新版《压缩空气站设计规范》中节能、安全和环保条文分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中机国际工程设计研究院有限责任公司 作者:彭恒

  新版GB50029《压缩空气站设计规范》在站房布置、设备选型、系统流程等方面提出了许多新的规定,强调压缩空气站及其系统的节能、安全和环保。本文就有关条文进行了分析和阐述。

1、引言

  国家标准《压缩空气站设计规范》(GB50029,以下简称《规范》)是由国家质监总局及住建部颁布的工程设计标准,主要用于规范各类工矿企业压缩空气站的工程设计,以保证安全生产、维护环境、节约能源、改善劳动条件,做到技术先进和经济合理。该《规范》最近的一版是2003年颁布的,目前最新的修订版(以下简称新《规范》)已通过部审并报批,新《规范》已于2013年颁布。本次修订的许多条文主要针对压缩空气站系统的节能、安全运行,本文拟就这些内容进行一些分析。

2、设备的选型

  为指导设计人员正确选择压缩机和干燥净化装置,使站房运行更加灵活和节能,新《规范》在工艺系统章节中增加了一些推荐性条文,这些条文的应用,对于淘汰落后产品,促进节能技术的发展有着重要意义。

  (1)目前国内产量最大、应用面最广的机型应属单级喷油螺杆压缩机机组,但是,它的比功率通常要比活塞压缩机和离心压缩机高10%~15%,当机组功率较大时,能源的浪费则相当可观。因此,新《规范》规定:“当单台压缩机额定电机功率大于300kW时,不宜选用单级喷油螺杆压缩机。”

  (2)通常压缩空气系统设计和压缩机选型配置原则都是按最大负荷条件(即100%负荷),并且给予一定余量进行的。但在实际使用生产中,几乎所有的系统都是在偏离设计工况负荷下运行。根据美国能源部2003年的调查数据,我国工业行业的空气压缩机的负荷率仅为66%,比全球平均水平低10%以上。现有绝大多数压缩机负荷率调节装置是进气节流方式,这种调节方式是以多耗能为代价。以普通螺杆压缩机为例,在低负荷状况下,效率会大幅降低,若在70%负荷下运行,耗能是正常的1.3倍,50%负荷下运行,耗能是正常的1.7倍,负荷进一步降低,效率将急剧下降。以我国现有压缩机负载率66%计算,耗能约是正常情况的1.4倍。

  实际运行中,用户用气量经常是变化的,从而引起管网和压缩机出口压力的波动。为了保证使用压力,通常控制这个压力向上波动,使得压力平均值高于需求,也带来了额外的功耗。解决问题的关键是实现压缩机高效变负荷运行。现在,常见比较节能的变负荷调节方式有调速、变容、进气导叶调节等。变频螺杆压缩机调速,基本上能够保证压缩机的比功率变化不大,维持高效运行。另外其调速响应比较快,通过智能控制,能够使得压缩机的额定容积流量与用气量很快地保持一致,使得管网压力波动幅度很小,通常能够达到0.01~0.03MPa,这样能够降低管网平均压力,提高系统高效运行,一般能够节约系统耗能5%以上。

  因此,新《规范》规定:“工作压力小于等于1.6MPa的空气压缩机组,在正常负荷下供气压力波动幅度不宜超过0.05MPa;当负荷变化较频繁时,宜选用1~2台具有变容或变频等节能型气量调节功能的压缩机。”

  (3)离心空气压缩机组在低于额定工况运行时,效率会大幅下降,且容易进入喘振状态,所以,新《规范》规定:“离心空气压缩机各单机运行时其容积流量不宜低于额定容积流量的70%。”

  (4)目前国内压缩空气系统常常低负载运行,造成压缩空气后处理设备低效率运行。在设计选型时干燥装置通常是按照系统最大负荷来配置的,而且普遍没有变负荷调节功能,当系统低负荷运行时,干燥装置依然按照满负荷方式运转,耗电、耗气不变,造成系统的运行效率下降。如果系统配置的是大型干燥器,集中干燥,系统的运行效率将更低。因此要求压缩空气干燥装置的总处理容量,应能根据站房实际运行负荷进行调节。通常做法是干燥装置与压缩机采用一一对应的配置,当部分压缩机停机时,相应台数的干燥装置也停止运行;另外,目前冷冻式干燥装置、吸附式干燥装置均已有变负荷技术,在系统设计时,推荐采用带负荷调节功能的干燥装置。因此,新《规范》规定:“压缩空气干燥装置的总处理容量,应能根据站房实际运行负荷进行调节。”(5)目前常见的压缩空气干燥装置中,干燥装置相当于压缩机耗能的比例,冷冻式约为3%~5%,加热再生吸附式约为8%~10%,无热再生吸附式、微热再生吸附式约为18%,压缩热再生吸附式为1%~2%以下。在一般情况下,为节约能耗,选型干燥装置时,应尽可能选用能耗少的干燥装置。新《规范》规定:“工作压力小于10MPa、单台处理气量大于20m3/min或工作压力大于等于10MPa、单台处理气量大于3m3/min的吸附式干燥装置,宜采用加热再生吸附式干燥装置或压缩热再生吸附式干燥装置”,“压缩空气湿度等级要求不低于5级时,应选用冷冻式干燥装置或压缩热再生吸附式干燥装置。”

3、系统流程的设计

  压缩空气站工艺流程的合理设计是保障整个系统安全节能运行的基础,新规范对原规范有关条文进行了完善和补充,使工程设计人员在工艺设计时有据可依。

  (1)在压缩空气站设备工艺流程上最常见的错误是将储气罐设在干燥设备后面。主要是因为这样布置操作较方便,由于干燥器与压缩机一起设在同一机器间内,而储气罐常常布置在室外,这样布置可以避免管道折返。实际上,正确的设计应该是将储气罐设置在干燥装置之前,这是因为一方面储气罐具有一定的除油水功能,布置在干燥净化设备之前可以减轻其负担,另一方面,活塞空气压缩机或隔膜空气压缩机均属于往复式压缩机,排气气流脉动很大,直接进入吸附式干燥装置会令干燥剂破碎,减少使用寿命。因此,新《规范》规定:“储气罐宜布置在空气压缩机与干燥净化装置之间”;“装有活塞空气压缩机或隔膜空气压缩机的压缩空气站,其吸附式压缩空气干燥装置应设在储气罐后”。

  但有的压缩空气系统需要储气罐瞬间释放大量压缩空气,例如空气锤、气动启动系统等[9,16],这种情况下储气罐设置在干燥净化装置前则会大大增加干燥净化装置容量,为解决这类问题,新《规范》规定:“当负荷要求储气罐瞬间释放超过干燥净化装置处理量的压缩空气时,应在干燥净化装置后另行设置储气罐。”

  (2)不同压力的空气压缩机串联运行时,需在高、低压缩机之间设置缓冲罐,以平衡二者之间的进、排气流量。为此,新《规范》规定:“不同压力的空气压缩机串联运行时,应在2台空气压缩机之间设缓冲罐,并应在后置空气压缩机后设储气罐;缓冲罐的容积,应根据高、低压压缩机之间进、排气流量的平衡需要进行匹配。”

  另外,在这种情况下,干燥装置如果设在后置空气压缩机后,将使干燥装置压力等级大大提高,增加设备成本,因此,新《规范》规定:“采用不同压力的空气压缩机串联运行系统时,压缩空气干燥装置应设在缓冲罐与后置空气压缩机之间。”

  (3)空气压缩机在压缩空气时会产生大量的热量,这些热能可利用来采暖、洗浴、加热锅炉给水或用于干燥剂的再生等,技术上已很成熟,因此新《规范》规定:“压缩空气站,宜对压缩热能回收利用。”

  (4)管道系统设计不当容易造成压降过大,浪费能源,一些资料提出空气压缩机管网压降应控制在10%以内。新《规范》规定:“工作压力小于1.6MPa的压缩空气管道系统,从空气压缩机出口到最不利点的压力损失不宜超过空气压缩机排气压力的10%。”

4、安全运行的考虑

  由于压力范围扩大,压力高于10MPa的高压压缩机和串联运行的压缩机均列入了此次修订增加的内容,鉴于其危险性和特殊性,规范在这方面补充了一些条文。另外,为保证压缩机的正常运行,增加了对其进气过滤装置的精度要求及一些控制保护项目的要求:

  (1)配气台间、储气罐间、充瓶间,为高压压缩空气站常见的生产运行房间,偶发事故的部位也多在这些地点。配气台间的操作相应较多,虽无噪声但需人员值守,时时监控、调整运行状态,需要相对安静的操作环境;储气罐有一定的爆炸危险性,在正常运行时,阀门等不必经常操作,设备相对为静态,无机械噪声;充瓶间内时常有装卸气瓶的操作,也有一定的危险性。因此,新《规范》规定:“工作压力大于等于10MPa压缩空气站的配气台、储气罐、充瓶装置,应分别布置在单独的房间内,且房间内不应布置其它无关的设备。”

  (2)工作压力大于等于10MPa的压缩空气站,其设备与管道系统一旦发生事故,将对人身及财产造成很大危害。因此,新《规范》规定:“当工作压力大于等于10MPa的压缩空气站与其他建筑物毗连时,应用厚度不小于200mm且无门、窗、洞的钢筋混凝土防护墙隔开,并应设置直接对外的出入口。”其“配气台间与机器间或储气罐间应采用不小于200mm厚的钢筋混凝土防护墙隔开”。

  (3)考虑空气中的灰尘对空气压缩机的使用寿命和检修周期影响及高压压力状态下压缩空气内的尘粒对管道的强力冲刷、磨损,对其吸气过滤器提出具体参数要求以保证设备和系统的安全高效运行。原GB—T13276—1991《容积式压缩机空气滤清器》规定,40μm滤清效果大于95%,阻力损失小于800~1000Pa,API61《石油,化工和气体工业用旋转容积式压缩机》提出入口滤清器应能在整个吸气范围内滤除97%的1μm或1μm以上微粒,最大压降不得超过1200Pa[25];而几大压缩机制造商提出过滤精度要求为10~15μm。综合相关资料和行业调查情况,新《规范》提出:“活塞空气压缩机、隔膜空气压缩机和螺杆空气压缩机的吸气过滤器应能除掉最少99.5%的规格为15μm或15μm以上颗粒,其洁净时的压力降不应大于800Pa。”

  根据API672《石油,化工和气体工业用组装型整体齿轮增速离心式空气压缩机》,要求“通过清洁过滤器元件的压力降,应不超过5.0mbar(2英寸水柱)。进口流量范围上,除掉最少99.5%的规格为2μm或2μm以上颗粒”。经调查,目前离心压缩机过滤器精度一般高于此标准,故新《规范》规定:“离心空气压缩机吸气过滤器应能除掉最少99.5%的规格为2μm或2μm以上颗粒,其洁净时的压力降不应大于500Pa。”4)当环境温度大于40℃时,空气压缩机和电机寿命会大大减少,控制程度较高的机组还会因吸气温度过高自动停机;值班室、控制室是工作人员长期呆的地方,配气台间经常有人进入操作,根据现行的《工业企业设计卫生标准》的规定,温度不应大于28℃[28]。因此,新《规范》规定:“压缩空气站工作时机器间内最高环境温度不应大于40℃。隔声值班室或控制室、配气台间的温度不应大于28℃。通常应设通风或降温装置。”(5)为确保站房内设备安全运行,新《规范》增加了隔膜压缩机热工测量、热工报警信号和自动保护控制的装设要求,对原规范的相关条文也做了个别调整,在此不再赘述。

5、结语

  新《规范》对原《规范》做了全面修订,增加了许多有关压缩空气站节能、安全生产方面的条文,对于提高我国压缩空气站设计技术水平有较大的指导意义。

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