发酵用空压机组设计选型的五个问题
1 前言
随着市场经济的发展,国外先进成套的发酵用的电力拖动离心式空压机组,被越来越多的企业所选用。根据近几年的工程实践和竞争性国际招标采购技术文件的编写,积累了一些经验和教训,现整理出来供借鉴和参考。
2 比耗功率
2. 1 比耗功率的定义:压缩机输入的轴功率和每分钟容积流量的比值。由定义可知,比耗功率代表了机组的耗能水平,可在实际应用中因为情况复杂,把握起来有一定的难度。
2. 2 压缩机的轴功率
2. 2. 1 压缩机的轴功率,因压缩机的结构不同,计入的损耗是不同的。有以下几种情况:
2. 2. 2 国产E1 系列机型, 主机由主电机+联轴器+ 齿轮增速器+ 联轴器+ 压缩机构成。
2. 2. 3 进口机组, 主机由主电机+ 联轴器+齿轮增速器+ 压缩机构成。
2. 2. 4 压缩机输入的轴功率,没有计入主电机的效率,没有计入主电机输出轴端的联轴器损耗。是否计入齿轮增速器和齿轮增速器输出轴端的联轴器损耗,由结构因素确定。
2. 2. 5 显然,压缩机的轴功率,不能完全表征整机的耗能水平。
2. 3 容积流量
2. 3. 1 技术规范提供了3 种容积流量的定义。
2. 3. 1. 1 进口容积流量(m3 / min) :压缩机进口法兰处的压力、温度、可压缩性、湿度和气体组份等吸入条件下确定的流量。
2. 3. 1. 2 实际容积流量(m3 / min) :在任意给定截面上的温度、压力等条件确定的状态时的流量。由于该术语是描述许多位置处的流量,因此实际容积流量不能与进口容积流量互换使用。
2. 3. 1. 3 标准容积流量[ m3 / min (N) ] :将任意截面测定的压力换算到0. 1014MPa (A) ,温度换算到15 . 56 ℃及压缩性系数为1 . 0 的干气状态下所对应的容积流量。在计量单位中:A - 代表绝压;N - 代表标准状态。
2. 3. 2 实际标注的容积流量
2. 3. 2. 1 压力、温度、湿度和测试的位置,对容积流量都有影响,不给定条件,得到的报价书中的数据,难以进行比较和评定。
2. 3. 2. 2 温度
(1) 折标温度。当给定条件,要求按标准容积流量报价时,遇到的问题是,国内外执行的标准不一样,工程定义的标准温度值亦不一样。采用的值有:0 ℃;15. 56 ℃;20 ℃;25 ℃多达4 个值之多。宜按物理学定义的标准温度即0 ℃来折标。这个值,需要明确写进招标文件中。
(2) 进口温度,宜按当地最热旬的日最高气温的平均值给定。
2. 3. 2. 3 压力
(1) 折标压力,给定要求后,没有出现异议。
(2) 进口压力,宜按当地夏季大气压力减去2 倍常规进口净化器组的终阻力之和给定。实测压缩机进口导叶前的负压值在10 KPa 左右。
2. 3. 2. 4 相对湿度
可取买方当地最热旬或最湿旬气象资料两者中,绝对湿含量较大者数据。
2. 3. 2. 5 测量位置
(1) 在进气口测流量,由于管径粗和现场条件的限制,计量仪表要求的直管段无法满足要求,对应的计量精度亦无法保证。
(2) 在排气口测流量。当机组成套有后冷却器时,可在后冷却器的出口,满足计量直管段要求的位置测量。
(3) 建议在后冷却器出口直管段处测量,排气的压力、温度和流量,这一点需要明确写进招标文件中。在这个位置测得的流量,计入了排放凝结水的流量损失. 测得的压力已计入了后冷却器的压头损失。
2. 4 工程实例
2. 4. 1 初步报价中的问题
在初步报价中,压缩机的轴功率离散区间在1600 - 2100kW 机组价格也相差很大,汇总的数据无法进行比较和评估。发现的问题,在前面已作了评述。
2. 4. 2 实际的国际采购招标文件中给定的数据和要求。
2. 4. 2. 1 给定的数据
(1) 空气;
(2) 大气压力: 0. 09592MPa (A) ;
(3) 进气压力: ≤0. 09530 MPa (A) (过滤器之后) ;
(4) 进气温度: 36 ℃;
(5) 相对湿度: 80 %;
(6) 标准容积流量: 550N m3 / min (1 个标准大气压,0 ℃,干空气,在后冷却器出口测量) ;
(7) 排气压力: 0. 35 MPa (A) (后冷却器出口) ;
(8) 排气温度: ≤36 ℃ (冷却进水温度28 ℃,污垢系数水侧≥0. 35m2 ·K/ kW ,后冷却器出口) ;
(9) 入口流量: 洢3 / min (数据由投标方提供) ;
(10) 压缩机轴功率: 欢圀(数据由投标方提供) ;
(11) 比耗功率< 3. 6 : 欢圀/ Nm3 / min (数据由投标方提供) 。
2. 4. 2. 2 基本要求
考虑等温压缩的效率和较宽的稳定操作的工况范围,要求二级压缩,带中间冷却器的机组。
2. 4. 3 报价书数据
报价书数据见表1 :
2. 4. 4 小结
2. 4. 4. 1 从投标方数据汇总表,可知国产设备和国外设备在耗能水平上存在较大差距,这是外国公司能够挤占该市场的主要原因。
2. 4. 4. 2 比耗功率,当恰当的给定参数后,可以得到合用的数据。
2. 4. 4. 3 应当指出,在合同技术附件中,尚需明确在制造商试车台和用户现场验证确认的细节规定,这些规定将作为商务合同付款条件的组成部分。
3 自控执行机构的选型
3. 1 国内用户的调研情况
3. 1. 1 2002 年前后,走访调研了五家用户,自控执行机构国内外制造商都是选配的气动执行机构。
3. 1. 2 气动执行机构总的说来,使用情况用户满意。当仪表气源净化和压力露点值符合规范要求时,气动执行机构本身一般很少出问题。
3. 1. 3 仪表气源
3. 1. 3. 1 建设有仪表气源空压站的用户,仪表气源的质量和可靠性,可以保证。
3. 1. 3. 2 单独给主机成套建设的仪表气源,可靠性不够。这主要是主机采用的标准,国内《JB/ T6443》离心压缩机等效采用美国石油学会标准《API617》都规定:“本标准所述压缩机及辅助设备,其设计和构成应确保其使用寿命至少为20 年;不间断地运行时间至少为3 年。这是一条公认的设计准则。”仪表气源的空压机和干燥净化装置,都没有这样苛刻的要求,可靠性不能满足要求,也就顺理成章了。
3. 1 电动执行机构
3. 2. 1 本文所述工程实例,用户没有仪表气源空压站,主机若选配气动执行机构,必须专门配套建设仪表气源系统。
3. 2. 2 基于下述考虑,舍弃选配气动执行机构。
3. 2. 2. 1 专门给主机配套的仪表气源系统,可靠性不高。
3. 2. 2. 2 仪表气源系统的建设空间,受到现场条件的限制,不好合理解决。
3. 2. 2. 3 增加建设投资,建设单位有困难。
3. 2. 2. 4 考虑仪表气源的运行,管理和维修问题,建设单位亦要求在保证可靠性的前提下,可考虑电动执行机构。
3. 2. 3 电动执行机构的使用情况
3. 2. 3. 1 电动执行机构主机成套了3 个,用途为:
DN800 ,电动入口导叶1 个,恒压调节容积流量。
DN300 ,电动蝶阀1 个,喘振保护用。
DN125 ,电动调节阀1 个,喘振调节用。
3. 2. 3. 2 经过一年多的运行实践,电动执行机构至今没有出过问题。
3. 2. 3. 3 主机成套的电动执行机构,其满足要求的可靠性和可以简化系统复杂程度的作用,应可以给与初步的确认。
4 控制双电源的不停机切换
4. 1 实际运行的故障情况
4. 1. 1 高压电控
高压电控甚少出现问题,停机原因大部分是外部电网电压波动,导致主电机失压保护动作而停机。
4. 1. 2 控制电源
低压控制电源,因各种原因导致的故障,要远远大于高压电控。为了减少故障停机的频次,对老机组都进行了控制双电源自动切换的改造。
4. 2 合同技术附件的条款
“控制系统有双电源自动切换装置。买方保证任何时候有至少一路电源。”
买方提出对此条款要加上“具备不停机切换”的字样,卖方认为:停机切换就不需要此装置了,含义很清楚。最终没有修改条款。
4. 3 调试中出现的问题
对运行中的机组进行控制双电源的自动切换确认时,出现了可以自动进行切换,但自动切换的过程中,运行中的机组就会因控制电源的瞬间失电而保护停机。
4. 4 问题的争议和解决
4. 4. 1 开始外籍调试工程师认为,合同技术附件条款中,并没有不停机切换的要求。最终问题还是按买方的要求获得了解决。
4. 4. 2 双方在执行合同条款的过程中,难免出现问题,而一旦出现问题,就要抠合同条款的字眼,此教训的意义在合同条款中:“不停机”三个字不能省略。
4. 4. 3 老机组没有微机自控,使用的不停机控制双电源切换装置,允许瞬间失电,而新机组成套有全自动的微机自动控制系统,不允许控制电源的瞬间失电,为解决切换控制电源过程中的瞬间失电问题,增加了在线式的UPS ,问题获得了简单而有效的圆满解决。
5 喘振保护和喘振调节
5. 1 对特性曲线的基本要求
能量头一流量特性曲线从额定点至预计的喘振点之间应连续上升。当流量大于报价书预定喘振流量10 %以上的任何流量下,在不开启旁通管路时,压缩机应能连续工作。
5. 2 手动机组保护
5. 2. 1 老机组自控程度低,调控靠手动和经验,可以认为只有喘振保护而不具有喘振调节功能。
5. 2. 2 没有喘振调节功能,抗生素生产系统在开或停车的过程中,大量压缩空气被旁通放空,造成浪费和环境噪声污染。不过多年的运行实践表明,手动调控虽然不经济,但却是安全的。
5. 3 喘振保护的自控
5. 3. 1 有各种各样的喘振防护系统,可根据要求作出选择。通常以下功能都应实现:
5. 3. 1. 1 用PLC 控制喘振线,避免喘振。
5. 3. 1. 2 如果喘振发生,关闭压缩机。
5. 3. 1. 3 喘振控制基本参数有:
排放压力梯高太高;排放压力线太高;主电机负载电流太小。
5. 3. 2 工程特例
5. 3. 2. 1 有一个扩建工程选用了1 台进口自动化程度较高的单级压缩机组,调试完成交付生产后,经常停机。
调出单板机故障停机记录,第一个停机原因是排气温度超过220 ℃限值,机组保护动作停机。
5. 3. 2. 2 经反复排查,喘振保护信号取自主电机的负载电流,调试时主电机的电压为5. 8kV ,而这家工厂的6kV 电压高时可达6. 6kV。造成电压不稳的原因有两个:一是公网电压波动的影响,其影响不超过额定值的5 %;二是工厂主变负载大小变化的影响。
当机组稳定运行的时候,由于工厂电网电压的升高,机组的工况虽然没有发生变化,但主电机的负载电流却减少而逼近了设定的最小负载电流值,单板机检测到设定的主电机的最小负载电流值后,作为喘振信号发出指令,机组立即进入卸载工况,即进气阀节流,旁通阀打开放空,在20 分钟的时间里排气温度由165 ℃升至200 ℃报警限,直至220 ℃停车限,而保护停机。
5. 3. 2. 3 还有一个因素,这台机器出口后冷却器之前的最高排气压力为0 . 20MPa ( G) ,当和其它机组并联运行时,进口气动蝶阀的开度只有50 %即45°,全开为90°。机组不能满载运行,主电机的负载电流上不去,更是加剧了喘振保护误动作发生的频次。
5. 4 工程特例讨论
5. 4. 1 洽商解决没有结果,原因很简单,电压不稳是用户自己的事,当然要用户自己解决电压不稳定的问题了。要电压适应机组的要求,用户做不到,而卖方认为自己没有责任,形成了令双方尴尬的局面。
5. 4. 2 国内各地区供电的质量和保证程度不同。有一点是共性的,那就是工厂企业目前只能受制于处于垄断地位的供电系统,基于这一点,可以认为单因素的喘振保护机理,不适合国情,至少是不完善的。
5. 4. 3 解决这个问题的原则是事前防范。即在招标文件中,明确写入供电条件和电压变化幅度和范围,要求机组具有在给定电压范围内稳定运行的特性。当没有实践的数据时, 可按6kW + 10 %或10kV + 10 %给定。
5. 4. 4 说这种情况是特例,是未见还有相关报道。
这种电压偏高的情况在抗生素生产系统刚开车时,比较明显,这是因为公用动力系统虽然已投运,但处在轻微负荷状态,空压系统亦只有1 台机组在微负荷状态运行。这是对工厂自备高压变配电系统而言的,如果高压直接取自公网,那么电压的高低自然由公网的供电质量所决定了。
5. 5 喘振保护和喘振调节
5. 5. 1 问题的由来
在竞标和合同谈判签订中,还有在此前的技术交流会上,买方认为喘振保护中就包含了喘振调节的功能。
在执行合同中的深层次的交流中,当买方明确要求机组具有供出的流量从0 →额定值的110 %(欠压运行) ,都具有优化的节能调节性能时,双方对术语和概念的理解产生了偏差。
5. 5. 2 卖方的看法
5. 5. 2. 1 卖方认为,喘振保护和喘振调节是两个概念,喘振保护虽然也具有一定的喘振调节功能,但主要的功能是保护机组的安全。
5. 5. 2. 2 技术是成熟的可以满足买方的要求,不过要另计费用。卖方的合同价款,满足招标文件和合同技术附件的要求。
5. 5. 3 喘振保护和喘振调节的配置框图
5. 5. 3. 1 喘振保护
5. 5. 3. 2 喘振保护加喘振调节
5. 5. 4 使用效果
实际最小稳定流量为额定容积流量的48 %。调控平稳。
5. 5. 5 建议
应把喘振保护和喘振调节的要求写入招标文件和合同技术附件中。
6 自动控制的DCS 系统
6. 1 调研的情况
6. 1. 1 走访了近几年新上机组用户的情况,机组的开停车,需要在机旁控制柜进行手动操作,值班室内一般设有自动巡检显示数据的微机,不过没有图形显示界面。
6. 1. 2 机旁控制柜一般都是小屏幕的液晶显示屏,需要的数据尚需往出调,感觉不直观不太方便。
6. 2 买方的要求机旁控制柜即主控微机具有的功能,在操作值班室微机上都要能实现,操作值班室微机上要具有人机对话功能的图形显示界面。
6. 3 DCS 系统
要满足买方的要求,就需要采用DCS 系统即集中管理分散控制系统,常规采用的PLC 系统称为集中管理集中控制系统。
6. 4 使用情况
6. 4. 1 在启动机组时,有操作权限的操作人员,键入密码后,用鼠标点击启动钮,DCS 系统就进入启动自检程序,如果各项监测满足启动条件,60 秒时主电机上电,80 秒时主电机星点闭合,液态软启动装置切除,主机平稳进入正常运行状态。操作人员退出启动程序后,没有操作权限的人员不能对微机键入指令,只能调阅不同的图形界面。
6. 4. 2 在停机或运行状态,后冷却器出口压力可以在0. 13 - 0. 25MPa ( G) 之间任意修改,当然压力的升高,只有在系统能力足够有余的前提下才能实现恒压自控供气。
7 结束语
7. 1 还有若干问题如:润滑油的恒温自控,环保除油雾器的应用,主油泵的双向自动切换,环保噪声的控制实践,制造商试车台实测性能曲线在用户现场的重现和确认等问题,将在后续文章中探讨。
7. 2 希望本文能对同行提供一些借鉴和帮助;更希望国内的制造商能够大步赶上来,从感情上讲愿意选用国产的机组,不过市场经济是只讲优胜劣汰而不讲感情的。
