新版GB50029《壓縮空氣站設計規(guī)范》在站房布置、設備選型、系統(tǒng)流程等方面提出了許多新的規(guī)定，強調(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)條文進行了分析和闡述。

1、引言

　　國家標準《壓縮空氣站設計規(guī)范》(GB50029，以下簡稱《規(guī)范》)是由國家質(zhì)監(jiān)總局及住建部頒布的工程設計標準，主要用于規(guī)范各類工礦企業(yè)壓縮空氣站的工程設計，以保證安全生產(chǎn)、維護環(huán)境、節(jié)約能源、改善勞動條件，做到技術(shù)先進和經(jīng)濟合理。該《規(guī)范》最近的一版是2003年頒布的，目前最新的修訂版(以下簡稱新《規(guī)范》)已通過部審并報批，新《規(guī)范》已于2013年頒布。本次修訂的許多條文主要針對壓縮空氣站系統(tǒng)的節(jié)能、安全運行，本文擬就這些內(nèi)容進行一些分析。

2、設備的選型

　　為指導設計人員正確選擇壓縮機和干燥凈化裝置，使站房運行更加靈活和節(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，這些條文的應用，對于淘汰落后產(chǎn)品，促進節(jié)能技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

　　(1)目前國內(nèi)產(chǎn)量最大、應用面最廣的機型應屬單級噴油螺桿壓縮機機組，但是，它的比功率通常要比活塞壓縮機和離心壓縮機高10%～15%，當機組功率較大時，能源的浪費則相當可觀。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“當單臺壓縮機額定電機功率大于300kW時，不宜選用單級噴油螺桿壓縮機。”

　　(2)通常壓縮空氣系統(tǒng)設計和壓縮機選型配置原則都是按最大負荷條件(即100%負荷)，并且給予一定余量進行的。但在實際使用生產(chǎn)中，幾乎所有的系統(tǒng)都是在偏離設計工況負荷下運行。根據(jù)美國能源部2003年的調(diào)查數(shù)據(jù)，我國工業(yè)行業(yè)的空氣壓縮機的負荷率僅為66%，比全球平均水平低10%以上。現(xiàn)有絕大多數(shù)壓縮機負荷率調(diào)節(jié)裝置是進氣節(jié)流方式，這種調(diào)節(jié)方式是以多耗能為代價。以普通螺桿壓縮機為例，在低負荷狀況下，效率會大幅降低，若在70%負荷下運行，耗能是正常的1.3倍，50%負荷下運行，耗能是正常的1.7倍，負荷進一步降低，效率將急劇下降。以我國現(xiàn)有壓縮機負載率66%計算，耗能約是正常情況的1.4倍。

　　實際運行中，用戶用氣量經(jīng)常是變化的，從而引起管網(wǎng)和壓縮機出口壓力的波動。為了保證使用壓力，通常控制這個壓力向上波動，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)鍵是實現(xiàn)壓縮機高效變負荷運行。現(xiàn)在，常見比較節(jié)能的變負荷調(diào)節(jié)方式有調(diào)速、變?nèi)荨⑦M氣導葉調(diào)節(jié)等。變頻螺桿壓縮機調(diào)速，基本上能夠保證壓縮機的比功率變化不大，維持高效運行。另外其調(diào)速響應比較快，通過智能控制，能夠使得壓縮機的額定容積流量與用氣量很快地保持一致，使得管網(wǎng)壓力波動幅度很小，通常能夠達到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的空氣壓縮機組，在正常負荷下供氣壓力波動幅度不宜超過0.05MPa;當負荷變化較頻繁時，宜選用1～2臺具有變?nèi)莼蜃冾l等節(jié)能型氣量調(diào)節(jié)功能的壓縮機。”

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

　　(4)目前國內(nèi)壓縮空氣系統(tǒng)常常低負載運行，造成壓縮空氣后處理設備低效率運行。在設計選型時干燥裝置通常是按照系統(tǒng)最大負荷來配置的，而且普遍沒有變負荷調(diào)節(jié)功能，當系統(tǒng)低負荷運行時，干燥裝置依然按照滿負荷方式運轉(zhuǎn)，耗電、耗氣不變，造成系統(tǒng)的運行效率下降。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，應能根據(jù)站房實際運行負荷進行調(diào)節(jié)。通常做法是干燥裝置與壓縮機采用一一對應的配置，當部分壓縮機停機時，相應臺數(shù)的干燥裝置也停止運行;另外，目前冷凍式干燥裝置、吸附式干燥裝置均已有變負荷技術(shù)，在系統(tǒng)設計時，推薦采用帶負荷調(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，應能根據(jù)站房實際運行負荷進行調(diào)節(jié)。”(5)目前常見的壓縮空氣干燥裝置中，干燥裝置相當于壓縮機耗能的比例，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，應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、單臺處理氣量大于20m3/min或工作壓力大于等于10MPa、單臺處理氣量大于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”，“壓縮空氣濕度等級要求不低于5級時，應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)流程的設計

　　壓縮空氣站工藝流程的合理設計是保障整個系統(tǒng)安全節(jié)能運行的基礎(chǔ)，新規(guī)范對原規(guī)范有關(guān)條文進行了完善和補充，使工程設計人員在工藝設計時有據(jù)可依。

　　(1)在壓縮空氣站設備工藝流程上最常見的錯誤是將儲氣罐設在干燥設備后面。主要是因為這樣布置操作較方便，由于干燥器與壓縮機一起設在同一機器間內(nèi)，而儲氣罐常常布置在室外，這樣布置可以避免管道折返。實際上，正確的設計應該是將儲氣罐設置在干燥裝置之前，這是因為一方面儲氣罐具有一定的除油水功能，布置在干燥凈化設備之前可以減輕其負擔，另一方面，活塞空氣壓縮機或隔膜空氣壓縮機均屬于往復式壓縮機，排氣氣流脈動很大，直接進入吸附式干燥裝置會令干燥劑破碎，減少使用壽命。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“儲氣罐宜布置在空氣壓縮機與干燥凈化裝置之間”;“裝有活塞空氣壓縮機或隔膜空氣壓縮機的壓縮空氣站，其吸附式壓縮空氣干燥裝置應設在儲氣罐后”。

　　但有的壓縮空氣系統(tǒng)需要儲氣罐瞬間釋放大量壓縮空氣，例如空氣錘、氣動啟動系統(tǒng)等[9，16]，這種情況下儲氣罐設置在干燥凈化裝置前則會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:“當負荷要求儲氣罐瞬間釋放超過干燥凈化裝置處理量的壓縮空氣時，應在干燥凈化裝置后另行設置儲氣罐。”

　　(2)不同壓力的空氣壓縮機串聯(lián)運行時，需在高、低壓縮機之間設置緩沖罐，以平衡二者之間的進、排氣流量。為此，新《規(guī)范》規(guī)定:“不同壓力的空氣壓縮機串聯(lián)運行時，應在2臺空氣壓縮機之間設緩沖罐，并應在后置空氣壓縮機后設儲氣罐;緩沖罐的容積，應根據(jù)高、低壓壓縮機之間進、排氣流量的平衡需要進行匹配。”

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

　　(3)空氣壓縮機在壓縮空氣時會產(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，宜對壓縮熱能回收利用。”

　　(4)管道系統(tǒng)設計不當容易造成壓降過大，浪費能源，一些資料提出空氣壓縮機管網(wǎng)壓降應控制在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)，從空氣壓縮機出口到最不利點的壓力損失不宜超過空氣壓縮機排氣壓力的10%。”

4、安全運行的考慮

　　由于壓力范圍擴大，壓力高于10MPa的高壓壓縮機和串聯(lián)運行的壓縮機均列入了此次修訂增加的內(nèi)容，鑒于其危險性和特殊性，規(guī)范在這方面補充了一些條文。另外，為保證壓縮機的正常運行，增加了對其進氣過濾裝置的精度要求及一些控制保護項目的要求:

　　(1)配氣臺間、儲氣罐間、充瓶間，為高壓壓縮空氣站常見的生產(chǎn)運行房間，偶發(fā)事故的部位也多在這些地點。配氣臺間的操作相應較多，雖無噪聲但需人員值守，時時監(jiān)控、調(diào)整運行狀態(tài)，需要相對安靜的操作環(huán)境;儲氣罐有一定的爆炸危險性，在正常運行時，閥門等不必經(jīng)常操作，設備相對為靜態(tài)，無機械噪聲;充瓶間內(nèi)時常有裝卸氣瓶的操作，也有一定的危險性。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、儲氣罐、充瓶裝置，應分別布置在單獨的房間內(nèi)，且房間內(nèi)不應布置其它無關(guān)的設備。”

　　(2)工作壓力大于等于10MPa的壓縮空氣站，其設備與管道系統(tǒng)一旦發(fā)生事故，將對人身及財產(chǎn)造成很大危害。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“當工作壓力大于等于10MPa的壓縮空氣站與其他建筑物毗連時，應用厚度不小于200mm且無門、窗、洞的鋼筋混凝土防護墻隔開，并應設置直接對外的出入口。”其“配氣臺間與機器間或儲氣罐間應采用不小于200mm厚的鋼筋混凝土防護墻隔開”。

　　(3)考慮空氣中的灰塵對空氣壓縮機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)的塵粒對管道的強力沖刷、磨損，對其吸氣過濾器提出具體參數(shù)要求以保證設備和系統(tǒng)的安全高效運行。原GB—T13276—1991《容積式壓縮機空氣濾清器》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》提出入口濾清器應能在整個吸氣范圍內(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、隔膜空氣壓縮機和螺桿空氣壓縮機的吸氣過濾器應能除掉最少99.5%的規(guī)格為15μm或15μm以上顆粒，其潔凈時的壓力降不應大于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》，要求“通過清潔過濾器元件的壓力降，應不超過5.0mbar(2英寸水柱)。進口流量范圍上，除掉最少99.5%的規(guī)格為2μm或2μm以上顆粒”。經(jīng)調(diào)查，目前離心壓縮機過濾器精度一般高于此標準，故新《規(guī)范》規(guī)定:“離心空氣壓縮機吸氣過濾器應能除掉最少99.5%的規(guī)格為2μm或2μm以上顆粒，其潔凈時的壓力降不應大于500Pa。”4)當環(huán)境溫度大于40℃時，空氣壓縮機和電機壽命會大大減少，控制程度較高的機組還會因吸氣溫度過高自動停機;值班室、控制室是工作人員長期呆的地方，配氣臺間經(jīng)常有人進入操作，根據(jù)現(xiàn)行的《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》的規(guī)定，溫度不應大于28℃[28]。因此，新《規(guī)范》規(guī)定:“壓縮空氣站工作時機器間內(nèi)最高環(huán)境溫度不應大于40℃。隔聲值班室或控制室、配氣臺間的溫度不應大于28℃。通常應設通風或降溫裝置。”(5)為確保站房內(nèi)設備安全運行，新《規(guī)范》增加了隔膜壓縮機熱工測量、熱工報警信號和自動保護控制的裝設要求，對原規(guī)范的相關(guān)條文也做了個別調(diào)整，在此不再贅述。

5、結(jié)語

　　新《規(guī)范》對原《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，對于提高我國壓縮空氣站設計技術(shù)水平有較大的指導意義。