调峰供热燃机电厂压缩空气系统优化改造分析

调峰供热燃机电厂压缩空气系统优化改造分析

傅晓军1郑正茂2严玉堂2刘森2马腾飞

(1.国电电力发展股份有限公司浙江分公司，浙江杭州310007;

2.国电湖州南浔天然气热电有限公司，浙江湖州313000;

3.国电内蒙古东胜热电有限公司,内蒙古鄂尔多斯017000)

摘要：针对燃气轮机的备用供热燃气锅炉，优化改造压缩空气系统，新增一套小功率的自然风冷式空压机和冷干机，在满足燃气锅炉及水岛制水运行所需压缩空气的同时，大量减少压缩空气系统运行的外购电量，延长冷却水泵的维护周期和使用寿命，节省生产耗电量和运营成本。结果表明，压缩空气系统的改造是在原系统的基础上新增一套小功率的自然风冷式空压机和冷干机，新增冷干机的出口管道直接接至原有冷干机出口压缩气母管。新增的自然风冷式空压机生产的压缩空气容量为5.12m³/min，能满足燃气轮机正常运行的耗气量需求1.5m³/min，且能满足燃气轮机停运时的耗气量需求4.33m³/min。压缩空气系统改造后，每年可节省电费57.08万元。新增空压机和冷干机的总体改造成本为14万元，设备运行约满4个月即可收回成本。本改造方法适用于年利用小时少，需连续供热，供热锅炉火检冷却需要压缩空气的燃机电厂。

关键词：燃气轮机发电厂；压缩空气系统；调峰供热；备用供热燃气锅炉；自然风冷式空压机

1引言

近年来，浙江省燃气轮机电厂发电利用小时普遍较少，在燃气轮机机组停运期间，备用的供热燃气锅炉需要连续运行，保障工业用热[1-4]。锅炉燃烧使火检工作的环境温度升高，必须提供冷却风冷却才能使火检长时间稳定运行[2-5]。某燃机电厂压缩空气系统为水冷式，可同时为燃气轮机机组、燃气锅炉和水岛制水提供压缩空气[3-6]。当机组停运时，空压机的产气量远大于燃气锅炉运行所需，且为空压机服务的冷却水泵功耗较大[4-7]。因此，有必要对原有的压缩空气系统进行优化改造，研究新增小功率的自然风冷式空压机，在满足燃气锅炉及水岛制水运行所需压缩空气的同时，减少冷却水泵的使用时间，降低设备的维护成本，提高企业的经济效益。

本研究针对燃气轮机的备用供热燃气锅炉，优化改造压缩空气系统，新增一套小功率的自然风冷式空压机和冷干机，在满足燃气锅炉及水岛制水运行所需压缩空气的同时，大量减少压缩空气系统运行的外购电量，延长冷却水泵的维护周期和使用寿命，节省生产耗电量和运营成本。本研究有助于了解燃气轮机机组停运期间，一种降低空压机和冷却水泵耗电量的新方法，通过采用小功率的自然风冷式空压机满足燃气锅炉及水岛制水的需求。

2压缩空气系统改造方案

压缩空气系统由空气压缩机、干燥器和过滤器等组成，对一个大气压力的空气进行压缩后，以高压力将其输送给用户[3]。改造前的压缩空气系统如图1所示，共配置3台喷油螺杆式空压机和2台再生式冷干机，供全厂压缩空气。正常运行时，空压机1台运行，2台备用；冷干机1台运行，1台备用。

改造后的压缩空气系统如图2所示，在原系统的基础上新增一套小功率的自然风冷式空压机和冷干机。新增冷干机的出口管道直接接至原有冷干机出口压缩气母管，不改变其余系统布置，充分利用了原有系统的管道，节省管材。

3改造后的运行可行性分析

当燃气轮机机组停运时，压缩空气系统的主要用户为燃气锅炉火检冷却及水岛制水设备。由于火检冷却用的压缩空气直接外排，导致压缩空气耗量较大，耗气量约为4.33m³/min。当燃气轮机机组运行时，采用抽凝机抽汽供热，燃气锅炉停运，关闭其火检冷却风门，压缩空气耗量较燃气轮机机组停运时减少，机组运行时每分钟耗气量约为1.5m³/min。

新增的自然风冷式空压机生产的压缩空气容量为5.12m³/min，能满足燃气轮机正常运行的耗气量需求1.5m³/min，且能满足燃气轮机停运时的耗气量需求4.33m³/min。从技术上证明该压缩空气系统改造方案完全可行，改造后的实际运行也验证了这个结论。通过增加压缩空气母管压力低联锁启动原空压机和冷干机的逻辑，将原有的空压机及冷干机作为备用，提高了压缩空气系统运行的灵活性和可靠性。

新增的空压机为微油型空压机，空压机出口压缩空气经过冷干机过滤除油后，进入压缩空气母管的气中含油量为0.01ppm，能满足全厂压缩空气的气体品质的要求。

4改造后的经济效益

设备运行的耗电量计算公式为：

设备耗电量=用电设备功率×时间（1）

设备运行的电费成本计算公式为：

设备运行电费成本=设备耗电量×电价（2）

当机组停运时，需保持1台空压机、1台冷干机及1台闭式水泵连续运行，其中闭式水泵为水冷式压缩空气系统提供冷却水。由于冷却水系统为闭式循环，当水温上升到40℃时，需启动辅机冷却水泵为闭式水提供冷却水，从而维持整套系统正常运行。根据实际运行情况，辅机冷却水泵平均每天启动一次，每次启动20分钟。机组停运期间的外购电单价为0.6124元/kWh，费用如表2所示。

当机组停运时，只需保持新增的空压机和冷干机运行。新增的空压机采用自然风冷的冷却方式，不需要闭式水泵运行提供冷却水，也不需要启动辅机冷却水泵为闭式水提供冷却水，系统运行方式得到优化，功耗也大大降低。机组停运期间的费用如表3所示。

该燃机电厂全厂容量为232MW，由一套容量为132MW的联合循环抽凝机组和一套容量为100MW的联合循环背压机组组成，年利用小时为600小时，发电时主要是抽凝机组运行。由于运行时启停机、抽汽供热、环境温度等因素对负荷的影响，机组运行时平均负荷率约为70%，因此机组年实际运行时间大约为1500h，春节期间供热大约停20天。机组运行期间，上网电价为0.667元/kWh，改造前后压缩空气系统运行费用对比如表4所示。

当机组运行时，闭式水及开式水系统均需运行，因此新增空压机节能效果主要体现在效率比原空压机略高。由表4可知压缩空气系统改造前后每年可节省总电费约为57.08万元。本改造方法适用于年利用小时少，需连续供热，供热锅炉火检冷却需要压缩空气的燃机电厂。

5结论

针对燃气轮机的备用供热燃气锅炉，优化改造压缩空气系统，新增一套小功率的自然风冷式空压机和冷干机，在满足燃气锅炉及水岛制水运行所需压缩空气的同时，大量减少压缩空气系统运行的外购电量，延长冷却水泵的维护周期和使用寿命，节省生产耗电量和运营成本。结果表明：

（1）压缩空气系统的改造是在原系统的基础上新增一套小功率的自然风冷式空压机和冷干机，新增冷干机的出口管道直接接至原有冷干机出口压缩气母管。新增的自然风冷式空压机生产的压缩空气容量为5.12m³/min，能满足燃气轮机正常运行的耗气量需求1.5m³/min，且能满足燃气轮机停运时的耗气量需求4.33m³/min。

（2）通过增加压缩空气母管压力低联锁启动原空压机和冷干机的逻辑，将原有的空压机及冷干机作为备用，提高了压缩空气系统运行的灵活性和可靠性。

（3）压缩空气系统改造后，每年可节省电费57.08万元。新增空压机和冷干机的总体改造成本为14万元，设备运行约满4个月即可收回成本。

（4）改造后系统运行方式较为简单，灵活性佳，只需新增的空压机及冷干机连续运行即可，原空压机和冷干机系统作为备用，系统稳定性更强。水泵的使用寿命与运行时间、负载率、维护保养等因素密切相关。此改造方案缩短了闭式水泵、辅机冷却水泵的运行时间，延长了设备维护周期和使用寿命，减少了维护成本。

参考文献

[1]徐明,耿海涛.燃气轮机联合循环电厂压缩空气系统优化改造[J].电力安全技术,2018,11:8-10.

[2]陈帮海.浅谈火检冷却风[J].科技视界,2015,22:273.

[3]胡磊,郭爱.压缩空气系统的节能设计与优化方案[J].化工设计通讯,2017,7:138-144.

[4]吕鹏林,花万春.浅谈大型水泵机组使用寿命问题[C].中国水利学会会议论文集,433-436.

[5]包海斌,陆海涛,张营日,刘德刚,瞿炜峰,赵俊杰.超低排放改造和风道优化对引风机功耗的影响[J].电力设备,2017,(4):269-270.

[6]贺舒婷,朱贤伟,叶启明,翁天天,赵俊杰.火力发电企业EAM系统运行效率分析及优化[J].移动信息,2016,10(10):58-60.

[7]毛杰誉,陈盛磊,贺舒婷,曹怿,赵俊杰.1000MW火电机组保安PC的PT熔丝熔断事故分析[J].电力设备,2016,(20):162-163.