引言压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源和第四大工业能源，也是具有多种用途的工艺气源，在现代工业领域中应用广泛。用气企业多采用小型螺杆式压缩机，运行效率普遍偏低，运行中噪声大，维护成本高。压缩空气的成本较高，需要消耗大量电能。大部分生产型企业压缩空气的能源消耗可占企业全部电力消耗的10%~35%[1-2]。传统的火电企业正全力推进绿色转型，为了发挥传统火电企业作为区域动力中心的优势，全力打造综合能源基地，加快综合能源服务发展，火电企业正由单一的电热供应站向综合能源服务供应商转型[3-6]。基于大型火电机组的压缩空气集中供应是火电转型综合能源服务供应商的探索方向之一[7-8]。利用蒸汽和电力双源驱动空压机，低压排汽进入园区供热管网，形成火电厂周边区域内压缩空气、低压蒸汽集中供应的汽-气联供模式，替代园区内高能耗、高污染、安全隐患众多的企业自备空压机和小锅炉。与汽驱模式相比，采用汽电双驱集中供应模式可以提高小汽机的效率，减少备用设备。该模式充分发挥了火电厂的热力优势，降低了企业用能成本，并可提升大型火电机组运行负荷，提高机组整体效率，实现多方共赢，符合能源梯级利用原则。文中以某大型火电厂为例，分析其周围企业的用气需求，探究汽电双驱空压机的运行方案并进行经济性分析。1研究背景1.1项目概况某大型火电厂周边布置有大型工业园区，对蒸汽、压缩空气的需求较大且相对集中。目前，园区已建成蒸汽供热管道，供热负荷较为稳定，近三年来最低供热负荷出现在春节期间，也达到160 t/h。项目可以采取汽-气联供模式，利用火电厂蒸汽驱动离心式压缩机，将低压排汽进入蒸汽管网。该模式下火电厂销售低压蒸汽和压缩空气产生经济效益，提高了机组负荷，间接降低了机组单位煤耗，提高了机组整体效率；周边企业的用能成本和碳排放强度降低。1.2用气负荷分析某大型火电厂附近的工业园区内企业众多，压缩空气需求量大，主要用于驱动各种风动机械、仪器仪表、自动化装置及喷漆、喷砂枪等设备。园区内典型企业压缩空气用气需求如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.008.T001表1园区内典型企业压缩空气用气需求序号用户用气负荷/(m3/min)运行情况最低值平均值最高值1企业A1 4401 8402 000连续用气2企业B8090160双休，夜间休息。3企业C8090160双休，夜间休息。4企业D5070200双休，夜间休息。5企业E——300非连续用气6小微园区3050100双休，夜间休息。考虑各用户的同时使用率，压缩空气需求主要由两部分组成。稳定的气量需求：对外供稳定气1 840 m3/min以及发电厂内稳定供气700 m3/min（作为多余压缩空气的消纳场所）。不稳定气量需求：对外供气300 m3/min。在8：00~18：00，供气量为2 140 m3/min，供气压力需求为0.5~0.6 MPa；在18：00~次日8：00，供气量为1 840 m3/min，供气压力需求为0.5~0.6 MPa。压缩空气温度：平常50 ℃，夏季55 ℃。年供压缩空气时间为8 592 h。2汽电双驱项目方案随着风光新能源发电在新型电力系统中逐渐发展成主力电源，煤电机组转变为具有电力保障功能的基础电源，随着峰谷差进一步加大，煤电机组实际运行中的最低负荷为30%热耗率验收工况（THA工况）。仅采用汽轮机驱动空压机时，在机组低负荷阶段，蒸汽压力无法满足拖动汽动空压机的要求；如果采用电动机驱动空压机，由于空压机功率较大，在煤电机组高负荷运行阶段，厂用电系统不能满足其运行要求。因此，考虑配置完全相同的1#、3#汽电双驱动空压机(1 200 m3/min)，蒸汽系统、电气系统采用单元制分别连接1#、3#发电机组，并配置2#、4#两台电动空压机(600 m3/min)作为备用，电气系统分别连接2#、4#发电机组。系统运行时优先采用背压机驱动空压机，背压机有多余出力时可以带动发电机发电，电力被送至厂用电系统消纳；背压机出力下降至不能单独拖动空压机运行时，由背压机和电动机同时拖动空压机运行，发生事故工况后，切换为电动模式或备用电动空压机运行，待故障解除后恢复至汽驱空压机带发电模式。2.1汽电双驱空压机的结构特点汽电双驱空压机在原背压机或电动机单独驱动空压机的基础上，通过同轴布置的离合器将轴系连接，实现背压机和电动机（异步）同时驱动空压机转动。汽电双驱空压机的主要设备构成如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.008.F001图1汽电双驱空压机的主要设备构成汽电双驱空压机系统增加了1台电机和离合器，整个系统比单独背压机驱动或电机驱动复杂得多，设备的运行维护工作量增大，对设备可靠性要求更高。背压机汽源采用锅炉主蒸汽，主机THA工况下，主蒸汽压力为14.9 MPa，温度为525 ℃，背压机排汽压力为1.7 MPa、温度为256 ℃，与对外供热参数相匹配。2.2汽电双驱空压机的运行方式（1）背压机启动阶段。汽电双驱空压机系统启动时，首先由异步电动机带动空压机运行，此时背压机与空压机经SSS离合器分离，背压机采用电厂辅助蒸汽完成暖机，待主蒸汽参数满足背压机冲转条件后，背压机转速升至7 000 r/min，背压机低压排汽进入低压蒸汽管网，对工业园区用户供热，SSS离合器啮合后，电动机、空压机、背压机并轴运行，在此之前均由电动机拖动空压机系统运行。（2）煤机高负荷运行阶段。随着背压机主调门继续开大，背压机转速上升，直至超过电动机驱动转速，电机由电动机转化为发电机形式运行，此时在同轴系统中背压机负责驱动空压机，富余功率通过异步发电机将电量送至厂用电系统内消纳，可以减少高厂变负载，进而提升机组上网电量。（3）煤机低负荷运行阶段。主机负荷低于50%THA工况下，背压机主汽阀全开输出的轴功率仍不能满足空压机满负荷时的功率要求时，背压机转速降速低于同步转速后，电机转化为电动机形式运行，与背压机一起驱动空压机，满足运行需求。（4）煤机或背压机退出运行阶段。当主机或背压机检修或故障时，可以通过SSS离合器自动停用，此时背压机与轴系统脱离，空压机+调速齿轮箱+电动机继续运行。汽电双驱空压机系统运行时，整个轴系上不平衡的功率由电机负责平衡，4个运行阶段全部实现自动化控制，无须人工干预。2.3汽电双驱空压机的保护逻辑汽电双驱空压机系统结构复杂、辅助设备多，其系统运行的可靠性比纯电动驱动空压机低，在设置系统保护时要制定合理的连锁保护，保障汽气联供能源综合供应系统的可靠运行。（1）运行工况。1#、3#汽电双驱空压机分别利用主机1#、3#机组的主蒸汽做功，主机负荷在50%THA及以上时，背压机带动空压机、异步电机运行，同时异步电机作为发电机发电；主机负荷在50%THA以下时，异步电机作为电动机补充背压机出力，与背压机共同拖动空压机运行。（2）事故工况。工况一：当1#、3#发电机组任一主机（锅炉、主汽轮机）或1#、3#汽电双驱动空压机任一背压机跳闸时，SSS离合器分离，空压机瞬时切换至对应异步电机拖动运行，切换过程中不存在电机以零转速启动工况，可以有效避免异步电机启动电流对厂用电母线电压的影响，并在短时间内完成切换。工况二：当异步电机拖动空压机运行的过程中，发生对应发电机组汽动给水泵跳闸（发电机组出现N-2故障），此时需要发电机组备用电动给水泵进行自启动，连锁停运发电机组对应的汽电双驱动空压机，开启2#、4#备用电动空压机，并在5 min内达到完全出力，保障压缩空气正常运行。工况三：1#、3#汽电双驱动空压机中任一空压机或异步电机跳闸时，连锁停运对应的背压机，同时启动2#、4#备用电动空压机，在5 min时间内达到完全出力（备用电动空压机软启动时间控制在1 min内），保障压缩空气正常运行。（3）检修工况。工况一：1#、3#发电机组任一台机组检修或1#、3#汽电双驱动空压机的任一台背压机检修时，可以采用异步电机单独拖动对应的空压机运行，仍将2#、4#两台电动空压机作为备用；也可将2#、4#两台原备用电动空压机改为运行，检修机组或背压机对应的汽电双驱空压机电机拖动方式作为备用。工况二：当1#、3#汽电双驱动空压机任一压缩机或异步电机检修时，需要2#、4#号备用电动空压机运行，保证压缩空气的供应能力，此时空压机系统无备用。为了保证供气的可靠性，可以联系部分主要压缩空气用户，将总用气量降低到1 800 m3/min，采用一台汽电双驱动空压机、一台电动空压机运行，保留一台电动空压机备用，提高压缩空气供应的可靠性。3汽电双驱空压机经济性分析汽电双驱空压机系统比传统的纯电动空风机复杂，系统内的电机兼具发电机和电动机的双重功能，因此汽电双驱“汽-气联供”空压机系统的初期一次性投资比纯电动空压机系统高。煤电机组正常运行过程中，汽电双驱空压机系统一般通过全开背压机进汽调节阀的方式驱动空压机运行，拖动空压机和发电机同时做功，多余的功率驱动发电机发电，输出的电量可抵消部分厂用电消耗，降低发电煤耗。与电动机拖动空压机方式相比，“电厂+”压缩空气集中供应项目不会增加厂用电率，背压机排汽进入电厂对外供热低压管网，实现供热蒸汽的梯级利用，进一步提高火电机组的综合经济效益。与低压蒸汽直接供热相比，汽电双驱空压机系统投资约2亿元，虽然增加了发电煤耗，造成燃料费用增加3 800万元，但也增加了压缩空气销售收入，提升了年供电量，供电煤耗降低，压缩空气收益增加5 800万，售电收益增加1 100万（按供气价格0.065元/m3，标准煤单价840 元/t，上网电价0.414元/kWh计算），静态投资回收期为7.84年，全投资内部收益率为8.34%。4结语煤电企业可充分发挥区域能源输出动力中心的区位优势，在深度挖掘发电、供热价值的同时，发展蒸汽梯级利用，压缩空气、除盐水等集中供应等“多种供应、服务”模式，打造“电厂+”综合能源服务业态，将火电厂和工业园区的资源优势转化为协同发展的经济优势，为园区的可持续发展贡献力量，推动企业转型升级。汽电双驱空压机汽-气联供系统的节能技术具备以下优势：蒸汽有效梯级利用，替代分散式小锅炉、空压机，提升了能源利用效率。系统由异步电机调节系统轴功率，保持背压机进汽调节阀全开，运行过程中无节流损失，背压机始终在高效区间运行，提高了设备的运行经济性。增加异步电动机可以有效降低机组厂用电率，提高煤电机组供电经济性；在系统启动阶段，异步电机为电动机型式，简化了空压机启动条件，减少了背压机辅助蒸汽启动汽源的投资。驱动设备汽动、电动互为备用，也可同时使用，系统可靠性高。随着工业园区规模化、产业链上下游集聚化发展，煤电企业周边工业园区的热负荷及压缩空气负荷需求也将进一步提升，汽电双驱空压机汽-气联供系统是“电厂+”综合能源供应的主要形式之一，从能源综合利用和企业转型升级的目标出发，采用压缩空气集约化供应，低压蒸汽进入蒸汽管网集中供热，替代工业园区内各企业的小型自备电动空压机和小型自备锅炉，可以有效降低园区整体能耗，促进传统煤电向综合能源企业转型。