摘要：垃圾焚燒發(fā)電廠中常用的螺桿空氣壓縮機，由于存在能耗高、占地大、壓縮空氣品質不佳等缺點，經濟性與可靠性均達不到最佳狀態(tài)。光大某垃圾焚燒發(fā)電項目通過改造1臺離心式空壓機代替螺桿空壓機組，使得系統(tǒng)能耗降低，效益增加，廠用電率降低1%，壓縮空氣含油量由20 ppm 降為0 ppm，運行噪音由98 dB 降為82 dB，為用氣量大的垃圾焚燒發(fā)電廠提供了節(jié)能改造參考思路。

關鍵詞：垃圾焚燒發(fā)電廠；離心空壓機；節(jié)能改造；二氧化碳減排量

壓縮空氣是指將大氣中的氣體通過壓縮機進行壓縮，提高其壓力和能量的過程。壓縮空氣系統(tǒng)在垃圾焚燒發(fā)電項目中具有極為重要的作用，其作用主要包括提供動力源、氣體輸送、環(huán)境控制、氣體分離和稀釋、儀表應用等。

壓縮空氣品質主要存在的問題是氣體中含有水分、油分、粉塵顆粒等雜質，會嚴重損害用氣系統(tǒng)，甚至影響發(fā)電機組的正常運行。因此，提高壓縮空氣品質、提高壓縮空氣系統(tǒng)的經濟性等課題一直是行業(yè)人員研究的主題。

壓縮空氣系統(tǒng)作為僅次于電力的第二動力源，雖在工業(yè)上有著不可取代的地位，但卻存在能耗大的問題，其能耗占垃圾焚燒發(fā)電廠的工業(yè)總用電量的10% 左右，使得廠用電率較大。因此，選擇高效的空氣壓縮機（簡稱“空壓機”）對降低垃圾焚燒發(fā)電廠的用電量有著重要的意義[1-5]。

垃圾焚燒發(fā)電廠中螺桿空壓機組的使用占據了較大的比重，其原因主要是項目建設期為了節(jié)省設備采購成本，建設方一般會采用成本較低的螺桿空壓機組作為壓縮空氣的供氣源，導致圾焚燒發(fā)電廠運營面臨設備占地大、操作繁瑣、設備組整體耗能較為嚴重等問題，因此如何較大的節(jié)約這部分運行能耗是垃圾焚燒電廠急于解決的問題，同時也是降低廠用電率的關鍵。本文以光大某垃圾焚燒發(fā)電項目為例，主要針對離心空壓機在垃圾焚燒發(fā)電廠的應用進行分析，考察1 臺離心式空壓機替代螺桿空壓機組的可行性及經濟性，為用氣量大的垃圾焚燒發(fā)電項目提供可行的節(jié)能改造思路。

1 離心空壓機工作原理與分類

1.1 工作原理

空氣壓縮機是利用空氣壓縮原理制成超過大氣壓力的壓縮空氣的設備。通過空壓機做功，將空壓機的機械能轉換成氣體的壓力能。

空氣壓縮系統(tǒng)主要分為空壓機、儲氣罐、除油過濾器、干燥機4 個部分。其中，空壓機是空氣壓縮站最重要的設備，可把大氣中的空氣壓縮成高壓壓縮氣；儲氣罐則根據安裝位置可分為前置式和后置式，前置式儲氣罐安裝在空壓機后具有除油、除水、緩沖、降溫的功能，后置式儲氣罐安裝在干燥器后具有儲存壓縮空氣和緩沖的功能；除油過濾器可除去壓縮空氣中剩余的液態(tài)水、油和大的顆粒物；干燥機根據干燥方法的不同分為冷凍式、吸附式等，其功能是除去大部分的水蒸氣，以及液態(tài)的油分和油蒸氣等，從而得到相對純凈的空氣，滿足用氣系統(tǒng)要求[6-8]。

目前，常用的空氣壓縮系統(tǒng)主要有螺桿空壓機、離心空壓機、活塞空壓機。離心空壓機工作原理是當空氣進入到機器后，其中的葉輪會快速轉動，讓氣體進入到擴壓器逐步完成壓縮；同時，氣體在離心空壓機的作用下壓力得到提高，動能大為增加，之后在擴壓流道內動能又轉變?yōu)殪o壓能，使得氣體壓力進一步提高。離心空壓機最顯著的優(yōu)點就是節(jié)能、排氣量大、故障率低、運行成本低、氣體品質高， 是用氣量在100 m3 以上的用戶首選產品。但是也存在一定的缺點，主要是離心空壓機單機容量不能太小，否則氣流流道就會太小，影響流動效率，造成能量損失。

1.2 離心空壓機分類[9-12]

1.2.1 按軸的型式分類

離心空壓機按照軸的形式可分為單軸多級式和雙軸四級式。

1.2.2 按氣缸的型式分類

離心空壓機按照氣缸的形式可分為水平剖分式和垂直剖分式。

1.2.3 按壓縮介質分類

離心空壓機按照壓縮介質可分為空氣壓縮機、氮氣壓縮機、氧氣壓縮機等。不同壓縮介質具有不同的使用場景。

1.2.4 按流量大小分類

離心空壓機按照流量大小可分為1 0～100 m3/min 的小型機、100～400 m3/min 的中型機、300～4200 m3/min 的大型機。

2 項目概況

主要處理生活垃圾和市政垃圾的光大某垃圾焚燒發(fā)電項目，由于建設時使用的壓縮空氣取自螺桿空壓機組，但運行時發(fā)現(xiàn)廠用壓縮空氣品質不佳，后經檢查發(fā)現(xiàn)主要原因是由于螺桿空壓機組產氣帶油，導致儀用氣凈化不徹底，致使精密設備損壞，因此導致螺桿壓空機組的經濟性與可靠性都不理想。從節(jié)能和安全角度考慮，該項目增設了1 臺離心空壓機，且增設后的離心空壓機組不僅可以節(jié)約電耗、提高經濟效益、減少空壓機維護成本，還能大大提高用氣品質及降低運行噪聲。

2.1 項目參數(shù)

光大某垃圾焚燒發(fā)電項目分為一期、二期和三期，其中一、二期共配置4 臺132 kW 螺桿空壓機組，3 用1 備，設備組小時耗電量約360 kW；三期配置3 臺132 kW 螺桿空壓機，2用1 備，設備組小時耗電量約240 kW。

2.2 改造目標

為同時滿足一、二、三期壓縮空氣的使用量，以及保證氣體品質，節(jié)約電耗，光大某垃圾焚燒發(fā)電項目新增1 臺參數(shù)為80 m3/min、功率為450 kW 的離心空壓機。離心空壓機的PID 調節(jié)范圍為60%～100%，設備電耗為430kW/h。經理論分析，在同等運行負荷條件下，該項目1 臺離心空壓機比多臺螺桿空壓機節(jié)約電耗25% 以上。

3 改造方案

增加1 臺離心空壓機，并將光大某垃圾焚燒發(fā)電項目一、二、三期壓縮空氣系統(tǒng)經過母管連通。選擇1 臺供氣量為80 m3/min、軸功率為450 kWh 的離心空壓機對全發(fā)電廠進行供氣。在#4 空壓機的位置替換安裝離心空壓機，進氣管考慮超大口徑，減少噪音。三期空壓機出口母管為DN150 管道，在末端處安裝DN150隔離閥，離心空壓機在光大某垃圾焚燒發(fā)電項目大修停爐期間對接。離心空壓機DN150 管道沿現(xiàn)有#4 空壓機滲濾液供熱管道敷設，并從二、三期垃圾倉聯(lián)通管道鋼架進入三期主廠房。改造中盡可能使用原有儲氣罐及冷干機。另外，根據現(xiàn)有壓縮空氣量，雖然1 臺80 m3/min 離心空壓機足以滿足全發(fā)電廠運行需求，但有備無患，因此改造方案提出當離心空壓機滿負荷運行時，若壓縮空氣量有所欠缺，則啟動1 臺螺桿空壓機配合運行，并定期切換。

4 改造效益及性能分析

4.1 節(jié)能效益

改造前的螺桿空壓機組正常運行能耗如表1 所示，通過連續(xù)10 d 的數(shù)據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，光大某垃圾焚燒發(fā)電項目三期共有5 臺螺桿空壓機，平均能耗為610 kW/h，氣體中含油量約20 ppm。改造后的1 臺離心空壓機正常運行時的能耗如表2 所示，通過連續(xù)10 d 的數(shù)據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，離心空壓機的平均能耗為438kW/h，氣體中含油量為0 ppm。因此，由表1和表2 可以看出，改造后的空壓機組能耗降低了172 kW/h（約137 萬kW/a），節(jié)電效果顯著。

改造后的離心空壓機系統(tǒng)提高了壓縮空氣的穩(wěn)定性，氣量得到保障；廠用電率降低了1%；壓縮空氣中的含油量由20 ppm 降至0 ppm，壓縮空氣品質極大提高；設備運行噪音由98 dB 降為82 dB，噪音和振動得到優(yōu)化。

4.2 環(huán)境效益

隨著碳達峰、碳中和政策的頒布，相關節(jié)能設備也在自己的角度為碳中和做貢獻。其中，離心空壓機的環(huán)境效益主要從減少二氧化碳排放量和減少標準煤使用量2 個方面核算。

4.2.1 減少二氧化碳排放量

按照消耗1 kWh 電量等于間接排放0.997 kgCO2 計算，改造后的離心空壓機系統(tǒng)每年可減排二氧化碳1371 t。

4.2.2 減少標準煤用量

按照消耗1 kWh電量于間接燃燒0.433 kgce，改造后的離心空壓機系統(tǒng)每年可減少標準煤使用量596 t。

4.3 經濟效益

4.3.1 節(jié)省總體費用

按運行8000 h/a，上網電價0.65 元/kWh計算，離心空壓機年運行費用為438×8000×0.65≈227.76 萬元，原螺桿空壓機系統(tǒng)年運行費用為610×8000×0.65 ≈ 317 萬元，改造后的空壓機系統(tǒng)應用離心空壓機替代螺桿空壓機全年可以節(jié)省運行費用約90 萬元。離心空壓機相較螺桿空壓機，每年可以節(jié)省管理和維修保養(yǎng)費約30 萬元。因此，經過使用離心空壓機系統(tǒng)后，光大某垃圾焚燒發(fā)電項目每年可以節(jié)省的運行費用、管理和維修保養(yǎng)費用約120 萬元。

4.3.2 投資回收期

光大某垃圾焚燒發(fā)電項目改造中離心空壓機本體、電纜、水泵、控制柜、水箱等設備購買費用，以及原設備拆除和新設備安裝施工的總費為210 萬元。該項目準備時間為90 d，施工時間30 d。因此，該項目的靜態(tài)投資回收期計算為210÷120=1.75 a。

4.3.3 投資回報率

根據每年節(jié)省120 萬元的總費用，計算設備投產運行后每年的投資回報率ROI 為120÷210×100% ≈ 57.14%。

5 結論

綜上所述，改造后的離心空壓機組，運行穩(wěn)定，不會對壓縮空氣系統(tǒng)造成任何影響，壓縮空氣品質極大提高，壓縮空氣中含油量由20 ppm 降至0 ppm，設備運行噪音由98 dB 降為82 dB，在用氣量100 m3 以上的垃圾焚燒發(fā)電廠具備推廣改造價值。改造后的離心空壓機系統(tǒng)，每年可以減排二氧化碳1371 t，減少標準煤使用量596 t，為碳達峰、碳中和做出了積極貢獻；每年可以節(jié)省費用約120 萬元，經濟效益明顯，項目投資回收期為1.75 a。因此，對于使用壓縮空氣量較大的垃圾焚燒發(fā)電廠而言，通過將多臺小功率的螺桿空壓機改為1 臺大功率的離心空壓機在技術上和經濟上都是非?？尚械摹?/p>

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作者簡介

張?zhí)扃?990—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，工學碩士，研究方向為固危廢處理處置、垃圾焚燒發(fā)電廠節(jié)能增效等。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-08-28