新版GB50029《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》在站房布置、設(shè)備選型、系統(tǒng)流程等方面提出了許多新的規(guī)定，強(qiáng)調(diào)壓縮空氣站及其系統(tǒng)的節(jié)能、安全和環(huán)保。本文就有關(guān)條文進(jìn)行了分析和闡述。

1、引言

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50029，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)是由國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局及住建部頒布的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于規(guī)范各類工礦企業(yè)壓縮空氣站的工程設(shè)計(jì)，以保證安全生產(chǎn)、維護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件，做到技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理。該《規(guī)范》最近的一版是2003年頒布的，目前最新的修訂版(以下簡(jiǎn)稱新《規(guī)范》)已通過部審并報(bào)批，新《規(guī)范》已于2013年頒布。本次修訂的許多條文主要針對(duì)壓縮空氣站系統(tǒng)的節(jié)能、安全運(yùn)行，本文擬就這些內(nèi)容進(jìn)行一些分析。

2、設(shè)備的選型

　　為指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員正確選擇壓縮機(jī)和干燥凈化裝置，使站房運(yùn)行更加靈活和節(jié)能，新《規(guī)范》在工藝系統(tǒng)章節(jié)中增加了一些推薦性條文，這些條文的應(yīng)用，對(duì)于淘汰落后產(chǎn)品，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

　　(1)目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)量最大、應(yīng)用面最廣的機(jī)型應(yīng)屬單級(jí)噴油螺桿壓縮機(jī)機(jī)組，但是，它的比功率通常要比活塞壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)高10%～15%，當(dāng)機(jī)組功率較大時(shí)，能源的浪費(fèi)則相當(dāng)可觀。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“當(dāng)單臺(tái)壓縮機(jī)額定電機(jī)功率大于300kW時(shí)，不宜選用單級(jí)噴油螺桿壓縮機(jī)。”

　　(2)通常壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和壓縮機(jī)選型配置原則都是按最大負(fù)荷條件(即100%負(fù)荷)，并且給予一定余量進(jìn)行的。但在實(shí)際使用生產(chǎn)中，幾乎所有的系統(tǒng)都是在偏離設(shè)計(jì)工況負(fù)荷下運(yùn)行。根據(jù)美國(guó)能源部2003年的調(diào)查數(shù)據(jù)，我國(guó)工業(yè)行業(yè)的空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷率僅為66%，比全球平均水平低10%以上。現(xiàn)有絕大多數(shù)壓縮機(jī)負(fù)荷率調(diào)節(jié)裝置是進(jìn)氣節(jié)流方式，這種調(diào)節(jié)方式是以多耗能為代價(jià)。以普通螺桿壓縮機(jī)為例，在低負(fù)荷狀況下，效率會(huì)大幅降低，若在70%負(fù)荷下運(yùn)行，耗能是正常的1.3倍，50%負(fù)荷下運(yùn)行，耗能是正常的1.7倍，負(fù)荷進(jìn)一步降低，效率將急劇下降。以我國(guó)現(xiàn)有壓縮機(jī)負(fù)載率66%計(jì)算，耗能約是正常情況的1.4倍。

　　實(shí)際運(yùn)行中，用戶用氣量經(jīng)常是變化的，從而引起管網(wǎng)和壓縮機(jī)出口壓力的波動(dòng)。為了保證使用壓力，通常控制這個(gè)壓力向上波動(dòng)，使得壓力平均值高于需求，也帶來了額外的功耗。解決問題的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)高效變負(fù)荷運(yùn)行。現(xiàn)在，常見比較節(jié)能的變負(fù)荷調(diào)節(jié)方式有調(diào)速、變?nèi)荨⑦M(jìn)氣導(dǎo)葉調(diào)節(jié)等。變頻螺桿壓縮機(jī)調(diào)速，基本上能夠保證壓縮機(jī)的比功率變化不大，維持高效運(yùn)行。另外其調(diào)速響應(yīng)比較快，通過智能控制，能夠使得壓縮機(jī)的額定容積流量與用氣量很快地保持一致，使得管網(wǎng)壓力波動(dòng)幅度很小，通常能夠達(dá)到0.01～0.03MPa，這樣能夠降低管網(wǎng)平均壓力，提高系統(tǒng)高效運(yùn)行，一般能夠節(jié)約系統(tǒng)耗能5%以上。

　　因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“工作壓力小于等于1.6MPa的空氣壓縮機(jī)組，在正常負(fù)荷下供氣壓力波動(dòng)幅度不宜超過0.05MPa;當(dāng)負(fù)荷變化較頻繁時(shí)，宜選用1～2臺(tái)具有變?nèi)莼蜃冾l等節(jié)能型氣量調(diào)節(jié)功能的壓縮機(jī)。”

　　(3)離心空氣壓縮機(jī)組在低于額定工況運(yùn)行時(shí)，效率會(huì)大幅下降，且容易進(jìn)入喘振狀態(tài)，所以，新《規(guī)范》規(guī)定:“離心空氣壓縮機(jī)各單機(jī)運(yùn)行時(shí)其容積流量不宜低于額定容積流量的70%。”

　　(4)目前國(guó)內(nèi)壓縮空氣系統(tǒng)常常低負(fù)載運(yùn)行，造成壓縮空氣后處理設(shè)備低效率運(yùn)行。在設(shè)計(jì)選型時(shí)干燥裝置通常是按照系統(tǒng)最大負(fù)荷來配置的，而且普遍沒有變負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，當(dāng)系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，干燥裝置依然按照滿負(fù)荷方式運(yùn)轉(zhuǎn)，耗電、耗氣不變，造成系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降。如果系統(tǒng)配置的是大型干燥器，集中干燥，系統(tǒng)的運(yùn)行效率將更低。因此要求壓縮空氣干燥裝置的總處理容量，應(yīng)能根據(jù)站房實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常做法是干燥裝置與壓縮機(jī)采用一一對(duì)應(yīng)的配置，當(dāng)部分壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，相應(yīng)臺(tái)數(shù)的干燥裝置也停止運(yùn)行;另外，目前冷凍式干燥裝置、吸附式干燥裝置均已有變負(fù)荷技術(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，推薦采用帶負(fù)荷調(diào)節(jié)功能的干燥裝置。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“壓縮空氣干燥裝置的總處理容量，應(yīng)能根據(jù)站房實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。”(5)目前常見的壓縮空氣干燥裝置中，干燥裝置相當(dāng)于壓縮機(jī)耗能的比例，冷凍式約為3%～5%，加熱再生吸附式約為8%～10%，無熱再生吸附式、微熱再生吸附式約為18%，壓縮熱再生吸附式為1%～2%以下。在一般情況下，為節(jié)約能耗，選型干燥裝置時(shí)，應(yīng)盡可能選用能耗少的干燥裝置。新《規(guī)范》規(guī)定:“工作壓力小于10MPa、單臺(tái)處理氣量大于20m3/min或工作壓力大于等于10MPa、單臺(tái)處理氣量大于3m3/min的吸附式干燥裝置，宜采用加熱再生吸附式干燥裝置或壓縮熱再生吸附式干燥裝置”，“壓縮空氣濕度等級(jí)要求不低于5級(jí)時(shí)，應(yīng)選用冷凍式干燥裝置或壓縮熱再生吸附式干燥裝置。”

3、系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)

　　壓縮空氣站工藝流程的合理設(shè)計(jì)是保障整個(gè)系統(tǒng)安全節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)，新規(guī)范對(duì)原規(guī)范有關(guān)條文進(jìn)行了完善和補(bǔ)充，使工程設(shè)計(jì)人員在工藝設(shè)計(jì)時(shí)有據(jù)可依。

　　(1)在壓縮空氣站設(shè)備工藝流程上最常見的錯(cuò)誤是將儲(chǔ)氣罐設(shè)在干燥設(shè)備后面。主要是因?yàn)檫@樣布置操作較方便，由于干燥器與壓縮機(jī)一起設(shè)在同一機(jī)器間內(nèi)，而儲(chǔ)氣罐常常布置在室外，這樣布置可以避免管道折返。實(shí)際上，正確的設(shè)計(jì)應(yīng)該是將儲(chǔ)氣罐設(shè)置在干燥裝置之前，這是因?yàn)橐环矫鎯?chǔ)氣罐具有一定的除油水功能，布置在干燥凈化設(shè)備之前可以減輕其負(fù)擔(dān)，另一方面，活塞空氣壓縮機(jī)或隔膜空氣壓縮機(jī)均屬于往復(fù)式壓縮機(jī)，排氣氣流脈動(dòng)很大，直接進(jìn)入吸附式干燥裝置會(huì)令干燥劑破碎，減少使用壽命。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“儲(chǔ)氣罐宜布置在空氣壓縮機(jī)與干燥凈化裝置之間”;“裝有活塞空氣壓縮機(jī)或隔膜空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣站，其吸附式壓縮空氣干燥裝置應(yīng)設(shè)在儲(chǔ)氣罐后”。

　　但有的壓縮空氣系統(tǒng)需要儲(chǔ)氣罐瞬間釋放大量壓縮空氣，例如空氣錘、氣動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)等[9，16]，這種情況下儲(chǔ)氣罐設(shè)置在干燥凈化裝置前則會(huì)大大增加干燥凈化裝置容量，為解決這類問題，新《規(guī)范》規(guī)定:“當(dāng)負(fù)荷要求儲(chǔ)氣罐瞬間釋放超過干燥凈化裝置處理量的壓縮空氣時(shí)，應(yīng)在干燥凈化裝置后另行設(shè)置儲(chǔ)氣罐。”

　　(2)不同壓力的空氣壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，需在高、低壓縮機(jī)之間設(shè)置緩沖罐，以平衡二者之間的進(jìn)、排氣流量。為此，新《規(guī)范》規(guī)定:“不同壓力的空氣壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在2臺(tái)空氣壓縮機(jī)之間設(shè)緩沖罐，并應(yīng)在后置空氣壓縮機(jī)后設(shè)儲(chǔ)氣罐;緩沖罐的容積，應(yīng)根據(jù)高、低壓壓縮機(jī)之間進(jìn)、排氣流量的平衡需要進(jìn)行匹配。”

　　另外，在這種情況下，干燥裝置如果設(shè)在后置空氣壓縮機(jī)后，將使干燥裝置壓力等級(jí)大大提高，增加設(shè)備成本，因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“采用不同壓力的空氣壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，壓縮空氣干燥裝置應(yīng)設(shè)在緩沖罐與后置空氣壓縮機(jī)之間。”

　　(3)空氣壓縮機(jī)在壓縮空氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱能可利用來采暖、洗浴、加熱鍋爐給水或用于干燥劑的再生等，技術(shù)上已很成熟，因此新《規(guī)范》規(guī)定:“壓縮空氣站，宜對(duì)壓縮熱能回收利用。”

　　(4)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成壓降過大，浪費(fèi)能源，一些資料提出空氣壓縮機(jī)管網(wǎng)壓降應(yīng)控制在10%以內(nèi)。新《規(guī)范》規(guī)定:“工作壓力小于1.6MPa的壓縮空氣管道系統(tǒng)，從空氣壓縮機(jī)出口到最不利點(diǎn)的壓力損失不宜超過空氣壓縮機(jī)排氣壓力的10%。”

4、安全運(yùn)行的考慮

　　由于壓力范圍擴(kuò)大，壓力高于10MPa的高壓壓縮機(jī)和串聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)均列入了此次修訂增加的內(nèi)容，鑒于其危險(xiǎn)性和特殊性，規(guī)范在這方面補(bǔ)充了一些條文。另外，為保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，增加了對(duì)其進(jìn)氣過濾裝置的精度要求及一些控制保護(hù)項(xiàng)目的要求:

　　(1)配氣臺(tái)間、儲(chǔ)氣罐間、充瓶間，為高壓壓縮空氣站常見的生產(chǎn)運(yùn)行房間，偶發(fā)事故的部位也多在這些地點(diǎn)。配氣臺(tái)間的操作相應(yīng)較多，雖無噪聲但需人員值守，時(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，需要相對(duì)安靜的操作環(huán)境;儲(chǔ)氣罐有一定的爆炸危險(xiǎn)性，在正常運(yùn)行時(shí)，閥門等不必經(jīng)常操作，設(shè)備相對(duì)為靜態(tài)，無機(jī)械噪聲;充瓶間內(nèi)時(shí)常有裝卸氣瓶的操作，也有一定的危險(xiǎn)性。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“工作壓力大于等于10MPa壓縮空氣站的配氣臺(tái)、儲(chǔ)氣罐、充瓶裝置，應(yīng)分別布置在單獨(dú)的房間內(nèi)，且房間內(nèi)不應(yīng)布置其它無關(guān)的設(shè)備。”

　　(2)工作壓力大于等于10MPa的壓縮空氣站，其設(shè)備與管道系統(tǒng)一旦發(fā)生事故，將對(duì)人身及財(cái)產(chǎn)造成很大危害。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“當(dāng)工作壓力大于等于10MPa的壓縮空氣站與其他建筑物毗連時(shí)，應(yīng)用厚度不小于200mm且無門、窗、洞的鋼筋混凝土防護(hù)墻隔開，并應(yīng)設(shè)置直接對(duì)外的出入口。”其“配氣臺(tái)間與機(jī)器間或儲(chǔ)氣罐間應(yīng)采用不小于200mm厚的鋼筋混凝土防護(hù)墻隔開”。

　　(3)考慮空氣中的灰塵對(duì)空氣壓縮機(jī)的使用壽命和檢修周期影響及高壓壓力狀態(tài)下壓縮空氣內(nèi)的塵粒對(duì)管道的強(qiáng)力沖刷、磨損，對(duì)其吸氣過濾器提出具體參數(shù)要求以保證設(shè)備和系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。原GB—T13276—1991《容積式壓縮機(jī)空氣濾清器》規(guī)定，40μm濾清效果大于95%，阻力損失小于800～1000Pa，API61《石油，化工和氣體工業(yè)用旋轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)》提出入口濾清器應(yīng)能在整個(gè)吸氣范圍內(nèi)濾除97%的1μm或1μm以上微粒，最大壓降不得超過1200Pa[25];而幾大壓縮機(jī)制造商提出過濾精度要求為10～15μm。綜合相關(guān)資料和行業(yè)調(diào)查情況，新《規(guī)范》提出:“活塞空氣壓縮機(jī)、隔膜空氣壓縮機(jī)和螺桿空氣壓縮機(jī)的吸氣過濾器應(yīng)能除掉最少99.5%的規(guī)格為15μm或15μm以上顆粒，其潔凈時(shí)的壓力降不應(yīng)大于800Pa。”

　　根據(jù)API672《石油，化工和氣體工業(yè)用組裝型整體齒輪增速離心式空氣壓縮機(jī)》，要求“通過清潔過濾器元件的壓力降，應(yīng)不超過5.0mbar(2英寸水柱)。進(jìn)口流量范圍上，除掉最少99.5%的規(guī)格為2μm或2μm以上顆粒”。經(jīng)調(diào)查，目前離心壓縮機(jī)過濾器精度一般高于此標(biāo)準(zhǔn)，故新《規(guī)范》規(guī)定:“離心空氣壓縮機(jī)吸氣過濾器應(yīng)能除掉最少99.5%的規(guī)格為2μm或2μm以上顆粒，其潔凈時(shí)的壓力降不應(yīng)大于500Pa。”4)當(dāng)環(huán)境溫度大于40℃時(shí)，空氣壓縮機(jī)和電機(jī)壽命會(huì)大大減少，控制程度較高的機(jī)組還會(huì)因吸氣溫度過高自動(dòng)停機(jī);值班室、控制室是工作人員長(zhǎng)期呆的地方，配氣臺(tái)間經(jīng)常有人進(jìn)入操作，根據(jù)現(xiàn)行的《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，溫度不應(yīng)大于28℃[28]。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“壓縮空氣站工作時(shí)機(jī)器間內(nèi)最高環(huán)境溫度不應(yīng)大于40℃。隔聲值班室或控制室、配氣臺(tái)間的溫度不應(yīng)大于28℃。通常應(yīng)設(shè)通風(fēng)或降溫裝置。”(5)為確保站房?jī)?nèi)設(shè)備安全運(yùn)行，新《規(guī)范》增加了隔膜壓縮機(jī)熱工測(cè)量、熱工報(bào)警信號(hào)和自動(dòng)保護(hù)控制的裝設(shè)要求，對(duì)原規(guī)范的相關(guān)條文也做了個(gè)別調(diào)整，在此不再贅述。

5、結(jié)語(yǔ)

　　新《規(guī)范》對(duì)原《規(guī)范》做了全面修訂，增加了許多有關(guān)壓縮空氣站節(jié)能、安全生產(chǎn)方面的條文，對(duì)于提高我國(guó)壓縮空氣站設(shè)計(jì)技術(shù)水平有較大的指導(dǎo)意義。