郭坤閃 劉新重

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南平頂山467012）

0 引言

壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動力源之一，由于其具有安全、無公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點，使其在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。 但要得到品質(zhì)優(yōu)良的壓縮空氣需要消耗大量能源，在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%-35%。

根據(jù)行業(yè)調(diào)查分析，空壓機系統(tǒng)5 年的運行費用組成如下圖1 所示）：系統(tǒng)的初期設(shè)備投資及設(shè)備維護費用占到總費用的23%，而電能消耗（電費）占到77%，幾乎所有的系統(tǒng)浪費最終都是體現(xiàn)在電費上。

圖1 空壓機系統(tǒng)的費用組成

研究發(fā)現(xiàn)空壓機運行時會產(chǎn)生大量的壓縮熱，壓縮熱消耗的能量占機組運行功率的85%，通常這部分能量通過機組的風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)交換到大氣當中。 這就造成了空壓機主產(chǎn)品成了熱量，副產(chǎn)品才是壓縮空氣，形成一種本末倒置的不合理局面：使用副產(chǎn)品，浪費主產(chǎn)品，并且還要用冷卻系統(tǒng)來吸收消耗主產(chǎn)品，形成二次能源浪費。

螺桿壓縮機由于本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)和工作原理決定，它的絕熱效率在0.65-0.85 之間。 對于空氣壓縮機，設(shè)計供油溫度一般在50-60℃，實際運行時的排氣溫度往往在80-90℃之間。 高的排氣溫度會導(dǎo)致更多的潤滑油處于氣相，增加油氣分離的難度，降低潤滑油的使用壽命。除了機械摩擦導(dǎo)致的熱能損失外，主要是因為壓縮氣體時熱能轉(zhuǎn)換的熱能損失，壓縮機的絕熱效率僅有60-80%。 通常空壓機實際運行中，只有20-30%的能量變成空氣勢能（即：將常壓空氣變成高壓空氣），而大部分能量則通過各種形式被消耗，其中大部分變成熱能排放到空氣中。 有鑒于此，空壓機的余熱利用越來越被人們所重視。

本文通過對平煤八礦礦水冷型噴油螺桿空壓機余熱回收系統(tǒng)進行實踐性研究分析，為其他企業(yè)空壓機余熱回收提供借鑒。

1 研究背景

平煤股份八礦是平煤神馬集團下屬的大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)， 具有360 萬噸/年的煤炭生產(chǎn)加工能力。 為了維持生產(chǎn)，該礦共建設(shè)了三套壓風(fēng)系統(tǒng)，共14 臺螺桿式空壓機。其中新副井壓風(fēng)房配備了6 臺螺桿式空壓機（功率250kW，產(chǎn)氣量48m3/min），采用水冷方式將壓縮機熱量排出，造成了極大的浪費。

礦區(qū)職工澡堂每天約有2000 人洗澡， 根據(jù)統(tǒng)計其職工澡堂熱水用量如表1。

由表1 可知，洗澡熱水用量為230t/天左右，根據(jù)洗澡用水溫度設(shè)定冬天50℃，夏天45℃，自來水常年恒溫15℃，推算得知澡堂用熱水所需最大熱量為：

Q=C*M*ΔT=4186J/（KG·℃）*（230*1000）KG*（50-15）℃=33697.3 MJ。

為此礦上配備兩臺燃煤鍋爐，其耗煤量（2011 年）統(tǒng)計如下：（冬季按24 小時，夏季按6 小時，春秋按9 小時運行）每小時燃煤按0.5噸計算；

冬季（11.15-3.15）：四個月×12 噸/天.臺×2 臺×30 天=2880 噸；

夏季（5.15-8.15）：三個月×3 噸/天.臺×1 臺×30 天=270 噸；

春、秋季節(jié)：五個月×4.5/天.臺×1 臺×30 天=675 噸；

合計為：2880 噸+270 噸+675 噸=3825 噸。

按照節(jié)能改造后最多只保留冬季一臺鍋爐運行目標核算，所節(jié)約的一臺鍋爐能耗基準節(jié)煤量為：2880 噸/2+270 噸+675 噸=2385 噸，按每噸煤最低保守價格700 元/噸計算， 則每年運行費用：2385 噸×700元/噸=166.95 萬元。

表1 平煤八礦熱水使用量

2 空壓機余熱改造

2.1 空壓機余熱計算

平煤八礦新副井空壓機在額定工礦下的運行參數(shù)為：

吸氣壓力Ps=101325Pa，排氣壓力Pd=735498Pa，壓縮機的實際容積流量Qv=48m3/min，壓縮機的實際軸功率P=250kW，吸氣溫度T0=25℃，噴油溫度T1=76℃,排氣溫度T2=90℃。 采用冷卻潤滑油的定壓比熱容C0=2039J/（KG·℃），空氣的定壓比熱容C1=1005J/（KG·℃），根據(jù)空壓機軸功率公式有：

P=(PsQv)/(RT0)C1(T2－T0)+ qmC0(T2－T1)

由此可得噴油的質(zhì)量流量qm=6.73kg/s，所獲噴油的質(zhì)量流量是根據(jù)理論公式計算而得， 即假設(shè)噴油螺桿壓縮機不向外界散失熱量，同時排氣與排油溫度相等，但實際上空壓機必然向外界散熱而油氣之間也存在換熱溫差。測算得出實際的噴油量約為理論容積流量的110%，則可得噴油的實際容積流量為7.403kg/s。 因此，每臺壓縮機可回收余熱約208.63kW，即每天可回收熱量18025.63MJ。

2.2 改造方案

澡堂每天熱水最大需熱量為33697.3MJ，而每臺空壓機可提供余熱量為18025.63MJ，因此對2 臺空壓機進行余熱利用改造，可以滿足熱水需求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2 所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

空壓機內(nèi)部改造如下圖3 所示：

圖3 空壓機內(nèi)部改造圖

由圖3 可知，空壓機余熱回收的改造是通過在原有油路管道中接入板式換熱器來實現(xiàn)的；同時，為了提高安全系數(shù)，保留原有冷卻系統(tǒng)，使空壓機余熱回收系統(tǒng)與原有冷卻系統(tǒng)串聯(lián)。經(jīng)油氣分離后，高溫氣直接通往余熱回收系統(tǒng)中的板式換熱器ERG， 高溫油則經(jīng)溫度感應(yīng)器檢測其溫度：若高溫油溫度低于76℃，則不用進行熱交換，直接通過過濾器通往油路循環(huán)系統(tǒng)，若高溫油溫度高于76℃，則需進行熱交換后再進入油路循環(huán)系統(tǒng)。

當保溫水箱熱水溫度低于設(shè)定值時（一般設(shè)定為60℃），關(guān)閉油管三通閥與原有油冷卻系統(tǒng)進口聯(lián)通的閥門b 和d，使高溫油通過板式換熱器ERG 與自來水換熱，以回收空壓機余熱；當保溫水箱熱水溫度超過設(shè)定值時，關(guān)閉油管三通電磁閥與板式換熱器聯(lián)通的閥門c 和d，打開閥門a 和b,使熱油通過空壓機油冷卻系統(tǒng)冷卻，以保證空壓機的效率；當保溫水箱的水位超過設(shè)定值時，關(guān)閉三通電磁閥與板式換熱器聯(lián)通的閥門a 和b，高溫油通過原有油冷卻系統(tǒng)冷卻。

2.3 主要設(shè)備選型

板式換熱器2 臺：SS304 不銹鋼可拆卸式板式換熱器；

循環(huán)水泵2 臺：4kW 立式不銹鋼多級離心泵2 臺（一用一備）；

保溫水箱1 個：100t（循環(huán)緩沖水倉）；

電氣控制箱1 個：核心器件為西門子S7-300 控制系統(tǒng)；

除以上主要配置外系統(tǒng)還配有相應(yīng)閥門、儀表及保溫管道，項目投資額為52 萬元，明細如下：

板式換熱器：12×2=24 萬元

循環(huán)水泵：2.09×2=4.18 萬元

保溫水箱：0.09×100=9 萬元

電器控制箱：1×2=2 萬元

配套設(shè)備及施工：12.82 萬元

3 節(jié)能效益分析

項目改造完成后，經(jīng)12 個月（2011 年8 月～2012 年8 月）的觀察發(fā)現(xiàn)，熱回收系統(tǒng)運行良好，不影響壓縮機正常工作，具有很好的經(jīng)濟社會效益。

每年節(jié)約費用為：166.95-52=114.95 萬元。

空壓機系統(tǒng)存在的大量電能轉(zhuǎn)化為熱量，從而造成能源浪費的現(xiàn)象，是可以通過全面的系統(tǒng)解決方案來消除和彌補的。 結(jié)合熱回收系統(tǒng)對原有的空氣壓縮系統(tǒng)進行改造，既可以解決空壓機冷卻散熱的難題，又可以充分利用廢熱，減少常規(guī)燃料的消耗量，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

該項目的應(yīng)用不僅為煤礦企業(yè)提供一種可借鑒的成熟方案，也為空壓機熱能回收在其他工業(yè)上的節(jié)能技改提供了可借鑒的途徑。

［1］岑曦.空氣壓縮機熱能回收系統(tǒng)的開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

［2］鄭永星.噴油式螺桿壓縮機的選用與能耗[J].設(shè)備管理與維修，2000（04）.