宋 旸，高勤強(qiáng)

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)公司，山西 孝義 032300)

0 引言

礦井用主壓風(fēng)機(jī)是礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，它為生產(chǎn)提供空氣動力，為瓦斯突出礦井的壓風(fēng)自救系統(tǒng)供氣，是生產(chǎn)、安全的重要保障[1]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井應(yīng)當(dāng)在地面集中設(shè)置空氣壓縮機(jī)站；在井下設(shè)置空氣壓縮設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用螺桿式空氣壓縮機(jī)(簡稱空壓機(jī))。大部分的煤炭生產(chǎn)企業(yè)在實(shí)際工作中，壓縮空氣的能耗占總電力消耗的10%～30%，相對于電熱設(shè)備，空壓機(jī)余熱回收幾乎不需要能源消耗，相對于燃煤燃?xì)庠O(shè)備零排放，是清潔環(huán)保的節(jié)能方式。對于礦井用空壓機(jī)余熱回收的問題已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，耿豪[2]對螺桿式空壓機(jī)余熱利用的節(jié)能可行性進(jìn)行研究，認(rèn)為螺桿式空壓機(jī)能夠?qū)⒖諌簷C(jī)浪費(fèi)的熱能回收利用，減少其他用途加熱的燃料消耗及環(huán)境污染，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。王少波對螺桿式空壓機(jī)余熱回收技術(shù)的應(yīng)用及節(jié)能效益進(jìn)行分析，空壓機(jī)的余熱利用具有非常大的節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)效益[3]。吳啟芳對螺桿式空壓機(jī)余熱回收在煤礦的余熱回收、利用、回收價(jià)值、投資費(fèi)用、工程設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行了研究，結(jié)果證明螺桿式空壓機(jī)在運(yùn)行中約有50%～65%系統(tǒng)浪費(fèi)，但是通過全面的系統(tǒng)解決方案可以消除和彌補(bǔ)這些損失[4]。王春等人對余熱回收效率低與回收熱源不穩(wěn)定問題進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，結(jié)果證明改進(jìn)后的余熱回收利用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效益良好[5]。鄧澤民等人介紹了常用的螺桿式空壓機(jī)熱回收方式，對螺桿式空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行分析，對不同螺桿式空壓機(jī)回收效果以及熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了評價(jià)[6]。

通過以上的研究可知，空壓機(jī)在煤礦余熱回收技術(shù)利用方面具有可操作性與可行性，在經(jīng)濟(jì)與安全方面滿足條件即可操作實(shí)施。對于某礦隨著井下開采的縱向延伸及即將投入的2#煤開采，原有的3臺空壓機(jī)將無法滿足井下工作時(shí)的供氣量，為滿足后續(xù)的開采，已購置2臺空壓機(jī)(四用一備)來滿足后續(xù)的生產(chǎn)需要，現(xiàn)欲增設(shè)一套空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)，達(dá)到企業(yè)節(jié)能減排的目的，在保證安設(shè)改造安全性的前提下，為盡可能最大限度回收這部分余熱再利用，通過計(jì)算分析回收系統(tǒng)的可回收功率、可利用功率，研究利用回收功率的方法與途徑，探討提高余熱利用的安全技術(shù)方案。

1 可回收功率的計(jì)算與分析

空壓機(jī)由壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及外罩等部分組成；工作原理是由一對相互平行嚙合螺桿(陽轉(zhuǎn)子和陰轉(zhuǎn)子)在主機(jī)內(nèi)不斷的周期性產(chǎn)生容積變化，完成壓縮空氣過程[7]，過程如圖1所示。空氣在高壓壓縮時(shí)，溫度驟升，螺桿的高速旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱，這些產(chǎn)生的熱能，通過冷卻潤滑油(簡稱循環(huán)油)的加入混合成油、氣排出機(jī)頭，通過冷卻器散熱排入大氣中，它消耗了空壓機(jī)總功率的大部分。

圖1 螺桿式空機(jī)壓縮過程

可回收功率計(jì)算：空壓機(jī)的電機(jī)功率為W，在吸氣、壓縮到排氣的全過程中，提供了系統(tǒng)的損耗功率(機(jī)械損耗、熱能散失損耗等)Ws、等溫壓縮空氣的功率Wy、壓縮空氣的動能功率Wd及混合油氣的熱能功率Wr，建立等式關(guān)系：W=Ws+Wy+Wd+Wr，Wr是空壓機(jī)的可回收功率。

空壓機(jī)等溫壓縮空氣功率Wy計(jì)算：基本參數(shù)由設(shè)備銘牌提供，如圖2所示，工作壓力Pa(MPa)、容積流量Q(m3/min)、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0(MPa)，把容積流量轉(zhuǎn)化Q′(m3/s)，則等溫壓縮空氣需要的最小功率Wymin=0.278×Pa×Q′×Ln(Pa/P0)，其中，1 MJ/s=0.278 kW。

圖2 某礦空壓機(jī)銘牌

壓縮空氣動能功率Wd計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度ρ、轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的容積流量Q0=(Pa×Q′)/P0、壓縮空氣的質(zhì)量不變，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的壓縮前空氣質(zhì)量為m0=m=ρ×Q0、排氣口管徑φ、管口截面積為S、排氣口的氣體速度v=Q′/S，則壓縮空氣的最小動能功率Wdmin=0.5×m×v2。

空壓機(jī)系統(tǒng)的損耗功率Ws計(jì)算：包括機(jī)械摩擦損耗與因壓縮氣體時(shí)散失系統(tǒng)的熱能，空壓機(jī)的絕熱效率ηd僅有75%～90%，高性能電機(jī)的效率可達(dá)到92%以上，這里把Ws近似等于電機(jī)損耗與散失到系統(tǒng)的熱能之和，則系統(tǒng)的損耗功率Ws=W×(1-η)+W×(1-ηd)，η取0.92，ηd取0.88。

空壓機(jī)的可回收功率Wr計(jì)算：Wr=W-Ws-Wy-Wd，計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

通過表1、圖3可知，一臺空壓機(jī)可回收余熱功率Wr=168.846 kW，占總功率的67.5%，4臺運(yùn)行的可回收余熱功率達(dá)675.384 kW，回收利用空間很大。

表1 某礦空壓機(jī)可回收功率計(jì)算

圖3 某礦空壓機(jī)可回收功率占比

2 可利用功率的計(jì)算與分析

主空壓機(jī)是礦井主要設(shè)備之一，增加的余熱回收系統(tǒng)(簡稱回收系統(tǒng))代替了原空壓機(jī)的冷卻系統(tǒng)，所以改造后必須保證對原空壓機(jī)滿足以下3點(diǎn)要求：一是保證不破壞空壓機(jī)的正常工作，二是保證空壓機(jī)的正常油溫，三是保證系統(tǒng)安全可靠且運(yùn)行穩(wěn)定[8]。

空壓機(jī)的可回收功率被壓縮空氣與循環(huán)油帶走，由于液相的循環(huán)油比熱容大于空氣，試驗(yàn)表明循環(huán)油包含75%左右熱能，壓縮空氣包含25%左右熱能。市面上的余熱回收機(jī)組有兩類，回收循環(huán)油熱能的單熱回收機(jī)組與油、氣熱能同時(shí)回收的雙熱回收機(jī)組，該礦可回收功率的25%是168.846 kW，壓縮空氣包含的熱能回收價(jià)值可觀，故建議使用雙熱回收機(jī)組。

圖4為某礦空壓機(jī)系統(tǒng)流程圖，圖5為采用雙熱回收的空壓機(jī)改造系統(tǒng)示意圖，為保證空壓機(jī)正常工作，根據(jù)該型號空壓機(jī)使用說明書要求，設(shè)備工作環(huán)境溫度范圍：1.7～46 ℃；排氣溫度不得超過120 ℃；保證循環(huán)油的流動性，油溫在70 ℃左右。礦井空壓機(jī)機(jī)組運(yùn)行情況見表2，要提高可利用功率，回收系統(tǒng)回收后油溫接近70 ℃，排氣溫度接近壞境溫度時(shí)，這時(shí)的可利用功率最大，下面計(jì)算單臺可利用功率W′。

表2 某礦單臺空壓機(jī)組全年平均運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

壓縮空氣提供回收系統(tǒng)的功率Wq計(jì)算：由于壓縮空氣的容積流量43.0 m3/min是設(shè)備的固有參數(shù)，溫升Δt(℃)決定了可以提供回收系統(tǒng)的功率，計(jì)算結(jié)果見表3。11月—次年4月占可回收功率的14.8%，5月—10月占可回收功率的16.9%，以15%計(jì)算，則Wq=25.327 kW，壓縮空氣仍會帶走10%的可回收功率。

圖4 UD250A-8螺桿式空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)流程圖

圖5 采用雙熱回收的空壓機(jī)改造系統(tǒng)示意圖

計(jì)算公式:Wq=60×γ×Δt×Q0/[(0.2～0.3)×860×(1-ηm)]壓縮空氣提供熱能:計(jì)算時(shí)間段壓縮空氣密度γ/(kg·L-1)比熱容c/(kcal·(kg·℃-1))回收系統(tǒng)進(jìn)口溫度t1/℃回收系統(tǒng)出口溫度t2/℃溫差Δt/℃容積流量Q0/(L·min-1)轉(zhuǎn)換率ηm(0.2～0.3)計(jì)算值Wq/kW總回收功率占比/%11月—次年4月0.010 320.337096143.000.900.2524.92914.85月—10月0.010 320.3395257043.000.900.2528.6116.9

循環(huán)油提供回收系統(tǒng)的功率Wl計(jì)算：要讓循環(huán)油最大限度提供回收功率，即可回收功率的75%，Wlmax=126.635 kW，則回收系統(tǒng)的循環(huán)油的容積流量計(jì)算見表4，通過數(shù)據(jù)分析，Wl提供多少功率是由循環(huán)油的容積流量Ql和溫差Δt共同決定的，容積流量Ql與溫差Δt成反比，流量過大會導(dǎo)致出口油溫<70 ℃，流量過小會導(dǎo)致回收系統(tǒng)回收率低。為保證空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提供回收系統(tǒng)的功率Wl最大且穩(wěn)定，回收系統(tǒng)有隨溫差Δt變化的循環(huán)油流量調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)范圍為1.601～3.735 L/min，這時(shí)可以達(dá)到循環(huán)油提供回收系統(tǒng)的功率最大。

表4 冷卻潤滑油的容積流量計(jì)算

3 回收功率的利用

回收系統(tǒng)回收功率一般會用在供暖和洗浴上，結(jié)合該礦實(shí)際，可利用回收功率的場所有4處，如圖6、表5，因空壓機(jī)間歇工作，導(dǎo)致制熱不穩(wěn)定，故回收功率不能單獨(dú)供熱，需配合其它供熱系統(tǒng)共同制熱，選擇聯(lián)建樓內(nèi)浴室及空氣加熱室利用回收功率符合要求。

圖6 回收功率利用場所位置及管道鋪設(shè)布置及長度

表5 路線選擇及管道長度

因熱余回收系統(tǒng)代替了原空壓機(jī)的冷卻散熱系統(tǒng)，為保證空壓機(jī)的安全運(yùn)行，回收系統(tǒng)必須與空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)同步運(yùn)行，即保證空壓機(jī)全年330 d的運(yùn)行中，回收系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到給空壓機(jī)散熱的目的。且在與其它供熱系統(tǒng)對接時(shí)必須保證原系統(tǒng)的供熱穩(wěn)定。

該礦聯(lián)建樓淋浴用配置空氣源熱泵機(jī)組5月—10月每天工作15 h；空氣加熱室機(jī)組為主、副斜井井口供熱，11月—次年4月每天工作16 h，假如使用DN 200管路直埋單管線供熱，以每輸送1 m管道散熱損失為0.1 kW計(jì)算[9]，通過表6可以看出，4臺空壓機(jī)運(yùn)行回收的熱余功率滿足代替5臺熱源泵在5—10月為洗浴每天供熱8.45 h，滿足代替為主井口供熱的1臺空氣加熱機(jī)組在11月—次年4月為井口每天供熱8.45 h，回收系統(tǒng)既保證空壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定也保證了全年余熱利用。

表6 回收系統(tǒng)熱余利用情況分析

4 結(jié)論

(1)保證不破壞空壓機(jī)的正常工作，即不破壞空壓機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、散熱效果等使空壓機(jī)不能正常運(yùn)行；保證空壓機(jī)的正常油溫，即保證循環(huán)油的流動性；保證回收系統(tǒng)、對接的供熱系統(tǒng)可靠且運(yùn)行穩(wěn)定，回收系統(tǒng)提供的供熱量滿足要求。

(2)采用油、氣熱能同時(shí)回收的雙熱回收機(jī)組，可以提高15%的余熱利用功率。

(3)采用回收系統(tǒng)有隨溫差Δt變化的循環(huán)油流量調(diào)節(jié)裝置，可以提高循環(huán)油的余熱利用功率。

(4)合理選擇供熱場所，減短回收功率輸送距離。