石建光，張錦龍，張立忠

(1.國能包頭能源有限責(zé)任公司煤炭洗選中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000;2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京市朝陽區(qū)，100102)

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，2021年煤炭在我國一次能源消耗中的占比為56%，提高能源利用效率是我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)下控制能源消費(fèi)總量、推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要手段之一[1-2]。

以空壓機(jī)余熱作為能源循環(huán)再利用技術(shù)，已在煤炭行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，在回收空壓機(jī)余熱的同時(shí)，還能夠起到冷卻空壓機(jī)的作用。雖然空壓機(jī)余熱可回收熱量相對礦區(qū)生產(chǎn)、生活供熱總量較小，但利用空壓機(jī)余熱來制取職工洗浴用熱水，既可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)余熱回收及利用、降低能源消耗，又可以減少污染物的排放，產(chǎn)生較好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會效益[3]。以夏季為例，在自來水溫度為20 ℃的情況下，利用空壓機(jī)余熱制取1 t溫度為50 ℃的洗浴熱水，其系統(tǒng)循環(huán)泵耗電僅為1.86 kW·h。利用1臺軸功率為250 kW的螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的回收余熱量來制取洗浴用熱水，可減少燃煤供熱鍋爐用煤583標(biāo)t/a。

筆者以國能包頭能源有限責(zé)任公司李家壕煤礦(以下簡稱“李家壕煤礦”)空壓機(jī)余熱利用項(xiàng)目為例，通過分析利用空壓機(jī)余熱制取洗浴熱水在實(shí)際工程中的應(yīng)用，以期為空壓機(jī)余熱利用技術(shù)的推廣和工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

李家壕煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)，主要產(chǎn)品為不黏煤和長焰煤，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12 Mt/a。礦區(qū)選煤廠因生產(chǎn)需要使用高壓空氣，因此在空壓機(jī)房安裝了風(fēng)冷螺桿式空壓機(jī)，在供給高壓空氣的同時(shí)還有大量余熱排放至空氣中，造成熱能資源浪費(fèi)。李家壕煤礦采用太陽能熱水器配以輔助電加熱制取洗浴熱水，以解決本礦區(qū)職工洗浴熱水的用熱需求。本工程設(shè)計(jì)改造了空壓機(jī)的潤滑油冷卻系統(tǒng)，并安裝了空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，在空壓機(jī)工作時(shí)回收潤滑油中的熱量制取洗浴熱水，并根據(jù)空壓機(jī)余熱特點(diǎn)，結(jié)合礦區(qū)職工洗浴熱水制熱負(fù)荷的變化規(guī)律，配套設(shè)計(jì)洗浴熱水換熱系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，以保障空壓機(jī)的安全運(yùn)行和穩(wěn)定供熱。

2 空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 余熱資源

李家壕煤礦現(xiàn)有8臺空壓機(jī)，自動循環(huán)投切運(yùn)行，實(shí)時(shí)運(yùn)行情況為2用6備，空壓機(jī)軸功率為250 kW。根據(jù)多項(xiàng)關(guān)于空壓機(jī)工作效率及余熱資源的研究[3-5]，空壓機(jī)軸功率中僅有10%～35%的能量轉(zhuǎn)化為壓縮空氣勢能，而其余能量均以熱量形式進(jìn)入導(dǎo)熱油或其他形式的媒介中，并最終以風(fēng)冷或水冷方式散失，這些能量均可作為余熱資源予以回收。取平均熱能回收比例80%，則可回收余熱達(dá)400 kW。

壓風(fēng)機(jī)可回收余熱總量的計(jì)算見式(1)：

Qy=N×n×k

(1)

式中：Qy——壓風(fēng)機(jī)可回收余熱總量，kW；

N——壓風(fēng)機(jī)單機(jī)軸功率，kW；

n——日常運(yùn)行臺數(shù)，臺；

k——熱回收率， %。

2.2 回收系統(tǒng)參數(shù)

目前設(shè)計(jì)的8 臺空壓機(jī)余熱回收機(jī)組與空壓機(jī)一一對應(yīng)并連鎖運(yùn)行，其中單臺機(jī)組最大回收余熱功率為220 kW；空壓機(jī)油氣分離器潤滑油出油溫度為90 ℃，壓力為0.6 MPa，熱量回收后壓縮機(jī)潤滑油的回油溫度設(shè)為65 ℃?？諌簷C(jī)余熱回收機(jī)組油側(cè)壓力損失不超過 0.05 MPa。

2.3 熱用戶端參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目要求，利用回收的空壓機(jī)余熱每天(按18 h計(jì))制取50 ℃洗浴熱水應(yīng)不少于170 t，同時(shí)作為太陽能熱水制備系統(tǒng)的補(bǔ)充，要求其出水溫度及流量連續(xù)可調(diào)。

根據(jù)實(shí)地溫度測量結(jié)果，李家壕煤礦夏季自來水的平均溫度為24 ℃，冬季自來水的平均溫度為4 ℃，春秋兩季的自來水平均溫度為15 ℃。按照全年洗浴熱水溫度50 ℃、補(bǔ)充自來水溫度15 ℃計(jì)算，回收的余熱資源可制取熱水的量為177.2 t/d。

回收余熱資源制取熱水量的計(jì)算見式(2)：

式中：Qh——回收的余熱資源熱水制取量，t/d；

t——日均運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h/d；

T1——出水溫度, ℃；

T0——回水溫度, ℃。

由此可見，本設(shè)計(jì)參數(shù)可以滿足項(xiàng)目的用水溫度及用量等各項(xiàng)要求。

3 空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目采用的是回收空壓機(jī)潤滑油中的熱量以制取礦區(qū)職工洗浴用熱水，因此需要對每臺空壓機(jī)的潤滑油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持以下原則。

(1)安全穩(wěn)定。保證原有空壓機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)最重要的前提，在設(shè)計(jì)油路系統(tǒng)改造方案時(shí)，既要保證其便于接入熱回收系統(tǒng)，還要把對原有系統(tǒng)的影響降到最??；在設(shè)計(jì)熱水系統(tǒng)時(shí)采用間接換熱，避免因換熱器泄露而造成油路或洗浴熱水污染，從而影響空壓機(jī)的運(yùn)行安全和洗浴熱水的使用安全；在設(shè)備選型選材時(shí)，應(yīng)充分考慮防腐、阻垢等因素，并設(shè)計(jì)足夠冗余度以保證在特殊情況下能將多余的熱量移出，防止出現(xiàn)影響空壓機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況。

(2)靈活高效。保留空壓機(jī)原有風(fēng)冷系統(tǒng)，控制系統(tǒng)能根據(jù)需要，隨時(shí)將余熱回收換熱模式切至原風(fēng)冷換熱系統(tǒng)，從而控制壓縮機(jī)回油溫度恒定；安裝各種計(jì)量設(shè)備，實(shí)時(shí)在線收集回收的熱量、用水量等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)運(yùn)行效果[6-8]，以此作為調(diào)整控制參數(shù)的依據(jù)，使系統(tǒng)保持最優(yōu)運(yùn)行效果。

(3)智能便捷。以空壓機(jī)潤滑油溫度、蓄水箱水位等為關(guān)鍵跟蹤控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)智能化控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，支持多終端操作；實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時(shí)自檢和自動啟?？刂啤㈤]鎖和自動切換(輪換)。

3.2 潤滑油系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

空壓機(jī)潤滑油冷卻系統(tǒng)改造前應(yīng)先切斷電源，待機(jī)組冷卻后從油氣分離器放油口處將機(jī)組內(nèi)潤滑油放出，參照空壓機(jī)的說明書核對油氣管路或咨詢生產(chǎn)廠家技術(shù)人員，確認(rèn)油氣管路和油路的三通溫度調(diào)節(jié)閥的位置，找到三通溫度調(diào)節(jié)閥至油冷卻器的油管，選擇安裝空壓機(jī)油路分油器方式確定系統(tǒng)改造方案。高壓氣管采用的是鋼管，潤滑油路通常采用的是高壓鋼絲膠管或不銹鋼管，改造時(shí)選用空壓機(jī)同種規(guī)格形式的潤滑油管道，額定工作壓力為1.6 MPa，便于安裝操作和后期系統(tǒng)維護(hù)?？諌簷C(jī)油路分離器安裝示意如圖1所示。

圖1 空壓機(jī)油路分離器安裝示意

高壓鋼絲膠管接口一般有2種方式，一為法蘭螺栓連接，二為絲接。當(dāng)空壓機(jī)潤滑油管使用的是高壓鋼絲膠管時(shí)，則采用空壓機(jī)油路分離器外置安裝方式(圖1(a))，油路分油器有3個(gè)閥門和4個(gè)接口，拆下三通溫度調(diào)節(jié)閥至油冷卻器調(diào)節(jié)閥一端的油管，將閥門1進(jìn)口同三通溫度調(diào)節(jié)閥連接，閥門2的出口接到余熱回收機(jī)組的進(jìn)油口，閥門3的進(jìn)口接至余熱回收機(jī)組的出油口，閥門1出口接空壓機(jī)原油冷卻器的油管?；厥湛諌簷C(jī)余熱時(shí)，關(guān)閉閥門1，打開閥門2和閥門3，潤滑油經(jīng)過余熱回收機(jī)組回收余熱后再流回空壓機(jī)原冷卻循環(huán)系統(tǒng)。如余熱回收系統(tǒng)停用，則打開閥門1，關(guān)閉閥門2和閥門3，斷開余熱回收系統(tǒng)，切換回空壓機(jī)原潤滑油冷卻系統(tǒng)。

當(dāng)空壓機(jī)使用鋼制油管時(shí)，則進(jìn)行空壓機(jī)機(jī)殼內(nèi)部油路分油改造，即油路分油器內(nèi)置安裝方式(圖1(b))，根據(jù)空壓機(jī)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，在三通溫度調(diào)節(jié)閥至油冷卻器的油管上便于改造安裝和后期維護(hù)的位置，斷開油管，安裝閥門1，在閥門1兩端開口接入閥門2和閥門3。在空壓機(jī)內(nèi)部改造時(shí)，要對新加入的油路分油器或閥門做好支撐和固定，避免機(jī)器運(yùn)行時(shí)的震動對空壓機(jī)造成損傷，在潤滑油路上加裝的閥門設(shè)計(jì)采用1.6 MPa不銹鋼法蘭球閥，方便安裝和檢修，因?yàn)闈櫥蜐B透性強(qiáng)，采用法蘭螺栓連接，緊固壓力大，便于止漏。

3.3 熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每臺空壓機(jī)設(shè)計(jì)1臺空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，取熱時(shí)將空壓機(jī)油冷卻系統(tǒng)改造后引出的油管接至余熱回收機(jī)組對應(yīng)的油路接口上。供熱側(cè)設(shè)置一次側(cè)循環(huán)泵，通過管道連接空壓機(jī)余熱回收機(jī)組和洗浴熱水換熱器熱媒側(cè)，加注軟化水，構(gòu)成閉式中間循環(huán)系統(tǒng)；設(shè)置二次側(cè)循環(huán)泵，通過管道連接洗浴熱水換熱器供熱側(cè)和蓄熱水箱，組成開放式(常壓)蓄熱系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)變頻給水泵，把蓄熱水箱中的熱水送到職工浴室或其他用水單位?？諌簷C(jī)余熱利用系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)流程

供熱側(cè)每臺空壓機(jī)余熱回收機(jī)組并聯(lián)安裝，進(jìn)出水口安裝電動閥門，閥門的開啟與空壓機(jī)余熱回收機(jī)組工作同步，工作時(shí)打開，停止時(shí)關(guān)閉，避免水路的無效循環(huán)。系統(tǒng)中水泵設(shè)計(jì)均為“一用一備”，便于循環(huán)檢修和故障切換；洗浴熱水換熱器二次側(cè)僅是對自來水進(jìn)行加熱，并不是軟化水，因此需要定期檢修清洗，為保證系統(tǒng)不間斷供熱，也為“一用一備”設(shè)計(jì)，并在備用期間進(jìn)行檢修清洗。

由于洗浴熱水是自來水加熱后供生活熱水使用的，因此洗浴熱水的水質(zhì)也要符合生活用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但我國大部分地區(qū)的水質(zhì)硬度較高，特別是自來水以地下水作為水源時(shí)，水質(zhì)的不穩(wěn)定性易造成設(shè)備管道的腐蝕和結(jié)垢。為防止二次蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的板式熱器和管道內(nèi)結(jié)垢，在水質(zhì)較差地區(qū)，要在給水管道上加裝食品級硅磷晶阻垢劑；在水質(zhì)相對較好的地區(qū)，要加裝電磁類阻垢裝置以減緩設(shè)備管道結(jié)垢，延長保養(yǎng)清洗周期。為防止管道腐蝕，二次蓄熱循環(huán)系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)采用鍍鋅管或PPR熱水管。在空壓機(jī)余熱回收機(jī)組和板式換熱器之間閉式循環(huán)系統(tǒng)的主管道上加裝超聲波熱量計(jì)，計(jì)量系統(tǒng)熱回收量；在自來水補(bǔ)水管上加裝水表，計(jì)量用水量，便于統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)運(yùn)行效果[7-10]?？諌簷C(jī)余熱回收洗浴熱水制取系統(tǒng)總配電功率為53.50 kW，最大運(yùn)行功率和備用功率均為26.75 kW，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)配電負(fù)荷見表1。

表1 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)配電負(fù)荷

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：一是智能化控制，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、多終端操作等；二是空壓機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在洗浴熱水系統(tǒng)的負(fù)荷有波動時(shí)，可保障空壓機(jī)潤滑油回油溫度恒定；三是洗浴熱水供水溫度恒定，不會出現(xiàn)蓄熱水箱因自來水的補(bǔ)充和熱損失造成的洗浴熱水供水溫度變化。

控制系統(tǒng)設(shè)置1套PLC集中控制站，設(shè)置工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，對整個(gè)系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行自動控制。實(shí)現(xiàn)無人值守，遠(yuǎn)程手機(jī)App、小程序、公眾號、PC機(jī)均可監(jiān)控；設(shè)備廠家能夠提供異地調(diào)試、遠(yuǎn)程診斷服務(wù)；整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備可自動順序啟?？刂萍伴]鎖；備用泵的故障自動投切與自動輪換工作功能；實(shí)時(shí)檢測顯示每個(gè)測點(diǎn)參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，故障時(shí)發(fā)出聲光及智能語音報(bào)警；實(shí)時(shí)直觀動態(tài)顯示系統(tǒng)動態(tài)流程圖、設(shè)備工況、工藝及電量參數(shù)等，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、記錄和存儲。現(xiàn)場通過5G無線路由器接入云平臺，然后連通云公網(wǎng)IP接至云服務(wù)器，運(yùn)維中心安裝軟件到對應(yīng)的云服務(wù)器當(dāng)中，在運(yùn)維中心大屏端與VPN網(wǎng)絡(luò)連通，控制室終端也可接入VPN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公司內(nèi)部和項(xiàng)目現(xiàn)場的遠(yuǎn)程控制。根據(jù)項(xiàng)目位置來選擇當(dāng)?shù)匦盘柋容^好的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商，配置5G無線路由器，辦理接入直接配置連通至VPN網(wǎng)絡(luò)。利用云服務(wù)器，采用BGP技術(shù)，上行路由與下行路由選擇最優(yōu)的路徑，實(shí)現(xiàn)高速的單IP高速訪問，還可以冗余備份、消除環(huán)路，具有擴(kuò)展性，在現(xiàn)場和外地任何一個(gè)地方鏈接，不需要另外申請專線，可避免斷電和線路導(dǎo)致的不穩(wěn)定問題。

空壓機(jī)的安全運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重[11-15]?；谙丛崴到y(tǒng)的特點(diǎn)，洗浴熱水負(fù)荷會隨著洗浴熱水用量的變化而波動，當(dāng)出現(xiàn)用水量減少而造成蓄熱水箱熱水儲滿時(shí)，空壓機(jī)余熱無法回收會造成空壓機(jī)潤滑油回油溫度升高，此時(shí)系統(tǒng)會檢測潤滑油的回油溫度，啟動空壓機(jī)原風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行潤滑油再冷卻，以保障空壓機(jī)安全運(yùn)行。每臺空壓機(jī)余熱回收機(jī)組水路換熱系統(tǒng)均配置電動閥門，電動開關(guān)閥的啟停信號取自空壓機(jī)本身，空壓機(jī)的啟動是根據(jù)高壓空氣的壓力自動啟停。當(dāng)空壓機(jī)啟動時(shí)，信號傳輸至控制系統(tǒng)，余熱回收機(jī)組的電動閥門開啟，自來水進(jìn)入余熱回收機(jī)組進(jìn)行換熱；當(dāng)空壓機(jī)關(guān)閉時(shí)，電動閥門也關(guān)閉并切斷水路，余熱回收機(jī)組不進(jìn)行換熱工作。

洗浴熱水系統(tǒng)向用熱單位供水時(shí)，蓄熱水箱液位下降，自來水會跟據(jù)水箱液位控制補(bǔ)水電動閥自動補(bǔ)充進(jìn)來，因?yàn)樽詠硭疁囟容^低會對蓄熱水箱內(nèi)熱水溫度產(chǎn)生影響，因此在水箱內(nèi)根據(jù)液位和水的溫度設(shè)置了聯(lián)動雙控，設(shè)定低液位時(shí)補(bǔ)水、高液位時(shí)停止補(bǔ)水，水溫大于設(shè)定值時(shí)補(bǔ)水、低于設(shè)定值時(shí)停止補(bǔ)水，液位和溫度同時(shí)滿足補(bǔ)水條件時(shí)，才能打開補(bǔ)水電動閥補(bǔ)水。熱水給水采用變頻泵供水，并根據(jù)管道給水壓力自動調(diào)控給水流量。

3.5 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)保證空壓機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用間接換熱、高效蓄熱水箱和空冷系統(tǒng)-余熱回收系統(tǒng)自動切換裝置的設(shè)計(jì)，使余熱系統(tǒng)的運(yùn)行與原有空壓機(jī)系統(tǒng)絕對隔離，余熱回收裝置即使遇到管道破裂、水泵故障等意外情況，也不會影響空壓機(jī)的安全和正常工作。

(2)改善空壓機(jī)油冷系統(tǒng)工作狀態(tài)。螺桿空壓機(jī)的機(jī)油溫度要求為65～95 ℃，最佳溫度是75～85 ℃。本系統(tǒng)根據(jù)空壓機(jī)工作所要求的條件設(shè)計(jì)，采用高溫循環(huán)水泵和水變頻電機(jī)，通過控制水泵的供水量，得以動態(tài)調(diào)節(jié)空壓機(jī)油冷系統(tǒng)的回油溫度，使其在不同季節(jié)、溫度和工況條件下均能維持在最佳工作溫度，以降低空壓機(jī)維修成本，提高使用壽命。

(3)智能控制水平優(yōu)化潛力巨大。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過云平臺接入云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，不但大大提高了現(xiàn)有空壓機(jī)-余熱回收系統(tǒng)無人值守的操作控制水平，也為未來的用戶端需求預(yù)測-空壓機(jī)工況控制-余熱回收裝置調(diào)控的聯(lián)動聯(lián)控水平優(yōu)化，提供了巨大的潛力和可能性。

4 結(jié)語

筆者以李家壕煤礦空壓機(jī)余熱回收利用應(yīng)用工程為例，全面介紹了空壓機(jī)的潤滑油冷卻系統(tǒng)改造、洗浴熱水制取、系統(tǒng)的防腐防垢及智能化控制等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并提出利用空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)制取洗浴熱水，其主要特點(diǎn)是在冷卻空壓機(jī)的同時(shí)回收熱量，獲取免費(fèi)的余熱制取洗浴熱水，以保障空壓機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

煤礦空壓機(jī)余熱利用技術(shù)既是節(jié)能降耗、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段，同時(shí)還符合智慧礦山建設(shè)的要求，可以進(jìn)一步地促進(jìn)煤炭企業(yè)可再生能源的循環(huán)再利用，為煤炭企業(yè)空壓機(jī)余熱利用技術(shù)的推廣和工程設(shè)計(jì)提供參考。