空壓機(jī)在輪機(jī)和電機(jī)狀況剖析中運(yùn)用

　　1汽輪機(jī)與電機(jī)拖動現(xiàn)狀分析
　　電動機(jī)現(xiàn)在已是生產(chǎn)過程中不可缺少的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備，它以工作運(yùn)行平穩(wěn)、啟?？刂坪唵巍⒓夹g(shù)包含比重低、維修成本價格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)覆蓋了各行各業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)；但大型電機(jī)（額定功率較大）在起動時對電網(wǎng)容量要求比較高，很容易影響(influence)周圍設(shè)備正常運(yùn)行；其設(shè)備技術(shù)含量高、控制方式及調(diào)速方式復(fù)雜、維修成本及價格較高。
　　汽輪機(jī)(Turbine)目前已廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、冶金、建材(Building materials)、環(huán)保、紡織、造紙等工業(yè)領(lǐng)域，并因性能優(yōu)越，節(jié)能效益好，結(jié)構(gòu)(簡單得到了廣泛好評。
　　2空氣(Basin air)壓縮機(jī)采用電機(jī)拖動的初設(shè)及投資分析
　　空氣壓縮(compression)機(jī)是制氧機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，又稱原料壓縮機(jī)。由于40 000 m3/h制氧機(jī)所需220 000m 3/h的0. 45 M Pa 0. 5 M Pa的空氣量，所以空氣壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸功率為18 500 kW.
　　首先在沒有工廠設(shè)計之前，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)與空壓機(jī)生產(chǎn)廠家(factory)進(jìn)行技術(shù)交流，空壓機(jī)配套拖動設(shè)備(shèbèi)如選用電機(jī)拖動，額定電壓(Voltage)為10 kV，電機(jī)功率為19 800 kW；國內(nèi)無法生產(chǎn)，只有采用進(jìn)口ABB或西門子電機(jī)；電機(jī)的采購費(fèi)用較高，交貨周期為18個月。
　　2. 1空壓機(jī)電機(jī)拖動設(shè)計及分析(Analyse)
　　同等工藝條件下空壓機(jī)配套電機(jī)參數(shù)：電壓為10 kV；功率為19 800 kW；電流(Electron flow)為1 283 A；功率因數(shù)為0. 9.由于空壓機(jī)直接起動時扭矩過大，起動電流是額定電流的6倍，母線的壓降也很大（要求不能大于15% ），所以采用特殊的起動方式：
　?。?1）采用變壓器-電動機(jī)組起動。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中水或其它液體當(dāng)作活塞來壓縮氣體，然后將氣體排出。
　　如采用這種起動方式，則需新建一座3 25 MV
　　A、35 /10 kV變電所為3臺空壓機(jī)電機(jī)供電。3臺20 MW空壓機(jī)電機(jī)采用變壓器-電動機(jī)組供電方式。
　　根據(jù)35 kV母線最小短路容量S m in= 632 MVA計算可得出實(shí)際起動電流I q = 4 69
　　7. 446 A.
　　計算馬達(dá)起動時間為：
　　電機(jī)起動時間=
　?。?GD）2 N r2 / = 
　　8. 000 1 470. 000 2 / = 
　　2
　　1. 664計算得到35 kV母線壓降為12%，但35 kV變電站占地面積較大，而且35 kV母線壓降超過熱軋機(jī)組變頻（frequency conversion)器對電壓波動的要求，將對其它在線機(jī)組變頻器運(yùn)行產(chǎn)生影響，會造成變頻器跳停。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。
　?。?2）采用熱變電阻降壓起動。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應(yīng)選用適宜的進(jìn)排氣消聲器。空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)?？諌簷C(jī)的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)在空壓機(jī)排氣口使用小孔消聲器
　　如采用這種起動方式，則需新建一座3 50 MV
　　A、35 /10 kV制氧變電所為3 40 000 m 3 /h制氧機(jī)供電，3路35 kV供電電源引自鋼東變。
　　根據(jù)35 kV母線最小短路容量S m in = 632 MVA計算出10 kV側(cè)最小短路容量為S min = 29
　　9. 4 MVA.
　　根據(jù)計算出的10 kV母線最小短路容量，又因熱變電阻(resistance)降壓起動可以將電流(Electron flow)控制在2 4倍以內(nèi)，滿足起動要求；然而采用熱變電阻降壓起動，本身占地面積較大，液阻隨溫度變化劇烈，導(dǎo)致起動過程中電流、時間不好控制，不能恒定某一個值，相對危險性較大；對設(shè)備會產(chǎn)生不良的影響。
　?。?3）采用高壓變頻器起動。昆山空壓機(jī)維修工作時，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進(jìn)口導(dǎo)葉自動調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統(tǒng)
　　根據(jù)10 kV母線最小短路容量可知滿足起動條件，起動平穩(wěn)，對電網(wǎng)無沖擊；但投資（意義：是未來收益的累積）費(fèi)用較高，國內(nèi)沒有辦法生產(chǎn)，國外采購周期(cycle)很長，會影響施工進(jìn)度及投產(chǎn)日期。
　　投資分析(Analyse)。綜合分析可知：保證上級變電站提前改擴(kuò)建完成是制氧項目投產(chǎn)的前提，根據(jù)以上的計算分析，為避免影響系統(tǒng)內(nèi)其他單位的供電，筆者建議采用高壓變頻起動方式，但結(jié)合項目的投產(chǎn)日期，因而以上都不能滿足要求。
　　2. 2空壓機(jī)的運(yùn)行成本分析
　?。?1） 3 40 000 m 3 /h制氧機(jī)(Oxygen making machine)組1臺空壓機(jī)年耗電量：
　　年平均運(yùn)行功率： 19 800 kW 0. 9；平均電價(Electricity price)： 0. 4元/kWh；年運(yùn)行小時： 350天24小時= 8 400小時；年電費(fèi)： 19 800 kW 0. 9 8 400小時0. 4元/ kWh= 59 875 200元。
　?。?2）其中不含每次起動時的電費(fèi)和日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用(expense)。
　　3空氣壓縮機(jī)采用汽輪機(jī)拖動的初設(shè)及投資分析
　　鍋爐所產(chǎn)生的初次蒸汽，溫度高、壓力大，可以很好地利用到汽輪機(jī)上，利用汽輪機(jī)拖動壓縮機(jī)做功。
　　針對此種情況，其可取代馬達(dá)來驅(qū)動空壓機(jī)做功，以節(jié)省企業(yè)電能。根據(jù)以上空分配套壓縮機(jī)所需的重要參數(shù)，可選
　　4. 5 M Pa， 450 ， 19 800 kW的飽和蒸汽汽輪機(jī)，相當(dāng)于替代（用一物質(zhì)代替另一物質(zhì)（多為強(qiáng)者取代弱者的地位))19 800 kW的電動。利用汽輪機(jī)來拖動空壓機(jī)這種形式，不但控制簡單、成本低，并且運(yùn)行能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動機(jī)運(yùn)行所耗的電能，為企業(yè)連續(xù)地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。
　　3. 1空壓機(jī)汽輪機(jī)拖動設(shè)計及分析
　　按同等工藝條件下配套為
　　4. 5 MPa， 450 ，19 800 kW的飽和（saturation）蒸汽汽輪機(jī)。為了滿足汽輪機(jī)所需要的70 t/h蒸汽量，綜合考慮（consider)后，需新建2臺220 t/h的鍋爐，建設(shè)周期較短，可在制氧項目投產(chǎn)前完成。
　　新建的鍋爐采用純燒煤氣的運(yùn)行方式方法，煤氣由煉鐵高爐產(chǎn)出；這樣不但有效地利用了能源，而且還環(huán)境保護(hù)，使成本大大降低；其次根據(jù)地區(qū)發(fā)展的綜合考慮新建2臺220 t/h的鍋爐不但解決廠區(qū)、生活區(qū)供熱問題，還可以取締、拆除小鍋爐以達(dá)到環(huán)保要求。
　　3. 2空壓機(jī)的運(yùn)行成本分析
　　（ 1） 3 40 000 m 3 /h制氧(Oxygen)1臺空壓機(jī)年耗蒸汽量：平均蒸汽價格： 64元/T；每小時用量： 64元/T 70 = 4 480元/小時；年運(yùn)行小時： 350天24小時= 8 400小時；年消耗費(fèi)用： 70 8 400小時64元/T= 37 632 000元。
　?。?2）不含日常（daily）維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用(expense)。
　　4運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性分析
　　蒸汽汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力一般為
　　4. 5 M Pa， 450 ，功率19 800 kW，排氣- 0. 09 M Pa，轉(zhuǎn)速4 550 r/m in，在布置方式上，將汽輪機(jī)的油站布置在汽機(jī)本體的下部，在其上方直接安裝汽機(jī)本體、調(diào)速器及水泵，占地面積小，安裝使用方便。機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)采用電-液調(diào)節(jié)方式，并使用美國ICS TC3000控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)導(dǎo)葉開度以達(dá)到調(diào)速目的。
　　電機(jī)拖動壓縮機(jī)運(yùn)行，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(Rotating speed)較高，所以壓縮機(jī)與電機(jī)之間必須安裝(installation)變速箱連接才能滿足實(shí)際運(yùn)行需要；如所示，電機(jī)拖動負(fù)載起動時為了達(dá)到額定轉(zhuǎn)速需要克服很大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，而這樣對電網(wǎng)造成的影響也很大。
　　而利用汽輪機(jī)取代電動機(jī)拖動負(fù)載，控制好汽輪機(jī)的高速調(diào)節(jié)閥可使轉(zhuǎn)速緩慢的增加(increase)，直到額定轉(zhuǎn)速，這樣起動不但相對線性，轉(zhuǎn)速逐漸上升，克服的力矩相對較小，而且運(yùn)行平穩(wěn)可靠。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應(yīng)選用適宜的進(jìn)排氣消聲器。空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)。空壓機(jī)的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)在空壓機(jī)排氣口使用小孔消聲器
　　5投資成本
　　本研究（research)選用馬達(dá)拖動和配套高壓變頻裝置及變電站建設(shè)費(fèi)用共計6 500萬元（ 1臺）；選用上述汽輪機(jī)拖動需一臺蒸汽汽輪機(jī)和輔助設(shè)備及鍋爐，共投資8 000萬元左右。
　　6運(yùn)行成本(cost)
　　若用電動機(jī)(Motor)驅(qū)動，按一年滿負(fù)荷運(yùn)行8 400小時計算，每年需電費(fèi)大約59 875 200元。而用上述蒸汽汽輪機(jī)(Turbine)機(jī)組(unit)驅(qū)動，消耗的蒸汽成本(cost)需費(fèi)用37 632 000元左右，相對電機(jī)驅(qū)動，每年可節(jié)省成本為22 243 200元。
　　結(jié)合不同拖動方式的綜合比較分析（如所示），雖然使用汽輪機(jī)拖動要比使用變頻調(diào)速電動(electric)機(jī)的投資（意義：是未來收益的累積）成本高，但運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者；一年（運(yùn)行8 400小時）為企業(yè)節(jié)約2 2
　　2
　　4. 32萬元，投資汽輪機(jī)可很快收回成本。
　　7結(jié)語
　　在具備飽和（saturation）蒸汽的條件下，都可以利用蒸汽汽輪機(jī)，作為動力源取代電機(jī)，避免直接排空或不合理的資源浪費(fèi)。
　　隨著化工(Chemical industry)煉油石油化工冶煉金屬輕工和紡織等工業(yè)的發(fā)展，以及節(jié)約能源的需要，工業(yè)汽輪機(jī)將得到更廣泛的應(yīng)用。隨著石油化工等生產(chǎn)流程系統(tǒng)向大型高效方向發(fā)展，工業(yè)汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)(parameter)和功率等級范圍也將相應(yīng)地提高。為了更好地節(jié)約能源，合理利用品位較低的余熱，開發(fā)(Development)利用蒸汽或其它工質(zhì)的小型工業(yè)汽輪機(jī)將會日益受到重視。