壓縮空氣集中智能化供氣改造，為更好、更科學地完成空壓氣改造方案, 本文通過對三鋼原有空壓站的實際排氣量進行合理分析, 求得集中供氣空壓站的設計容積流量, 并計算空壓機必須的排氣壓力, 以便于集中智能化供氣改造的設備選型和方案設計優化。目前, 三鋼各單位在用的空壓站共有14座, 站內共安裝空壓機組63臺。除2臺離心式空壓機外, 其余61臺空壓機均為噴油螺桿式空壓機, 且多為上等壓縮。由于使用年限較長, 大多數螺桿式空壓機存在制氣效率低、能耗高、油耗高、廢油處理難等問題。因此, 需要對空壓氣進行集中智能化供氣改造。
1.改造方案
(1) 采用分區域集中聯網供氣。在用氣相對集中的幾個區域, 通過改造或新建2～3個集中供氣點, 并用離心式空壓機替代螺桿式空壓機進行制氣供用戶使用。每個集中供氣點用管路相互聯網, 實現相互補氣。
(2) 采用智能化控制供氣。建設一套無人值守的空壓機供氣管網智能監控系統, 實現根據生產實際用氣情況自動控制機組的運行數量和狀態;實現每個供氣點內用氣量能夠自動調節, 各供氣點之間用氣量能夠自動調配;實現自動監測到供氣管網中的泄漏情況, 并且能準確的把泄漏位置鎖定在很小的范圍內, 提示用戶進行維修。
2.供氣的設計容積流量計算
由于空壓站數量較多, 且每個空壓站內空壓機的數量、型號以及使用年限的不同, 本文因篇幅限制無法對每個空壓站以及站內每臺空壓機的容積流量進行具體分析。因此, 只選取其中的一個空壓站進行分析, 該空壓站內的空壓機配置及部分運行參數詳見表1。
(1) 采用ASME空壓機流量測試方法進行實測計算
選取該空壓站的1#空壓機進行實測, 并計算該空壓機滿載時在不同工作壓力下的實際容積流量, 實測數據詳見表2。
查文獻[1]可得公式:
式中:Q-壓縮機容積流量, 單位為m3/min;
C-噴嘴系數, 按圖1的規定中表3中選取;
d-噴嘴直徑, 單位為m;
T0-吸氣溫度, 單位為K;
H-水柱高, 單位為m;
表1 空壓機配置及部分運行參數
表2 空壓機實測數據
ρ-水的密度, 單位為kg/m3
g-重力加速度, 單位為m/s2;
T1-噴嘴前溫度, 單位為K;
Pb-試驗處大氣壓力, 單位為Pa;
查圖1可得特性線E, 并從表3可知噴嘴系數為0.995, 將實測數據代入計算公式[1]可得:排氣壓力為0.75MPa時, 實際容積流量為39.05m3/min;排氣壓力為0.7MPa時, 實際容積流量為38.98m3/min;排氣壓力為0.65MPa時, 實際容積流量為39m3/min。由上可知, 容積式空壓機在一定轉速下, 產生不同壓力的實測容積流量變化很小, 因此1#空壓機的實測容積流量為39m3/min。
（2）該空壓站設計容積流量的計算
由于該空壓站內的3臺空壓機屬于同一品牌的同一型號產品, 且使用年限相同, 因此另外2臺空壓機滿載時的實際容積流量均可視為39m3/min。查表1可知, 該空壓站的3臺空壓機在運行時, 不是每臺空壓機都一直處于加載狀態, 因此可根據加載率計算每臺空壓機本次運行時的實際平均容積流量。
式中:Q1-實際運行狀態下的平均容積流量, 單位為m3/min;
T加-本次運行總加載時間, 單位為h;
T總-本次運行總運行時間, 單位為h;
將表1的每臺空壓機的本次運行總負載時間和總運行時間代入公式 (2) 可得:1#空壓機在本次運行時的實際平均容積流量為31.2m3/min, 2#空壓機在本次運行時的實際平均容積流量為17.9m3/min, 3#空壓機在本次運行時的實際平均容積流量為39m3/min。
由上可知, 該空壓站3臺空壓機在本次運行時的實際總容積流量為88.1m3/min。
查文獻 (2) 可得公式:
式中:Q2-設計容積流量, 單位為m3/min;
∑Q0-空壓機的實測平均容積流量總和, 單位為m3/min;
K-消耗量不平衡 (*大) 系數, 取1.2～1.4;
ψ1-管道漏損系數。當管道全長小于1km時, 取0.1;
ψ2-未預見的消耗量系數, 取0.1;
根據公式 (3) 可知, 采用集中供氣后, 新的供氣點向該空壓站的用氣點提供的設計容積流量:88.1×1.2× (1+0.1+0.1) =126.8m3/min。
由此, 采用以上方法可以逐個計算出每個空壓站的設計容量并計算出所有空壓站的合計設計容積流量。經過計算, 本次改造所有空壓站的合計設計容積流量為2192m3/min。
3.排氣壓力的確定
(1) 估算空壓機必須的排氣壓力
空壓機的出口壓力應根據用戶對壓縮空氣的壓力要求和管道阻力損失進行計算。新的集中供氣點到*遠用戶的距離約860m, 且要求*大的工作壓力為0.72MPa, 也是整個管網*大的額定工作壓力。
PS-用戶要求的*大供氣壓力, 單位為MPa;
△H1-直線管道阻力損失, 單位為MPa;
△H2-管道局部阻力損失, 單位為MPa;
根據輸送至*遠用戶的管徑φ325×8和所需的流量330m3/min, 查文獻[2]表9-6可知每公里直線管道阻力損失為0.0273MPa。根據經驗推薦, 局部阻力當量長度與直線長度的比值按0.15進行估算, 則根據計算公式[4]可知離心機排氣壓力為:P=0.72+0.86× (1+0.15) ×0.0273=0.75MPa
因此選型時, 離心式空壓機的排氣壓力選擇0.8MPa。
(2) 驗算管道壓力損失
查文獻[3]可得空壓氣在鋼管中流動的壓降計算公式:
式中:△P-壓力降, 單位:MPa;
q-容積流量, 單位為m3/min;
d-管子內徑, 單位為mm;
L-管子長度, 單位為m;
p-排氣壓力 (絕壓) , 單位為MPa;
根據計算公式 (5) 可知新供氣點到*遠用戶的管道壓力損失為:
則*遠的管道壓力為:0.8MPa-0.0175MPa=0.7825MPa>0.72MPa, 故離心式空壓機的排氣壓力選擇滿足使用要求。
4.結論
通過空壓氣集中智能化供氣改造后, 整個空壓氣供氣系統得到極大提升, 主要體現在以下幾個方面:
(1) 有效提升空壓氣的品質, 空壓氣無油, 延長后處理設備的維護時間, 提高用氣設備的使用壽命。
(2) 降低能耗, 產生節電效益。原有機組平均每生產1 m3空壓氣的電費成本需要0.063元, 改造后平均每生產1 m3空壓氣的電費成本需要0.054元, 預計每年至少可節約電費成本1037萬元。
(3) 降低維護成本, 減少廢油污染, 帶來良好的環境效益和社會效益。
(4) 減少崗位操作人員、實現無人值守, 減少空壓站數量及其占地面積。
