，单元机组气动门为40Nm3／h，公用部分为40Nm3／h。根据前文公式得出主厂房部分单台机组的耗气量为：

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

化学系统（假定含有除盐水处理系统、海水淡化、制氢站、工业废水处理系统等）按140个气动门计算，总耗气量考虑70Nm3／h（全厂），除灰按照前文预估为10Nm3／h。

Q′C＝742＋35＋5＝782Nm3／h

气源装置设计计算容量：

QS＝Q′C（2＋0.1～0.3）＝29.97Nm3／min

储罐容积（按照每台机组设置一个计算）：

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

3 结语

在以上计算中，在各个环节，如厂家提资、公式中系数的选取等均考虑了一定裕量，所以在最终空压机选型时不建议再添加裕量以造成浪费。

2011版《大中型火力发电厂设计规范》删除了2000版中的建议空压机容量，而是建议仪用空压机与除灰空压机采用相同容量以减少空压机规格、数量及占地面积。

通过计算结果结合规范规定，得出：2×600MW机组项目宜配置3台40m3／min左右的空压机及2个主厂房仪控设备用的50m3贮气罐。比DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》中要求的4台40m3／min空压机少1台。对于常规600MW等级机组（四角切圆燃烧锅炉），仪用空压机与除灰空压机合并设置的情况下，选择250kW的空压机可满足要求，备用数量上减少1台，厂用电相应减少250kW，此处进行合理优化是降低能耗、提高效率、节约成本的一个重要手段。

在实际项目设计工程中，由于各项目实际情况不同，需要依据各项目特点进行实际计算并作经济比较，以最终确定空压机容量及系统配置。

［1］GB50660—2011 大中型火力发电厂设计规范［S］.

［2］王建荣，张世园.火电厂空压站设备选型［J］.电力设备，2003（4）.

［3］徐炳辉.气动手册［M］.上海：上海科学技术出版社，2005.