综述
SUMMARY

大型空压站蓄能器应用研究探讨

   1 引言
 
  一个国家的气动技术应用水平与其科学技术发展和自动化应用水平相适应。随着我国智能化生产飞速发展,大型/超大型空压站(包括工业园集中供气、空分/空压两空合一、热电联产超大型空压站)以及EPC、BOT等服务型经营模式普及推广,蓄能器的应用日益受到各方重视。
 
大型空压站蓄能器应用研究探讨
 
  2 蓄能器用途
 
  在压缩空气能系统中,运用大型、中高压储气容积和增压设备,在适当的时机和条件下,将系统内外部能量转变为压缩空气能储存起来,当系统需要时又能定时定量释放出去,重新补偿供给系统。例如利用其巨大储气容积和压力差,为压缩空气系统提供调峰,为备用机与运行机切换以及为事故处理备用提供一定量的气源储备,以上3大用途在大型/超大型空压站中显得格外重要,如图1。
 
大型空压站蓄能器应用研究探讨
 
  采用成熟技术和标准系列产品会大幅度降低蓄能器采购成本,利用电网差价,离心机短期放空气等,可有效降低蓄能器运行成本。
 
  3 蓄能器规模估算原则
 
  目前压缩空气系统蓄能器规模的主要指标是有效储气量(储气罐容积×压力差)。
 
  3.1 调峰
 
  一般工业园用气量均具有“三高三低”规律,(图2、表1)除空压机本身具有一定供气量调节能力外,采用汽驱主供,电驱调峰,离心主供,螺杆调峰以及大小机组、多台机组组合等配置方式,可有效削峰填谷。蓄能器则可作为补充,例如电驱空压机可利用电网差价在晚上对贮能器充气,白天高峰时释放,热电联产空压站由于采用了不易频繁停机的大型汽轮机驱动离心空压机组,可利用中餐、晚餐低谷时间段的排空气(离心机由于喘振原因,气量调节范围为70%~100%,当用气量低于70%时,需开启排空阀放空多余气体),开启增压机对蓄能器充气,即从0.8MPa增压至4.0MPa或22MPa。根据资料从0.8MPa吸入增压至4.2MPa和22MPa比从大气吸入增压至同样压力,将节省能耗3/5和1/3左右(如空压机排气量Q=12Nm3/min吸入大气直接压缩至4.0MPa,需配置132kW电机,而从0.8MPa吸入增压至4.0MPa仅需55kW)。
 
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  3.2 备用机启动
 
  一般电驱离心空压机启动需5~10min,汽驱分热启动和冷启动,前者需10~30min,后者需1~3h。许多有重要客户或重要用气设备的空压站为避免切换机时管网压力发生波动影响使用,经常开启一台离心机空转以备用。采用蓄能器则可发挥稳压作用,填补切换机丢失的流量,相对于离心机空转或排空往往能耗更低,甚至可减少一组空压机的采购。
 
  3.3 事故备用
 
  工业园、特别是化工园以及有连续生产不能断气用户的工业园,必须建立能应付突然断汽、断电的储备气源,一般多以10min为限,用气量基数可按空压站最大供气量的50%~70%计算。
 
  4 蓄能器实施方案
 
  立式中压罐按HG/T3153-1985(压力容器设计手册P617容器的容积表与质量表),中压球罐按GB/T17261-2011,高压长管采用天然气长管拖车专用型。
 
  以下计算依据来自2个具体案例:
 
  A工况:Q=2500m3/min,其中汽驱700m3×3台,电驱200m3×2台;
 
  B工况:Q=5000m3/min,其中汽驱1400m3×3台,电驱200m3×4台,供气压力p=0.8MPa,蓄能器压力分为中压4.0MPa和高压20MPa。
 
  4.1 调峰,见表2
 
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  按最大供气量的10%,累计供气时间30min,管网最低压力0.5MPa,中压立式储气罐:V=40/50m3,中压球罐:V=120/200m3
 
  高压长管:V=3.98m3
 
  A工况所需气量:
 
  2500m3/min×10%×30min=7500m3
 
  B工况所需气量:
 
  5000m3/min×10%×30min=15000m3
 
  中压立式储气罐:(中压方案一)
 
  A工况:
 
  40m3×(40-5)×6个=8400m3>7500m3
 
  B工况:
 
  50m3×(40-5)×9个=15750m3>15000m3
 
  中压球罐:(中压方案二)
 
  A工况:
 
  120m3×(40-5)×2个=8400m3>7500m3
 
  B工况:
 
  200m3×(40-5)×2个=14000m3≈15000m3
 
  高压管:单管容积V=3.98m3
 
  A工况:
 
  3.98m3×(200-5)×10根=7761m3>7500m3
 
  B工况:
 
  3.98m3×(200-5)×20根=15522m3>15000m3
 
  4.2 切换
 
  按最大机型700m3/1400m3,时间10min
 
  A工况所需气量:700m3×10min=7000m3
 
  B工况所需气量:1400m3×10min=14000m3
 
  需要储气量略小于调峰所需气量,计算值同调峰,见4.1。
 
  4.3 事故备用
 
  按最大供气量的60%,供气时间10min
 
  A工况所需气量:
 
  2500m3×60%×10min=15000m3
 
  B工况所需气量:
 
  5000m3×60%×10min=30000m3
 
  实际计算容量为调峰容量×2,见表3。
 
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  从以上分析计算:调峰、切换、事故备用3项用途中事故备用所需气量最大,是前两者的2倍左右。若采取分区或重点用户现场设置事故备用气源,或可大幅度减少空压站内事故备用气容量。
 
  5 空压机选型
 
  (1)中压蓄能器系统采用PET充瓶无油增压机A工况:进气0.8MPa,排气4.2MPa,开机时间4h:
 
  排气量Q=12m3/min×60min伊4h伊3台=8640m3>7500m3
 
  B工况:排气量Q=25m3/min×60min×4h×3台=18000m3>15000m3
 
  (2)高压机采用天然气汽车加气站用无油增压机,进气0.8MPa,排气220MPa,排气量760 Nm3/h,开机时间累计12h:
 
  A工况所需台数:
 
  15000m3/760m3×12 h=1.6台,选2台。
 
  B工况所需台数:
 
  30000m3/760m3×12h=3.2台,选3台。
 
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  6 结语
 
  蓄能器技术已广泛应用于各种能源系统,大型空压站涉及多种能源的转换和使用,但蓄能器技术和相关设备应用甚少,亟需研究开发和应用。
 
  本文仅提出一些观点和简单计算方法,以求引起设计、生产、应用各方的关注和重视。蓄能器理念深入压缩空气能系统不仅能协助解决系统的安全稳定和低能耗运行,还能带动储气、增压、自动化控制等技术和装备的市场发展。
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