李芳芽
(上海電氣工程設(shè)計(jì)有限公司,上海201612)
儀用壓縮空氣系統(tǒng)主要為機(jī)組控制系統(tǒng)中眾多氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供操作氣源,為控制設(shè)備提供冷卻風(fēng),為粉塵、煙氣壓力測量取壓管道提供吹掃。其工作的可靠性以及容量選擇的合理性對安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)極為重要。
在GB4830《工業(yè)自動化儀表氣源壓力范圍和質(zhì)量》及HG/T20510《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)定》中對壓縮空氣品質(zhì)統(tǒng)一進(jìn)行了如下約束:
(1)壓力范圍:1)凈化裝置出口處的氣源壓力范圍為300~500kPa和500~800kPa;2)儀表輸入端的氣源壓力范圍為140kPa、260kPa、350kPa、550kPa和700kPa,允許波動范圍為其公稱值的±10%。
(2)質(zhì)量:1)露點(diǎn):在線壓力下的氣源露點(diǎn)應(yīng)比環(huán)境溫度下限值至少低10℃(現(xiàn)基本以-40℃為選型基礎(chǔ));2)含塵粒徑:不應(yīng)大于3μm;3)含油量:不應(yīng)大于10mg/m3(8ppmw);4)污染物:氣源中應(yīng)無明顯的有害氣體或蒸汽。
以上的儀用壓縮空氣品質(zhì)為設(shè)計(jì)、選型的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
GB50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》建議2臺機(jī)組的項(xiàng)目儀表與控制用空壓機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)宜為每臺機(jī)組1臺,并設(shè)置1臺檢修備用和1臺運(yùn)行備用的空壓機(jī),同時(shí)應(yīng)兼做檢修用空壓機(jī)。2000版的《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定“300MW和600MW機(jī)組宜分別配置4臺20m3/min和4臺40m3/min容量的空氣壓縮機(jī)”,此項(xiàng)條目是總結(jié)國內(nèi)各電廠的常規(guī)配置得出的經(jīng)驗(yàn)值,而對于國外項(xiàng)目,系統(tǒng)上的配置有較大區(qū)別(如氣動閥門的選用等),據(jù)此,本文依據(jù)各規(guī)范中的公式對SEC近期承包的600MW等級海外項(xiàng)目氣耗量進(jìn)行了計(jì)算,以核實(shí)上述數(shù)據(jù)是否適用。
(1)耗氣量計(jì)算(HG20510—2000《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)定》):
式中,Q′C為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的耗氣量(Nm3/h);Q0為操作狀態(tài)下的耗氣量(m3/h)。
(2)氣源裝置設(shè)計(jì)計(jì)算容量(HG20510—2000《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)定》):
式中,QS為氣源裝置設(shè)計(jì)計(jì)算容量(Nm3/h);Q′C為各用氣單位的耗氣量總和(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))(Nm3/h);2為備用系數(shù);0.1~0.3為管道漏氣系數(shù),在下文計(jì)算中泄漏系數(shù)均按照最大值0.3選取。
(3)儲氣罐容積計(jì)算(HG20510—2000《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)定》):
式中,V 為儲罐容積(m3);QS為氣源裝置供氣設(shè)計(jì)容量(Nm3/min);t為保持時(shí)間(min),根據(jù)規(guī)范,此處選取《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的5min作為計(jì)算依據(jù);P0為大氣壓力(kPa),P0=101.33kPa;P1為正常操作壓力(kPa);P2為最低送出壓力(kPa)。
(4)氣缸耗氣流量(《氣動手冊》):
無桿腔:
式中,Q為自由空氣耗氣量(L);D為缸徑(m);d為活塞桿直徑(m);L為行程(m);P 為工作壓力(MPa)。
通過查閱各類廠家樣本、產(chǎn)品資料整理如下需要壓縮空氣的設(shè)備或儀表,作為下文計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù):
(1)煙道取樣吹掃裝置:根據(jù)DFY型補(bǔ)償式風(fēng)壓防堵吹掃裝置樣本,每套吹掃裝置可配置4個(gè)吹掃點(diǎn),每套耗氣量為1m3/h。
(2)氧化鋯氧量分析儀:橫河ZR22/ZR402G樣本中耗氣量為1NL/min,羅斯蒙特 Oxymitter4000為56.6NL/h,下文中按照1NL/min選取。
(3)空預(yù)器火災(zāi)報(bào)警探頭吹掃用氣:火災(zāi)報(bào)警探頭的吹掃為間歇性吹掃,大約每20min吹掃30s,供氣量不大于5m3/h(每臺預(yù)熱器)。
(4)爐膛工業(yè)電視:根據(jù)長春鍋爐儀表程控設(shè)備股份有限公司技術(shù)資料0.2m3/min(每個(gè)攝像頭)。
(5)爐管泄漏檢測系統(tǒng):聲波傳導(dǎo)管會在堵灰時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號提示運(yùn)行人員進(jìn)行人工或自動清灰,或自定義吹掃間隔(1~30天不等),7~8個(gè)點(diǎn)為一組設(shè)置一個(gè)電磁閥,此吹掃為間歇性吹掃,此處耗氣量估算為10m3/h(整個(gè)系統(tǒng))。
(6)CEMS:根據(jù)廠家為天津普洛塞斯有限公司提供技術(shù)資料耗氣量為120L/min。
(7)調(diào)節(jié)類閥門、風(fēng)門的耗氣量:此類設(shè)備的耗氣量指的是其閥門定位器的耗氣量,二次風(fēng)門及擺角燃燒器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(定位器)集中了大部分的調(diào)節(jié)類執(zhí)行機(jī)構(gòu),根據(jù)STI選型樣本,選 擇 SA/CL-1 系 列 定 位 器,此 系 列 氣 耗 為 1Nm3/h(0.4MPa平衡時(shí)),另外熱工自動化設(shè)計(jì)手冊中列出了ZSL型及ZSLD型兩種形式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的耗氣量,為1 000~1 500L/h,本文按照1Nm3/h計(jì)算。
(8)開關(guān)型執(zhí)行機(jī)構(gòu):此部分?jǐn)?shù)據(jù)較難確定,是計(jì)算耗氣量的一個(gè)難點(diǎn),各類廠家樣本中所列數(shù)據(jù)均為調(diào)節(jié)性執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位器的耗氣量或開關(guān)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)單次動作的耗氣量。對于開關(guān)型執(zhí)行機(jī)構(gòu),去除泄漏等因素,理論上可認(rèn)為在其靜止時(shí)是不耗氣的,這部分設(shè)備的耗氣是暫態(tài)的,可以不納入計(jì)算。但考慮到在極端工況下對儀表氣源的影響,本文依據(jù)計(jì)算公式及廠家樣本對主要類型的開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類估算如下:
1)煙風(fēng)、煤粉的擋板類執(zhí)行機(jī)構(gòu),如磨煤機(jī)出口快關(guān)門、石子煤斗出口快關(guān)門等,200mm缸徑300mm行程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(產(chǎn)生15 000N的推力基本可滿足要求),根據(jù)氣缸耗氣流量計(jì)算公式計(jì)算得出單次動作耗氣量約為35L,其中石子煤斗的操作只取決于石子煤斗的料位,操作靈活,對機(jī)組運(yùn)行影響較小,按照常規(guī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)估算,為1Nm3/h,磨煤機(jī)出口快關(guān)門每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照5Nm3/h估算其耗氣量。
2)鍋爐油燃燒器部分,如油槍、點(diǎn)火槍執(zhí)行機(jī)構(gòu)、油角閥、吹掃霧化閥門,此類閥門力矩較小,動作時(shí)耗氣量也較小,此處按照1Nm3/h估算。
3)汽水系統(tǒng)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu),如各疏水門、抽汽逆止門,此類閥門多配單作用電磁閥,單項(xiàng)動作產(chǎn)生耗氣量,同時(shí)動作多出現(xiàn)在緊急情況下依靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧完成,此部分按照1Nm3/h估算。
4)化學(xué)系統(tǒng)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu),化學(xué)系統(tǒng)管道壓力較低且閥門較小,耗氣量低,此處按照0.5Nm3/h估算。
5)除灰系統(tǒng)氣動開關(guān)型執(zhí)行機(jī)構(gòu):每路耗氣設(shè)備包含2個(gè)進(jìn)氣氣動閥門、電除塵灰斗下圓頂閥以及灰斗進(jìn)料閥,耗氣量較小,2臺機(jī)組綜合考慮10Nm3/h。
依據(jù)上述計(jì)算公式及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取較具有代表性的印度SASAN 660MW項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算。該項(xiàng)目采用上海鍋爐廠主推的四角切圓燃燒超臨界鍋爐,上汽廠生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。7臺磨煤機(jī),5運(yùn)行2備用,主廠房用氣量估算值如表1所示。
表1 主廠房用氣量估算(單臺機(jī)組)
因本項(xiàng)目共建設(shè)6臺機(jī)組,凝結(jié)水精處理系統(tǒng)較為復(fù)雜,此處按照兩臺機(jī)組量考慮,單元機(jī)組氣動門為40Nm3/h,公用部分為40Nm3/h。根據(jù)前文公式得出主廠房部分單臺機(jī)組的耗氣量為:
Q′C(BTG)=(24+24+0.48+10+10+7.2)×1.54+97+245+105+52+67+60=742Nm3/h
化學(xué)系統(tǒng)(假定含有除鹽水處理系統(tǒng)、海水淡化、制氫站、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)等)按140個(gè)氣動門計(jì)算,總耗氣量考慮70Nm3/h(全廠),除灰按照前文預(yù)估為10Nm3/h。
Q′C=742+35+5=782Nm3/h
氣源裝置設(shè)計(jì)計(jì)算容量:
QS=Q′C(2+0.1~0.3)=29.97Nm3/min
儲罐容積(按照每臺機(jī)組設(shè)置一個(gè)計(jì)算):
V=QStP0/(P1-P2)=29.97×5×0.101 3/(0.8-0.45)=43.37m3
在以上計(jì)算中,在各個(gè)環(huán)節(jié),如廠家提資、公式中系數(shù)的選取等均考慮了一定裕量,所以在最終空壓機(jī)選型時(shí)不建議再添加裕量以造成浪費(fèi)。
2011版《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》刪除了2000版中的建議空壓機(jī)容量,而是建議儀用空壓機(jī)與除灰空壓機(jī)采用相同容量以減少空壓機(jī)規(guī)格、數(shù)量及占地面積。
通過計(jì)算結(jié)果結(jié)合規(guī)范規(guī)定,得出:2×600MW機(jī)組項(xiàng)目宜配置3臺40m3/min左右的空壓機(jī)及2個(gè)主廠房儀控設(shè)備用的50m3貯氣罐。比DL5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中要求的4臺40m3/min空壓機(jī)少1臺。對于常規(guī)600MW等級機(jī)組(四角切圓燃燒鍋爐),儀用空壓機(jī)與除灰空壓機(jī)合并設(shè)置的情況下,選擇250kW的空壓機(jī)可滿足要求,備用數(shù)量上減少1臺,廠用電相應(yīng)減少250kW,此處進(jìn)行合理優(yōu)化是降低能耗、提高效率、節(jié)約成本的一個(gè)重要手段。
在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)工程中,由于各項(xiàng)目實(shí)際情況不同,需要依據(jù)各項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算并作經(jīng)濟(jì)比較,以最終確定空壓機(jī)容量及系統(tǒng)配置。
[1]GB50660—2011 大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2]王建榮,張世園.火電廠空壓站設(shè)備選型[J].電力設(shè)備,2003(4).
[3]徐炳輝.氣動手冊[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2005.