汽动空压机和电动空压机的压缩空气供应方式对比分析 (1).pdf

第8卷 第3期2 0 2 3年6月分布式能源D i s t r i b u t e d E n e r g yV o l.8 N o.3J u n.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 3 0 4汽动空压机和电动空压机的压缩空气供应方式对比分析国旭涛,丁历威,吕洪坤,韩高岩(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,浙江省 杭州市 3 1 0 0 1 4)摘要:近年来,在“碳达峰、碳中和”目标下工业企业节能降耗受到广泛关注,其中,作为工业企业第二大动力源,空压机的节能提效是当下重点工作之一。为此,对电机驱动、背压供热机组蒸汽驱动、抽凝供热机组蒸汽驱动和抽凝非供热机组蒸汽驱动等4种不同驱动形式的空压机进行技术分析和研究,主要从到户压缩空气一次能源消耗情况、碳排放和能源成本3方面进行分析对比。结果表明:电动空压机的碳排放最低,能源成本最高;抽凝供热机组和抽凝非供热机组所耦合的汽动空压机,其到户压缩空气一次能源消耗情况和碳排放都明显较差;背压供热机组所耦合的汽动空压机在到户压缩空气一次能源消耗情况、碳排放方面均好于电动空压机。关键词:压缩空气集中供应;空压机;供热机组;碳排放;能源成本中图分类号:T K 0 1 文献标志码:AC o m p a r a t i v e A n a l y s i s o f C o m p r e s s e d A i r S u p p l y M e t h o d s B e t w e e n S t e a m-D r i v e n a n d E l e c t r i c A i r C o m p r e s s o r sGUO X u t a o,D I NG L i w e i,L YU H o n g k u n,HAN G a o y a n(E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t a t e G r i d Z h e j i a n g E l e c t r i c P o w e r C o.,L t d.,H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4,Z h e j i n a g P r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:I n r e c e n t y e a r s,u n d e r t h e g o a l o f“c a r b o n p e a k a n d c a r b o n n e u t r a l i t y”,e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d c o n s u m p t i o n r e d u c t i o n i n i n d u s t r i a l e n t e r p r i s e s h a v e a t t r a c t e d w i d e a t t e n t i o n.A s t h e s e c o n d l a r g e s t p o w e r s o u r c e,t h e e n e r g y s a v i n g a n d e f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t o f a i r c o m p r e s s o r i s o n e o f t h e k e y w o r k a t p r e s e n t.I n t h i s p a p e r,t e c h n i c a l a n a l y s i s a n d r e s e a r c h a r e c a r r i e d o u t o n f o u r d i f f e r e n t d r i v i n g f o r m s o f a i r c o m p r e s s o r s t h a t a r e e l e c t r i c-d r i v e n,s t e a m-d r i v e n o f b a c k p r e s s u r e h e a t i n g u n i t,s t e a m-d r i v e n o f c o n d e n s i n g h e a t i n g u n i t a n d s t e a m-d r i v e n o f c o n d e n s i n g n o n-h e a t i n g u n i t.C o m b i n e d w i t h t h e t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s,t h e p r i m a r y e n e r g y c o n s u m p t i o n,c a r b o n e m i s s i o n a n d e n e r g y c o s t o f c o m p r e s s e d a i r a r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t e l e c t r i c a i r c o m p r e s s o r h a s t h e l o w e s t c a r b o n e m i s s i o n s a n d t h e h i g h e s t e n e r g y c o s t s,a n d t h e s t e a m-d r i v e n a i r c o m p r e s s o r c o u p l e d w i t h t h e c o n d e n s i n g h e a t i n g u n i t o r c o n d e n s i n g n o n-h e a t i n g u n i t h a s t h e w o r s t e f f e c t t h a n o t h e r s i n t h e p r i m a r y e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d c a r b o n e m i s s i o n s.T h e s t e a m-d r i v e n a i r c o m p r e s s o r c o u p l e d w i t h t h e b a c k p r e s s u r e h e a t i n g u n i t i s b e t t e r t h a n t h e e l e c t r i c a i r c o m p r e s s o r i n t e r m s o f p r i m a r y e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d c a r b o n e m i s s i o n o f c o m p r e s s e d a i r.K E Y WO R D S:c e n t r a l i z e d s u p p l y o f c o m p r e s s e d a i r;a i r c o m p r e s s o r;h e a t i n g u n i t;c a r b o n e m i s s i o n;e n e r g y c o s t基金项目:国网浙江省电力有限公司科技项目(5 2 1 1 D S 2 2 0 0 1 K)T h i s w o r k i s s u p p o r t e d b y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y P r o j e c t o f S t a t e G r i d Z h e j i a n g E l e c t r i c P o w e r C o.,L t d.(5 2 1 1 D S 2 2 0 0 1 K)0 引言 随着我国“双碳”目标的提出,工业企业节能减排愈发受到重视。2 0 2 2年,工业和信息化部等六部门印发 工业能效提升行动计划,明确指出“大力推进空压机能效提升是节能提效的必然要求”。压缩空气被称为工业第四大能源,是工业领域仅次于电力的一种重要动力源。在以压缩空气作为动力能源的工厂中,空压机消耗的电费占总能源成本的2 5%左右1-3。单就空压机的整体运行成本而言,其电费所占比例可达8 0%以上4-5。一般的,工业企业常用的空压机主要为离心式空压机、螺杆式空压机和活塞式空压机。目前,我国工业园区多V o l.8 N o.3国旭涛,等:汽动空压机和电动空压机的压缩空气供应方式对比分析2 5 采用分散的压缩空气供应系统,通常为电机驱动的中小型螺杆式空压机或活塞式空压机,生产成本较高,能源综合利用效率较低6。不同于电机驱动的空压机,以蒸汽为驱动源的汽动空压机具有节电节能、压力稳定性好、运行时间更长等优点7-9。若以汽动空压机集中供应压缩空气替代分散式、中小型高能耗空压机,则有利于提高供气效率、降低区域能耗总量和企业用气成本,促进区域节能和碳减排1 0。当前,浙江省外购电占比高,光伏、风力等新能源发展迅猛,省内火力发电机组平均利用小时数持续下降,采用汽动空压机集中供气方式可进一步利用区域内热电厂产生的富余蒸汽,实现机组“电热 气”联供,提高能源综合利用效率,具有明显的节能环保效益1 1-1 5。众多学者对集中式汽动空压站和分散式电动空压机进行了技术对比和经济分析,认为基于大型火电机组/热电厂的压缩空气集中供应方式符合能量梯级利用的高效节能原则,具有较好的经济效益1 6-1 9。文献2 0 分析了某工业园区集中供应压缩空气项目的经济敏感性,认为该项目具有较明显的节能作用,且主要受气价的影响。文献2 1 比较了分散式电动空压站和基于联合循环热电联产机组的汽动空压站这2种供气方式的技术经济性,认为集中供压缩空气不仅可减少周边企业耗电量,还可增加热电厂供热量、提高一次能源利用率,实现节能降耗。文献2 2 对比了背压式汽轮机拖动、冷凝式汽轮机拖动和电机拖动3种不同方式的经济情况,发现空压机采用汽轮机拖动比使用电机拖动的投资高,且对系统运行稳定性的要求更高,其中背压式汽轮机拖动的空压机经济效益最佳。为深入分析汽动空压机和电动空压机的能效和碳排放情况,本文在比较不同驱动设备空压机的基础上,对汽动空压机和电动空压机2种供能方式的一次能源消耗、碳排放、能源成本等情况进行分析和比较,并结合我国火力发电现状提出可行性建议。1 供能方式介绍空压机组驱动形式主要有电动机驱动和汽轮机驱动2种形式2 3,结合火电厂类型不同,汽轮机驱动大致可分为背压供热机组汽动空压机、抽凝供热机组汽动空压机和抽凝非供热机组汽动空压机。1.1 用户侧电动空压机工业园区或企业一般会建立规模不等的空压机能源站,以便为用气设备提供合格的压缩空气。在实际应用中,结合适用压力和空压机流量,空压机能源站较多采用离心式空压机和螺杆式空压机组合形式,其以电能为驱动。离心式空压机由于能效高、调节灵活性差,一般用于基础用气负荷;螺杆式空压机由于能效相对较低、调节灵活性相对较高,一般用于调峰用气负荷。空压机能源站一般建在园区或企业内部,输送距离较短,一般为几十或几百m,管道损失较低;同时,能源站出口压缩空气压力可很好地与工艺所需压力匹配。经分析,电动空压机能源站的管道输送压力损失一般为0.0 20.0 4MP a,约占供气压力的3%5%。1.2 火电厂汽动空压机火电企业采用蒸汽驱动汽轮机带动空压机运行,该方式与电动空压机主要区别是动力源由电能变为蒸汽、主动机由电机变为汽轮机。由于汽动空压机形式已在各企业中大量应用,机组本体技术方面成熟可靠。一般火电企业建设空压站能源站会配置一定数量的汽动空压机和备用电动空压机,产生的压缩空气通过较长的管网输送至工业园区或各企业用户,最远输送距离可达1 0k m以上,导致压缩空气的压损较大。汽动空压机能源站的管道输送压力损失约为0.0 80.1 0MP a,占供气压力的8%1 0%,比电动空压机能源站高5%7%。集中式汽动空压机能源站设置如图1所示。推动汽动空压机的蒸汽抽取位置主要是主汽轮机进汽位置、缸与缸之间的排汽位置和级与级之间。图2是背压式供热机组设置汽动空压机示意图。2 基本参数2.1 火电机组和全网供电煤耗确定根据2 0 2 0年浙江省发电生产情况(全口径),发电量从高到低依次为煤电、燃机、光伏、风电、核电和水电,占比情况如图3所示。以2 0 2 0年浙江省发电结构为基础,火电机组采用发电煤耗计算法,光伏、风电等新能源发电采用电热当量计算法,计算得到全省平均供电煤耗约为0.2 3 6k g/(kWh)。其中,根 据 浙 江 省 电 力 节 能 环 保 情 况(2 0 1 8年度),浙江省2 0 1 8年统调火电纯凝机组供电煤耗为0.2 9 5k g/(kWh)。2 6 分布式能源第8卷 第3期图1 集中式汽动空压机能源站设置F i g.1 E n e r g y s t a t i o n s e t t i n g o f c e n t r a l i z e d s t e a m-d r i v e n a i r c o m p r e s s o r 图2 背压式供热机组设置汽动空压机示意图F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s e t t i n g a s t e a m-d r i v e n a i r c o m p r e s s o r f o r b a c k p r e s s u r e h e a t i n g u n i t 图3 2 0 2 0年浙江省发电结构F i g.3 P o w e r g e n e r a t i o n s t r u c t u r e o f Z h e j i a n g P r o v i n c e i n 2 0 2 0 经过对浙江省火电机组进行分析研究,背压式热电联供机组的发电标准煤耗约为0.1 50.2 0k g/(kWh);抽凝式热电联供机组的发电标准煤耗约为0.2 40.2 8k g/(kWh);背压式供热机组供电煤耗约为0.1 8k g/(kWh);抽凝式供热机组供电煤耗为0.2 6k g/(kWh)。2.2 某电动空压机与汽动空压机设备参数某汽动空压机与电动空压机设备参数如表1、2所示。两者压缩空气产气量不同,比较到户压缩空气一次能源消耗情况、碳排放等各项指标时将分别折算至单位压缩空气。表1 某汽动空压机设备参数T a b l e 1 P a r a m e t e r s o f a s t e a m-d r i v e n a i r c o m p r e s s o r压缩空气产气量/(m3m i n-1)压缩空气供气压力/MP a压缩空气供气温度/汽轮机输出功率/k W额定转速/(rm i n-1)连接方式7 5 00.8 54 542 3 090 6 5直连 注:表中及下文参数均在1个标准大气压、2 0状态、相对湿度0%条件下,压力均指表压。表2 某电动空压机设备参数T a b l e 2 P a r a m e t e r s o f a e l e c t r i c a i r c o m p r e s s o r压缩空气产气量/(m3m i n-1)压缩空气供气压力/MP a压缩空气供气温度/电动机输出功率/k W中压电压/k V低压电压/V4 0 00.8 54 525 0 063 8 03 供能方式分析对比3.1 一次能源消耗情况分析由于电动空压机与汽动空压机的驱动能源、主动机、输送距离以及压缩空气压力与工艺匹配性的不同,因此,它们的主要差异在于能源转化为动能的流程、空压机设备能效水平和压缩空气输送过程。综合考虑发电机效率、输配电线路损失、空压机比功率、压缩空气管道输送压力损失、终端用气设备的压力匹配度等影响因素,当生产相同体积的压缩空气时(设备额定工况下运行),汽动空压机比电动空压机耗能高约3%。电动空压机与汽动空压机的流程对比如图4所示,其中:A与a表示能源转化为动能的流程;B与b表示空压机设备能效水平;C与c表示压缩空气输送过程。水电、风电和核电等新能源发电有发电煤耗计算法和电热当量计算法,因此分别采用不同的计算V o l.8 N o.3国旭涛,等:汽动空压机和电动空压机的压缩空气供应方式对比分析2 7 图4 电动空压机与汽动空压机流程对比示意图F i g.4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f p r o c e s s c o m p a r i s o n b e t w e e n e l e c t r i c a i r c o m p r e s s o r a n d s t e a m-d r i v e n a i r c o m p r e s s o r 法对电动空压机单位压缩空气标煤煤耗进行计算。如表3所示,通过分析空压机生产单位压缩空气消耗的一次能源消耗情况可知:电动空压机在到户压缩空气一次能源消耗情况方面高于背压供热机组汽动空压机,但电动空压机的设备投资和日常运维成本远低于汽动空压机,并且背压式机组具有“以热定电”的特点;当外部热负荷需求急剧下降时,蒸汽和发电量都将急剧减少,汽动空压机和备用电动空压机(接入厂用电)动力能源将无法保证,则其就不具备集中供应压缩空气高可靠性。抽凝机组虽然具有压缩空气供应高可靠性,但是一次能源消耗略低于电动空压机,这主要是由抽凝机组冷段损失大从而导致供电煤耗所造成的。3.2 碳排放分析根据 电力行业年度发展报告(2 0 2 0年),2 0 1 9年我国单位综合发电碳排放量(本文以C O2排放量计)为5 7 7g/(kWh),厂用电率为5%,度电碳排放约为6 0 7.4g/(kWh),可知电动空压机的单位压缩空气碳排放为6 6.6g/m3。根据 省级温室气体清单编制指南,温室气体排放量计算如下:VC O2=ijk(E(i,j,k)Aa c t i v i t y(i,j,k)(1)式中:VC O2为温室气体(C O2)排放量,k g;i表示燃料类型;j表示部门活动;k表示技术类型;E(i,j,k)为分部门分能源品种的排放因子,k g/T J;Aa c t i v i t y(i,j,k)为燃料消费量,以热量表示,通过实物量数据乘以折算系数获得,T J。为方便计算,取燃料类型为烟煤,部门为公共电力与 热 力,技 术 类 型 为 燃 煤 锅 炉,碳 氧 化 率 为9 8%,则根据 省级温室气体清单编制指南,排放因子E(i,j,k)取值为2 6.1 81 03k g/T J。背压式供热机组、抽凝式供热机组和抽凝式非供热机组汽动空压机单位压缩空气碳排放分别为5 7.2、8 2.6和9 3.7g/m3。抽凝非供热机组汽动空压机最高,电动空压机比背压供热机组汽动空压机高约1 6%。目前我国电力结构仍以火电为主,未来随着清洁能源占一次能源消费比重的不断提高,电动空压机的单位压缩空气碳排放有望进一步降低。电动空 压 机 和 汽 动 空 压 机 的 碳 排 放 情 况 如 表4所示。3.3 能源成本分析为对比汽动空压机和电动空压机的经济性,仅以煤炭等化石能源考虑火电厂汽动空压机生产压缩空气的能源成本,以电价考虑电动空压机生产压缩空气的能源成本。为方便比较,以用户侧使用单位压缩空气为基准进行能源成本计算。根据2 0 2 0年浙江省发电量占比情况,以电煤价格7 0 0元/t、热值5 1 5 0k c a l/k g计,背压供热机组、抽凝供热机组、抽凝非供热机组的汽动空压机单位压缩空气能源成本分别为0.0 2 0、0.0 2 9和0.0 3 3元/m3。以一般工商业(11 0k V)用电价格0.7 4 42元/(kWh)计,电动空压机的单位压缩空气能源成本为0.0 7 8元/m3。与电动空压机相比,背压供热机组、抽凝供热机组和抽凝非供热机组汽动空压机的单位压缩空气能源成本大幅降低。同时,考虑到汽 表3 到户压缩空气一次能源消耗情况T a b l e 3 P r i m a r y e n e r g y c o n s u m p t i o n o f h o u s e h o l d c o m p r e s s e d a i r项目火电及新能源发电分别采用发电煤耗计算法和电热当量计算法火电及新能源发电均采用发电煤耗计算法供电煤耗/k g(k Wh)-1单位到户压缩空气标准煤耗/(k gm-3)供电煤耗/k g(kWh)-1单位到户压缩空气标准煤耗/(k gm-3)电动空压机0.2 3 60.0 2 60.2 9 60.0 3 3汽动空压机(背压供热机组)0.1 8 00.0 2 10.1 8 00.0 2 1汽动空压机(抽凝供热机组)0.2 6 00.0 3 00.2 6 00.0 3 0汽动空压机(抽凝非供热机组)0.2 9 50.0 3 40.2 9 50.0 3 4 注:数据来自 电力行业年度发展报告(2 0 2 0年);供电线路损失取5%。2 8 分布式能源第8卷 第3期表4 不同空压机碳排放比较T a b l e 4 C o m p a r i s o n o f c a r b o n e m i s s i o n s f r o m d i f f e r e n t a i r c o m p r e s s o r s空压机压缩空气碳排放/(gm-3)电动空压机6 6.6汽动空压机(背压供热机组)5 7.2汽动空压机(抽凝供热机组)8 2.6汽动空压机(抽凝非供热机组)9 3.7 注:数据来自 电力行业年度发展报告(2 0 2 0年)及 省级温室气体清单编制指南;根据式(1)计算,其中燃料类型为烟煤,活动部门为公共电力与热力,技术类型为燃煤锅炉。动空压机能源站的设备、土建和控制系统投资成本高,项目总投资大,管网铺设要求高且距离长,这将导致汽动空压机能源站单位压缩空气的成本大幅度增加。4 结论近年来,逐渐出现大型发电厂利用厂内供热蒸汽建设集中式汽动空压站,对周边区域供压缩空气,来替代区域内高能耗小型空压机组。从一次能源消耗情况、碳排放和能源成本等多个角度对用户侧电动空压机和火电厂汽动空压机2种不同的供能方式进行研究分析,得出以下结论:(1)从电热当量计算法角度出发,抽凝供热机组和抽凝非供热机组所耦合的汽动空压机,其到户压缩空气一次能源消耗情况和碳排放都明显差于电动空压机。结合“双碳”目标战略,开展压缩空气集中供应项目时应慎重考虑抽凝机组所耦合的汽动空压机项目。(2)背压供热机组所耦合的汽动空压机的到户压缩空气一次能源消耗及碳排放分别为0.0 2 1 k g/m3和5 7.2g/m3,均好于电动空压机;但其具有“以热定电”的特点,当外部热负荷需求急剧下降时,蒸汽和发电量都将急剧减少,汽动空压机动力能源将无法保证,需切换为备用电动空压机,相对而言,其控制较复杂、压缩空气供应高可靠性不足。(3)在能源成本方面,背压或抽凝供热机组所耦合汽动空压机的到户单位压缩空气实际能源成本分别为0.0 2 0和0.0 2 9元/m3,比电动空压机的到户单位压缩空气能源成本分别低7 4%和6 3%;同时,考虑到汽动空压机能源站的设备、土建和控制系统投资成本高,项目总投资大,管网铺设要求高且距离长,这将导致汽动空压机能源站单位压缩空气的成本大幅增加。参考文献1 钟史明.能源与环境:节能减排理论与研究M.南京:东南大学出版社,2 0 1 7:8-1 2.2 石映飞.浅析压缩空气系统节能J.冶金设备,2 0 2 2(S 1):1 1 8-1 2 1.S H I Y i n g f e i.A b r i e f a n a l y s i s o f t h e e n e r g y s a v i n g m e a s u r e s o f t h e a i r c o m p r e s s e d s t a t i o nJ.M e t a l l u r g i c a l E q u i p m e n t,2 0 2 2(S 1):1 1 8-1 2 1.3 文贤馗,张世海,盛勇,等.压缩空气储能膨胀机进气阀严密性试验J.分布式能源,2 0 1 7,2(6):2 6-3 0.WE N X i a n k u i,Z HAN G S h i h a i,S HE N G Y o n g,e t a l.I n l e t v a l v e l e a k t e s t f o r t u r b i n e e x p a n d e r o f C A E SJ.D i s t r i b u t e d E n e r g y,2 0 1 7,2(6):2 6-3 0.4 秦宏波,胡寿根.工业压缩空气系统优化潜力研究J.流体机械,2 0 1 0,3 8(2):4 9-5 2,8.Q I N H o n g b o,HU S h o u g e n.S t u d y o n o p t i m i z a t i o 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