散货码头压缩空气系统设计探讨

皇甫昊

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430071）

1 引言

压缩空气作为散货码头作业中最环保的动力源，负担着转运站除尘器喷吹清灰任务，对码头作业安全稳定运行起着不可忽视的作用。制备压缩空气的常规设计一般为单元式，即为每个用气点配置小型空压机作为供气源。其优点是运行灵活，操作方便。然而，对于规模较大的散货码头，数十台除尘器分布于各转运站物料转接点。常规设计方案有以下缺点：（1）工程能耗大，总占地面积大，增加工程投资；（2）设备布置分散，管理和维护难度大；（3）空压机噪声大，对工作环境和人员健康影响大。因此，更合理的方案是将压缩空气集中式配置，即在用气负荷中心区域集中设置空压站，通过空压管网输配至各转运站提供气源。

2 工程概况

某港区码头工程建设规模为：建设50 000DWT（载重吨）散货泊位 3个。年吞吐量 1 430×104t，其中，散货进口 780×104t，散货出口650×104t。货种主要包括：煤炭、锰矿、锌矿、矿建材料等。码头后方陆域堆场设有17 个转运站，各转运站内配套脉冲布袋式除尘器1~3 台，共计37 台。

为保证脉冲布袋式除尘器正常工作，需定期开启脉冲阀用压缩空气进行喷吹清灰。因此，考虑在用气负荷中心区域集中设置空压站1 座。

空压站的规模首先需要满足工艺负荷需求，即确定合理的空压站机组用气量。参考规范HGT 20510—2000《仪表供气设计规定》【1】和SH 3020—2001《石油化工仪表供气设计规范》【2】，确定空压站供应用气量 Q 见公式（1）：

式中，Q 为压缩空气用气量，m3/min；K1为供气管网泄露系数，通常取0.1～0.3；K2为考虑瞬时耗气量的修正系数，通常取2；ΣQr为各类仪表标准状态下的稳态耗气量总和，m3/h。

单台除尘器吹扫风量取值为0.3m3/min，风压0.6MPa。结合皮带机工艺系统流程，除尘设备不会全部同时吹扫，确定同时工作的除尘器最大台数为24 台。供气管网采用镀锌钢管，管网泄露系数取0.2，富余量按20%考虑。此外，还应考虑空压机组干燥过程中的空气损失，以确定足够的空压机组负荷。

码头压缩空气用气量确定为：12.7m3/min（0.6MPa）。

3 压缩空气系统设计要点分析

3.1 压缩空气质量等级标准

压缩空气质量等级决定了整个空压站工艺系统流程，但在设计阶段往往疏于分析，将标准设定得很高，造成能源浪费。GB/T 13277—1991《一般用压缩空气质量等级》根据压缩空气系统中存在的尘埃颗粒度、水分和油分3 种主要污染物的残余含量，将压缩空气分为6 个等级，1 级质量最高，6 级质量最低。

本工程压缩空气的用途是吹扫除尘器滤袋，对尘埃颗粒度、水分和油分含量均有一定要求。压缩空气质量等级选择不当会导致以下后果：

1）尘埃颗粒粒径和浓度过大，会磨损空压管道和除尘滤袋，降低使用寿命；

2）过多的水分和油分会造成管道的腐蚀，甚至污染整个压缩空气系统，同时也会污染除尘器滤袋，导致除尘效率下降；

3）盲目不加区分地将所需压力露点定在较低水平，会导致不必要的能源浪费，增加投资成本。

综上所述，本工程压缩空气质量等级宜为3 级，即用气品质（含油量）≤5mg/m3，压力露点温度-20℃。

3.2 空压机选型

压缩机作为空压站的核心设备，选型需全面审度，既要考虑可靠的技术性能，同时，也要求有最佳的利用率和使用寿命。工程上采用较多的压缩机形式有3 种，分别为活塞式、螺杆式和离心式【3】，表1 列出了3 种压缩机各性能的比较。

表1 空气压缩机性能比较

3.2.1 活塞式空压机

活塞式空压机的特点是压力范围大，气量小，设备价格低，初期投资低，使用寿命长，设备体积大且笨重。一般而言，对于中小气量、高压力或超高压力时，可选用活塞式压缩机。

3.2.2 螺杆式空压机

螺杆式空压机的单机容量多在100m3/min 以下，而且在0.6~1.0MPa 较宽的排气压力区间，具有多种容积流量的变化。同时，外形美观，噪声小，无振动，布置便捷、整齐。

3.2.3 离心式空压机

离心式空压机排气量范围大，结构紧凑、质量轻，供气品质高，大排量时效率高且有利于节能。大中流量，低、中、高压力时，可采用离心式压缩机。

本工程压缩空气用气特点为用气量较大，用气量稳定、波动较小，且压力较高。同时，考虑到空压站位于用气负荷中心，对降噪减震要求较高，综合上述分析，考虑采用风冷螺杆式空气压缩机。

3.3 后处理设计

3.3.1 干燥机

干燥机的原理是将高热的压缩空气通过冷媒压缩机降到露点温度，释放出压缩空气当中99%的水分。因此，压力露点是干燥过程需要重点考虑的因素。

根据不同要求，压缩空气的干燥方式一般分为吸附式和冷冻式。其适用特点分别为：

1）当压力露点要求较低时，一般采用冷冻式干燥器，其具有流量范围大、供气连续、压力稳定且无压缩空气消耗等特点；

2）当压缩空气压力露点要求较高时，一般采用吸附式干燥器或冷冻吸附复合式干燥器。

本工程压缩空气质量等级为3 级，考虑到工程所在地为夏热冬冷地区，冬季通风室外计算温度为1.8℃，对压力露点要求较低，采用冷冻干燥机较为合适。考虑到与螺杆压缩机的冷却形式，冷冻干燥机也采用风冷式，便于统一考虑通风措施。

3.3.2 过滤器

过滤器的原理是利用物理阻隔技术来分离介质中其他成分。为达到压缩空气质量3 级标准，管路过滤器应能除去大量的液体及5mg/m3以上固体微粒，有少量的水分、灰尘和油雾。考虑到5mg/m3以上粒径对空压设备及管路的磨损，采用粗过滤器在先、精过滤器在后的二级过滤方式。将粗过滤器设置在空压机出口之后，冷冻式干燥器之前，作前处理及保护管路之用；精过滤器设置在冷冻式干燥器之后，储气罐之前。用于冷干机之前。压缩空气中95%以上的水滴、油液以及大颗粒已被第一滤芯滤除，经第一级过滤后的压缩空气进入了第二级滤芯。在第一级过滤没有被滤除的水滴再次被气化、转换、滤除，同时，小到5mg/m3的颗粒也被第二级滤网完全清除。经两级过滤达到无尘、无锈、无油、无水滴的干净、干燥的压缩空气，保障气动设备的正常运行，延长气动设备使用寿命。

3.3.3 储气罐

储气罐容积的选取主要是考虑在较小的时间区间内用气量的波动大小。对于较小的时间区间内用气量波动不大的场合，不会对整个系统造成很大的负荷冲击。从整个散货码头范围来看其个数多、分布广、单个设备用气量小，整体考虑其实用气量波动并不大，也不会过多地影响系统的稳定。因此，储气罐容积应通过综合考虑空压站规模和用气特点来选取。若在较小的时间区间内用气量的波动很大，则选择上限；若波动较小，则可酌情减小储气罐容量的适配。

3.4 空压站工艺系统

根据GB 50029—2003《压缩空气站设计规范》备用机组配置原则【4】，结合工程实际，正常供应码头工程用气的空压机组（含后处理设备）为1 套，当机组检修时，备用机组供气量与供气压力均不小于码头生产所需供气量及供气压力，且空压机组的型号不宜超过2 种。因此，考虑配置相同型号空压机组2 套，并联连接，共用1 个储气罐，以保证码头生产正常供气。综上所述，本散货码头工程空压机空压站工艺系统如图1 所示。

3.5 管网系统设计

本工程管网以架空敷设为主，穿越堆场的管段采用直埋敷设。散货码头用气点分散，空压站与散货堆场远侧的最不利用气点相距1.4km，极易导致管道水利失衡，造成用气点气量不均。因此，在堆场远侧设置储气缓冲罐，并在管网每段支管始端设置关断阀门，每个转运站入口处设置调节阀。如图2 所示（图中，ZYZ+数字代表转运站编号，KYZ 代表空压站）。上述措施便于校核水力失衡，且当某管段有故障需要维修时，只要关闭该段管道的供气阀门而不影响其他转运站用气点。当大部分转运站都不用气时，可关闭这部分转运站供气阀而只开用气转运站的供气阀，避免了不必要的管道漏损。

4 结语

本文以实际工程为例，根据压缩空气用气量、气体质量等级、运行使用特点等因素，结合散货码头总图布置，分析了集中式供气方案、压缩机和后处理设备选型及室外压缩空气管网系统等设计要点。随着我国工业化建设不断深入，压缩空气在工业生产中的应用必将日益广泛。本文的分析探讨旨在为散货码头及其他相关领域的压缩空气系统设计提供参考。

图1 空压站工艺系统图

图2 压缩空气管网系统