寧建軍

(陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西 興平 713105)

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空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造

寧建軍

(陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西 興平 713105)

介紹了空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)技術(shù)，分析了空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過計算,得出空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，證明了空壓機(jī)余熱回收裝置能達(dá)到余熱利用、節(jié)能環(huán)保的目的。

空壓機(jī);熱回收;回收裝置;節(jié)能；技術(shù)改造

0 引言

空壓機(jī)在運(yùn)行過程中，機(jī)械做功壓縮空氣時會產(chǎn)生大量的熱量，使得機(jī)體發(fā)熱，降低壓縮效率，因而必須通過風(fēng)冷(或水冷)散熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，將熱量排散出去，但空壓機(jī)這種散熱方式會造成熱能的浪費(fèi)和電能損耗。為了節(jié)約能耗，通過對空壓機(jī)油氣余熱回收再利用的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造，把空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱通過熱交換，制取熱水，供應(yīng)淋浴、采暖、鍋爐補(bǔ)水、工業(yè)熱水等，以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。

1 目前現(xiàn)狀

現(xiàn)有7臺壽力噴油螺桿空壓機(jī)，其中4臺LS25-350H(262 kW)，額定排氣量44.6 m3/min；3臺LS32-450H(336 kW)，額定排氣量62.6 m3/min，設(shè)備的加載率在90%以上。這7臺空壓機(jī)工作時產(chǎn)生大量的熱量通過風(fēng)冷冷卻，直接排向大氣中。這樣既對環(huán)境溫度造成影響，又浪費(fèi)產(chǎn)生的熱量。

2 改造內(nèi)容

(1)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)替換原空壓機(jī)散熱系統(tǒng)，安裝空壓機(jī)余熱回收器，與雙螺桿空氣壓縮機(jī)聯(lián)接，回收空壓機(jī)的余熱資源。

(2)采用自動化電氣控制系統(tǒng)，實時顯示系統(tǒng)溫度、壓力、水位等技術(shù)參數(shù)，并通過控制程序?qū)崿F(xiàn)自動化運(yùn)行。

(3)安裝保溫水箱，用于空壓機(jī)回收熱水的蓄能裝置。

(4)采用恒壓供水系統(tǒng)，供給需要的熱水。

(5)在空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)中增加定時自動除垢功能，避免系統(tǒng)管路結(jié)垢，確保換熱效率。

(6)所有熱轉(zhuǎn)換裝置、傳熱系統(tǒng)、蓄熱裝置做保溫措施，有效防止熱量散失。

3 技術(shù)原理

3.1 原空壓機(jī)冷卻原理

噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)在長期連續(xù)運(yùn)行過程中，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣壓能。在空氣壓縮過程中，壓縮空氣體積減小，空氣中的熱能濃縮引起壓縮空氣溫度驟升，同時壓縮機(jī)螺桿的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦熱，這些熱量隨著空壓機(jī)的潤滑油氣混合物排出機(jī)體。這部分高溫油氣流排出的熱量相當(dāng)于空壓機(jī)功率的90%以上，其溫度通常在80～100 ℃之間(冷卻前的排氣溫度)。由于機(jī)器運(yùn)行溫度的控制要求，這些熱量必須通過冷卻系統(tǒng)(風(fēng)冷的方式)排入大氣中。原空壓機(jī)冷卻原理示意圖如圖1所示。

圖1 原空壓機(jī)冷卻原理示意圖

3.2 改造后空壓機(jī)余熱回收原理

空壓機(jī)熱回收就是利用熱能轉(zhuǎn)換原理，將空壓機(jī)散發(fā)的熱量回收轉(zhuǎn)換到水里，水吸收熱量升溫使空壓機(jī)運(yùn)行溫度降低，從而保障了空壓機(jī)能夠高效、正常運(yùn)行。這種余熱回收方法可以利用空壓機(jī)廢熱制成的熱水用于供熱達(dá)到了廢熱回收利用的目的。

空壓機(jī)余熱回收技術(shù)在不消耗額外能源的情況下，將空壓機(jī)的余熱回收利用，不僅能使空壓機(jī)在最佳工況下運(yùn)行提高產(chǎn)氣效率，同時能夠減少原空壓機(jī)散熱系統(tǒng)的能耗，減少原加熱能源的使用量，具有較好的節(jié)能減排效果。

4 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)組成及作用

本系統(tǒng)由空壓機(jī)余熱回收器、供熱系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、保溫水箱等組成。改造后空壓機(jī)余熱回收原理示意圖如圖2所示。

圖2 改造后空壓機(jī)余熱回收原理

(1)空壓機(jī)余熱回收器：采用圓管流道設(shè)計、高效熱導(dǎo)材料、減小空氣阻力等多項新技術(shù)，實現(xiàn)了水或油、水或氣密封隔離，解決了水或油、水或氣可能滲透的技術(shù)難題。

(2)供熱系統(tǒng)：保溫水箱儲水達(dá)到一定量時，當(dāng)需要用熱水時，恒壓供水水泵啟動運(yùn)行，由恒壓供水系統(tǒng)，將熱水加壓后，供淋浴、采暖、鍋爐補(bǔ)水、工業(yè)熱水用。

(3)補(bǔ)水系統(tǒng)：余熱回收器作為一個余熱回收系統(tǒng)，在啟動任意1臺空壓機(jī)時，聯(lián)動電信號傳送到余熱回收器，同時檢測該空壓機(jī)油溫。當(dāng)油溫滿足條件時，同步啟動熱回收補(bǔ)水循環(huán)泵將自來水送進(jìn)相應(yīng)的余熱回收器，進(jìn)行熱交換。

(4)電氣控制系統(tǒng)：空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)配套自動化電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)手動和自動控制方式。電氣控制系統(tǒng)采用可編程控制器(簡稱PLC)為主要控制手段，操作及監(jiān)視功能采用觸控式人機(jī)界面。應(yīng)用動態(tài)組態(tài)軟件，實時顯示系統(tǒng)進(jìn)出水溫度、壓力、熱水流量、空壓機(jī)油溫、水溫、水位等技術(shù)參數(shù)，并通過控制程序?qū)崿F(xiàn)自動化運(yùn)行，不需要人工操作?？諌簷C(jī)余熱回收系統(tǒng)如圖3所示。

(5)保溫水箱：用來儲存空壓機(jī)余熱回收產(chǎn)生的熱水，保溫水箱是以聚氨酯整體發(fā)泡做為芯層，以304不銹鋼板材為內(nèi)層，以普通不銹鋼板材為外層。內(nèi)、外不銹鋼層與芯層進(jìn)行優(yōu)化組合，從而形成了不銹鋼保溫水箱。常溫下24 h內(nèi)使用聚氨酯整體發(fā)泡的不銹鋼保溫水箱降溫在3°以內(nèi)。

圖3 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)

5 余熱回收系統(tǒng)工作原理

改造后，啟動空壓機(jī)時聯(lián)動信號傳送到余熱回收器，同步啟動熱回收循環(huán)泵和余熱回收機(jī)組，通過余熱回收器進(jìn)行高溫潤滑油、壓縮空氣和水的熱交換，把空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱回收后轉(zhuǎn)換為55 ℃熱水輸送到保溫水箱進(jìn)行蓄熱。當(dāng)需要用熱水時，恒壓供水水泵啟動運(yùn)行，供熱系統(tǒng)提供熱水給用戶端。

6 功能特點(diǎn)

(1)采用圓管流道設(shè)計、高效熱導(dǎo)材料、減小空氣阻力等多項新技術(shù)，使空壓機(jī)油氣余熱雙回收和水或油、水或氣密封隔離，解決了水或油、水或氣可能滲透的技術(shù)難題。

(2)空壓機(jī)運(yùn)行時，熱回收設(shè)備回收空壓機(jī)熱能，空壓機(jī)停止時關(guān)閉供水系統(tǒng)，自動停止換熱，實現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)停和換熱系統(tǒng)的聯(lián)動。

(3)提升油溫控制，使空壓機(jī)溫度在80～90 ℃最佳運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行。

(4)余熱回收機(jī)組采用直熱式空壓機(jī)余熱回收裝置。從自來水管網(wǎng)通過循環(huán)水泵引3.5 kg/cm2以上壓力的冷水進(jìn)入空壓機(jī)余熱回收裝置，冷水進(jìn)水直熱到設(shè)定溫度出55 ℃熱水，熱水進(jìn)入儲水箱。系統(tǒng)還配置循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)水箱水滿后，會啟動循環(huán)系統(tǒng)，讓熱水進(jìn)入空壓機(jī)余熱回收器循環(huán)加熱。

(5)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)具有切換裝置。系統(tǒng)維修時，若不使用空壓機(jī)余熱回收裝置時可切換到原有的空壓機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)狀態(tài)，而不至于影響空壓機(jī)的維修使用。

(6)余熱回收系統(tǒng)中有定時自動除垢功能，使空壓機(jī)熱水機(jī)的使用壽命長達(dá)15 a。

(7)熱回收效率高：空壓機(jī)熱回收效率可達(dá)到90%以上，可提高空壓機(jī)的產(chǎn)氣量8%～10%。

7 改造完成后的技術(shù)指標(biāo)

(1)保證空壓機(jī)的運(yùn)行和技術(shù)狀態(tài)不受影響。

(2)改造完成后，空壓機(jī)機(jī)頭運(yùn)行溫度控制在80～90 ℃。

(3) 油路、氣路雙回收，空壓機(jī)熱回收效率大于輸入功率的90%。

(4)熱回收加熱方式為直熱式，即5 ℃冷水經(jīng)熱回收器后一次性加熱到55 ℃以上。

(5)空壓機(jī)在額定工況加載運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，冬季進(jìn)水溫度為5 ℃，出水溫度為55 ℃(溫升50 ℃)，336 kW余熱回收器產(chǎn)水量不小于5.4 t/h，262 kW余熱回收器產(chǎn)水量不小于4.19 t/h；262 kW余熱回收器加熱采暖循環(huán)水時，進(jìn)水溫度40 ℃，出水溫度不小于60 ℃，回收熱量不小于209.6 kW。

(6)壓縮空氣經(jīng)熱回收器后壓降小于等于0.005 MPa，空壓機(jī)熱油經(jīng)熱回收器后回油壓力高于0.35 MPa。

8 改造后節(jié)能量分析

對7臺空壓機(jī)進(jìn)行了余熱回收利用改造，改造后節(jié)能量按照《供暖通風(fēng)設(shè)計手冊》測算如下。

8.1 計算參數(shù)

(1)每小時可回收熱能：

每臺262 kW空壓機(jī)每小時可回收熱量：

Q1=P1Kj

式中：Q1為熱量，kJ；P1為功率，P=262 kW；Kj為功熱換系數(shù)，Kj=3.6×103kJ/h。

經(jīng)計算，Q1=9.432×105kJ/h。

每臺336 kW空壓機(jī)每小時可回收熱能：

Q2=P2Kj

式中：Q2為熱量，kJ；P2為功率，P2=336 kW。

經(jīng)計算，Q2=1.209 6×106kJ/h。

(2)開機(jī)時間：12 h

(3)運(yùn)行臺數(shù)：262 kW空壓機(jī)4臺和336 kW空壓機(jī)3臺。

8.2 每天可回收總熱量計算

Q=Q1t1m1+Q2t2m2

式中：Q為每天可回收總熱量，kJ；t1為226 kW空壓機(jī)開機(jī)時間，t1=12 h；t2為336 kW空壓機(jī)開機(jī)時間，t2=12 h；m1為運(yùn)行226 kW空壓機(jī)的臺數(shù)，m1=4；m2為運(yùn)行336 kW空壓機(jī)的臺數(shù)，m2=3。

經(jīng)計算，Q=8.88 192×107kJ/h

8.3 進(jìn)水溫度5 ℃時每天可產(chǎn)生55 ℃的熱水量

式中：T1為出水溫度，T1=55 ℃；T2為進(jìn)水溫度，T2=5℃；C為水比熱容，C=4.186 8 kJ/(kg·℃)；M為水量，kg。

經(jīng)計算，M=424 282 kg。

8.4 天然氣鍋爐加熱節(jié)能量計算

天然氣鍋爐熱效率、蒸汽管路熱損失、蒸汽加熱效率、水箱熱損失綜合加熱總效率約為60%。

(1)每天節(jié)約天然氣量：

式中：L為天然氣量，m3；η為熱效率，η=60%；q為天然氣熱值，q=35 588 kJ/ m3。

經(jīng)計算，L=4 160 m3。

(2)每年(按300天)節(jié)約天然氣量L′：

L′=300L=1.248×106m3

9 結(jié)語

通過對7臺壽力風(fēng)冷式噴油螺桿空壓機(jī)設(shè)備余熱回收系統(tǒng)改造，提高了空壓機(jī)的工作效率，利用了余熱資源，年節(jié)約天然氣1 248 000 m3，年節(jié)約資金385.632萬元，折合年節(jié)標(biāo)煤1 659.84 t，達(dá)到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本的目的。

[1] 陸耀慶.供暖通風(fēng)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1987.

[2] 劉建民，陳建軍.螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行及維護(hù)技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社,2011.

2015-05-12

寧建軍(1970—)，男，高級工程師，從事電站、電氣系統(tǒng)設(shè)計、節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用設(shè)計。

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