压缩空气集中智能化供气改造，为更好、更科学地完成空压气改造方案, 本文通过对三钢原有空压站的实际排气量进行合理分析, 求得集中供气空压站的设计容积流量, 并计算空压机必须的排气压力, 以便于集中智能化供气改造的设备选型和方案设计优化。目前, 三钢各单位在用的空压站共有14座, 站内共安装空压机组63台。除2台离心式空压机外, 其余61台空压机均为喷油螺杆式空压机, 且多为上等压缩。由于使用年限较长, 大多数螺杆式空压机存在制气效率低、能耗高、油耗高、废油处理难等问题。因此, 需要对空压气进行集中智能化供气改造。
1.改造方案
(1) 采用分区域集中联网供气。在用气相对集中的几个区域, 通过改造或新建2～3个集中供气点, 并用离心式空压机替代螺杆式空压机进行制气供用户使用。每个集中供气点用管路相互联网, 实现相互补气。
(2) 采用智能化控制供气。建设一套无人值守的空压机供气管网智能监控系统, 实现根据生产实际用气情况自动控制机组的运行数量和状态;实现每个供气点内用气量能够自动调节, 各供气点之间用气量能够自动调配;实现自动监测到供气管网中的泄漏情况, 并且能准确的把泄漏位置锁定在很小的范围内, 提示用户进行维修。
2.供气的设计容积流量计算
由于空压站数量较多, 且每个空压站内空压机的数量、型号以及使用年限的不同, 本文因篇幅限制无法对每个空压站以及站内每台空压机的容积流量进行具体分析。因此, 只选取其中的一个空压站进行分析, 该空压站内的空压机配置及部分运行参数详见表1。
(1) 采用ASME空压机流量测试方法进行实测计算
选取该空压站的1#空压机进行实测, 并计算该空压机满载时在不同工作压力下的实际容积流量, 实测数据详见表2。
查文献[1]可得公式:
式中:Q-压缩机容积流量, 单位为m3/min;
C-喷嘴系数, 按图1的规定中表3中选取;
d-喷嘴直径, 单位为m;
T0-吸气温度, 单位为K;
H-水柱高, 单位为m;
表1 空压机配置及部分运行参数
表2 空压机实测数据
ρ-水的密度, 单位为kg/m3
g-重力加速度, 单位为m/s2;
T1-喷嘴前温度, 单位为K;
Pb-试验处大气压力, 单位为Pa;
查图1可得特性线E, 并从表3可知喷嘴系数为0.995, 将实测数据代入计算公式[1]可得:排气压力为0.75MPa时, 实际容积流量为39.05m3/min;排气压力为0.7MPa时, 实际容积流量为38.98m3/min;排气压力为0.65MPa时, 实际容积流量为39m3/min。由上可知, 容积式空压机在一定转速下, 产生不同压力的实测容积流量变化很小, 因此1#空压机的实测容积流量为39m3/min。
（2）该空压站设计容积流量的计算
由于该空压站内的3台空压机属于同一品牌的同一型号产品, 且使用年限相同, 因此另外2台空压机满载时的实际容积流量均可视为39m3/min。查表1可知, 该空压站的3台空压机在运行时, 不是每台空压机都一直处于加载状态, 因此可根据加载率计算每台空压机本次运行时的实际平均容积流量。
式中:Q1-实际运行状态下的平均容积流量, 单位为m3/min;
T加-本次运行总加载时间, 单位为h;
T总-本次运行总运行时间, 单位为h;
将表1的每台空压机的本次运行总负载时间和总运行时间代入公式 (2) 可得:1#空压机在本次运行时的实际平均容积流量为31.2m3/min, 2#空压机在本次运行时的实际平均容积流量为17.9m3/min, 3#空压机在本次运行时的实际平均容积流量为39m3/min。
由上可知, 该空压站3台空压机在本次运行时的实际总容积流量为88.1m3/min。
查文献 (2) 可得公式:
式中:Q2-设计容积流量, 单位为m3/min;
∑Q0-空压机的实测平均容积流量总和, 单位为m3/min;
K-消耗量不平衡 (*大) 系数, 取1.2～1.4;
ψ1-管道漏损系数。当管道全长小于1km时, 取0.1;
ψ2-未预见的消耗量系数, 取0.1;
根据公式 (3) 可知, 采用集中供气后, 新的供气点向该空压站的用气点提供的设计容积流量:88.1×1.2× (1+0.1+0.1) =126.8m3/min。
由此, 采用以上方法可以逐个计算出每个空压站的设计容量并计算出所有空压站的合计设计容积流量。经过计算, 本次改造所有空压站的合计设计容积流量为2192m3/min。
3.排气压力的确定
(1) 估算空压机必须的排气压力
空压机的出口压力应根据用户对压缩空气的压力要求和管道阻力损失进行计算。新的集中供气点到*远用户的距离约860m, 且要求*大的工作压力为0.72MPa, 也是整个管网*大的额定工作压力。
PS-用户要求的*大供气压力, 单位为MPa;
△H1-直线管道阻力损失, 单位为MPa;
△H2-管道局部阻力损失, 单位为MPa;
根据输送至*远用户的管径φ325×8和所需的流量330m3/min, 查文献[2]表9-6可知每公里直线管道阻力损失为0.0273MPa。根据经验推荐, 局部阻力当量长度与直线长度的比值按0.15进行估算, 则根据计算公式[4]可知离心机排气压力为:P=0.72+0.86× (1+0.15) ×0.0273=0.75MPa
因此选型时, 离心式空压机的排气压力选择0.8MPa。
(2) 验算管道压力损失
查文献[3]可得空压气在钢管中流动的压降计算公式:
式中:△P-压力降, 单位:MPa;
q-容积流量, 单位为m3/min;
d-管子内径, 单位为mm;
L-管子长度, 单位为m;
p-排气压力 (绝压) , 单位为MPa;
根据计算公式 (5) 可知新供气点到*远用户的管道压力损失为:
则*远的管道压力为:0.8MPa-0.0175MPa=0.7825MPa>0.72MPa, 故离心式空压机的排气压力选择满足使用要求。
4.结论
通过空压气集中智能化供气改造后, 整个空压气供气系统得到极大提升, 主要体现在以下几个方面:
(1) 有效提升空压气的品质, 空压气无油, 延长后处理设备的维护时间, 提高用气设备的使用寿命。
(2) 降低能耗, 产生节电效益。原有机组平均每生产1 m3空压气的电费成本需要0.063元, 改造后平均每生产1 m3空压气的电费成本需要0.054元, 预计每年至少可节约电费成本1037万元。
(3) 降低维护成本, 减少废油污染, 带来良好的环境效益和社会效益。
(4) 减少岗位操作人员、实现无人值守, 减少空压站数量及其占地面积。
