賀佳貝，劉文輝

(延安市禾草溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 717300)

0 引言

對于煤礦生產(chǎn)企業(yè)而言，空壓機(jī)是一種常見壓縮氣體的設(shè)備，其主要作用是將電能轉(zhuǎn)換為增加空氣壓力的勢能，以及增加機(jī)械做功形成的熱能[1]。當(dāng)前，煤礦生產(chǎn)企業(yè)中，傳統(tǒng)空壓機(jī)在運行過程中，只能將極少部分的能源轉(zhuǎn)換為有用的空氣勢能，其余全部電能均轉(zhuǎn)化為熱能，并以水冷或風(fēng)冷的形式，逐漸排放到空氣當(dāng)中。產(chǎn)生的大量余熱被排放到大氣環(huán)境當(dāng)中，造成對環(huán)境的嚴(yán)重破壞[2]。若對煤礦空壓機(jī)的余熱進(jìn)行充分利用，不僅可以避免能源出現(xiàn)浪費，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展，更能夠提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益?；诖?，有必要開展對煤礦空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用研究。

1 硬件設(shè)計

1.1 換熱器選型

為滿足在煤礦生產(chǎn)過程中對空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收的要求，選用板式結(jié)構(gòu)換熱器作為系統(tǒng)中的重要硬件組成。選用KSD-27440型號，傳熱系數(shù)值在2 500～5 500 W/(m2·℃)范圍內(nèi)的板式換熱器裝置。KSD-27440型號板式換熱器裝置總長度210 mm，總寬度約188 mm，下接口距為45.2 mm，上接口距為63.5 mm，工作壓力為0.8 MPa，最大處理流量為15 m3/h，重量為15.4 kg。該型號換熱器由于結(jié)構(gòu)更加緊密，且體積相對較小，因此熱損失較低，設(shè)備本身不需要額外進(jìn)行保溫；在該型號換熱器板片結(jié)構(gòu)之間，裝有兩道密封結(jié)構(gòu)，并布設(shè)多個信號孔，當(dāng)出現(xiàn)泄漏問題時，通過密封結(jié)構(gòu)可將氣流快速排除到換熱器的外部，放置在氣流的作用下，導(dǎo)致多種介質(zhì)發(fā)生混合，以此也可以起到一定的安全報警效果[3-5]。KSD-27440型號板式換熱器裝置整體結(jié)構(gòu)是通過多個沖壓薄板按照一定規(guī)則進(jìn)行組合，周圍密封通過墊片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，整體由框架以及壓緊螺旋相互連接。利用板片結(jié)構(gòu)上布設(shè)的孔洞，使流進(jìn)換熱器的空氣形成流體，并均勻分配到各個管道當(dāng)中，將熱流體與冷流體分隔，使流體從板片結(jié)構(gòu)的兩側(cè)流道流動，以此實現(xiàn)對熱的交換。

1.2 空壓機(jī)螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)空壓機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動裝置、機(jī)體本身和支撐底座3部分，為保證空壓機(jī)運行過程中形成一個緊湊的機(jī)組，對傳統(tǒng)空壓機(jī)增加螺桿結(jié)構(gòu)。將螺旋桿上的2個螺旋轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)輪流嚙合，其中一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度比另一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度提高45%。將空壓機(jī)放入的空氣在螺桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子與外殼之間進(jìn)行壓縮。通過增加精確定時齒輪，使轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生微小的細(xì)縫，保證壓縮轉(zhuǎn)子之間不會互相接觸，避免在空壓機(jī)運行過程中出現(xiàn)磨損。由于傳統(tǒng)空壓機(jī)并未安裝進(jìn)氣閥和排氣閥，因此進(jìn)氣只能通過調(diào)節(jié)閥的開啟或關(guān)閉進(jìn)行調(diào)節(jié)，在進(jìn)氣側(cè)吸氣口位置上，按照系統(tǒng)的運行需要進(jìn)行設(shè)計，從而保證壓縮室可以進(jìn)行更加充分的吸氣操作。當(dāng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動時，主轉(zhuǎn)子會與副轉(zhuǎn)子之間形成較大的孔隙，并且在這一階段，齒槽空間中的氣體是可以自由流動的[6-8]。根據(jù)這一特點，在進(jìn)行排氣時，可通過螺桿結(jié)構(gòu)將齒槽中的空氣排除。待全部排除后，將新的空氣重新灌入到齒槽中，螺旋桿的運動會使齒槽內(nèi)形成密閉空間，輔助空壓機(jī)完成吸氣過程。

2 軟件設(shè)計

2.1 換熱控制

為實現(xiàn)對煤礦空壓機(jī)余熱的回收，首先對其換熱進(jìn)行控制，利用補水測得水泵變頻控制補水量。利用Pt150熱敏電阻對冷卻水的出水溫度進(jìn)行檢測，再利用Pt150電阻輸出的微弱信號，通過溫度變送轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。再通過中央處理器將所有采集到的溫度與設(shè)定的溫度范圍進(jìn)行比較，利用生成樹協(xié)議中的控制算法對其溫度調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行邏輯運算[9-10]。最后將計算結(jié)果發(fā)送到可編程邏輯控制器中，利用模擬量輸出模塊，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，對進(jìn)行補水的水泵頻率控制。控制流程如圖1所示。

圖1 換熱控制流程示意Fig.1 Heat exchange control process

利用溫度變送器將獲取到的溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂颇M量輸入口，經(jīng)過其內(nèi)部的運算與處理，獲取到相應(yīng)的控制量，以此改變水泵頻率，實現(xiàn)對水泵的供給量調(diào)節(jié)，對水量進(jìn)行控制，進(jìn)而控制空壓機(jī)換熱。

2.2 空壓機(jī)冷卻

空壓機(jī)的冷卻主要依靠水泵輸送的冷卻水，而輸送冷卻水的量直接影響空壓機(jī)的冷卻效果。由于水泵電機(jī)具有較強的耦合性和非線性，因此在冷卻過程中，通過傳統(tǒng)線性控制器很難達(dá)到最佳的控制性能?；诖?，本文采用模糊控制技術(shù)，將線性控制與模糊控制結(jié)合，形成二維模糊控制模塊，將誤差的變化率及誤差設(shè)定為輸入值，假設(shè)誤差的變化率為γ，誤差值為t，積分修正系數(shù)為k。當(dāng)達(dá)到不同γ和t時，通過調(diào)節(jié)線性控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)[11-12]。當(dāng)t值較大時，為了使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，應(yīng)將k取較大值，防止響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)過大線性。當(dāng)γ值和t值中等大小時，應(yīng)當(dāng)將k取較小值，使系統(tǒng)超調(diào)降低，保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。當(dāng)t值偏小時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加k值大小，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行，以此控制空壓機(jī)的冷卻。

3 系統(tǒng)應(yīng)用測試

選用某煤礦生產(chǎn)企業(yè)中常用熱水系統(tǒng)作為試驗對象，在生產(chǎn)過程中，每月熱水總用量約為1.3×105m3，該企業(yè)在未安裝余熱回收系統(tǒng)時，原始熱源是通過電廠余熱供應(yīng)。為驗證提出的煤礦空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)的有效性，在沒有其他外部能源可以利用的情況下，利用新提出的余熱回收系統(tǒng)與傳統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)為該生產(chǎn)企業(yè)提供熱源。為保證試驗結(jié)果的可靠性，另設(shè)置一臺電鍋爐對水進(jìn)行加熱。測試時間為1年，分別將試驗過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并對比2種系統(tǒng)的節(jié)能效果，見表1。由表1可以看出，在滿足企業(yè)日常用水溫度所需的前提條件下，新設(shè)計的煤礦空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比回收熱量更多，可為企業(yè)節(jié)約更多的能源，對空壓機(jī)余熱進(jìn)行循環(huán)利用，保證其熱量的高效利用。

表1 新設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能效果對比

4 結(jié)語

選用板式結(jié)構(gòu)換熱器作為礦井余熱回收系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)中的重要硬件組成，并將所設(shè)計的煤礦空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用于實際，可以有效避免傳統(tǒng)空壓機(jī)耗能高的問題，充分利用廢熱，實現(xiàn)對余熱的二次利用。同時，對該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用推廣可以為煤礦企業(yè)節(jié)約更多的能耗，降低熱排放量，對減少企業(yè)碳排放具有積極的應(yīng)用價值，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。