邵振棟

上海煙草集團有限責任公司

0 引言

人類社會的生存離不開能源，社會的發(fā)展與能源息息相關。工業(yè)領域常使用的能源有電能、壓縮空氣、燃煤、燃氣等。壓縮空氣具有安全、調節(jié)性能好、無公害、輸送方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應用。隨著生產經驗的積累和研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)生產壓縮空氣是一種效率低下的方式，而生產壓縮空氣的空壓機，因占有能源消耗全部電力消耗的10%～35%，成為眾多科研工作者和企業(yè)迫切改良的對象。

在《Compressed Air》期刊，美國作者威萊姆弗·麥克雷斯詳細介紹了有關空氣壓縮機余熱回收的相關原理。福魯德埃公司將新型三散熱器型高效風冷熱交換器配置在T05型系列滑片式節(jié)能壓縮機上，這一設計充分利用了余熱資源，降低壓縮機的運轉費用約50%[1]。在土耳其的輕工業(yè)領域，空壓機余熱回收也逐漸加以重視，采用了多種回收方法節(jié)約能源[2]。徐樹風[3]分析了阿特拉斯·科普柯噴油螺桿壓縮機在工作過程中的能量轉換，若按70%計算能量回收率，一臺常規(guī)噴油螺桿壓縮機每小時可回收的能量相當可觀，每天節(jié)省的電費多達1 400元。李勇[4]對夏店礦的風冷式噴油螺桿空壓機系統(tǒng)的管網和裝置進行了部分改造，增加了板式換熱器和水箱等設備，加熱水箱的水所需熱量由空壓機潤滑油提供，從而節(jié)約了煤炭資源。通過對5臺SA-250A-6K型空壓機進行改造，配備2套余熱利用系統(tǒng)，使用空壓機余熱回收系統(tǒng)可減少3個鍋爐操作工，節(jié)約薪金支出12．66萬元，每年可節(jié)省燃煤消耗124t，按每t標準煤價格940元計算，共節(jié)約燃料費11．656萬元，合計節(jié)約24．316萬元。同時減輕了燃煤引起的有害氣體的排放和空壓機的熱源污染。上海氯堿化工有限公司的陳勇[5]對一臺英格索蘭C135MX3離心式壓縮機進行了系統(tǒng)改造，利用壓縮機的排氣熱量用于加熱工人生活淋浴用水；同時加裝傳感器對冷卻水循環(huán)進行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，經過改造，每天可節(jié)約標準煤1．39t。

空壓機的余熱可通過各種熱利用裝置和設備回收利用，回收的熱量可以被應用于生活、生產、采暖等場所，既能節(jié)能又可減少污染物的排放。

1 螺桿空壓機余熱回收的理論可行性

空氣的熱力學參數會在空氣壓縮過程中發(fā)生變化，如圖1所示。理論上存在兩種極限壓縮過程：一種過程進行的速度極快，氣體與外界的換熱忽略不計，即1－2S過程，該壓縮過程可視為絕熱過程；另一種即1－2T定溫壓縮過程。在實際的空氣壓縮過程是介于兩種極限過程之間的多變過程[6,7]，即圖中的的1－2n過程，既有熱量傳出，空氣溫度也會上升。

圖1 空氣壓縮過程的T-S圖

如果把空氣作為理想氣體[8]，這時，我們認為其比熱是定值，可以得到幾種狀態(tài)下理論耗功：

可逆絕熱壓縮

可逆定溫壓縮

可逆多變壓縮

根據上述各式：

若要求壓縮空氣品質相同，則絕熱壓縮、多變壓縮、定溫壓縮分別使壓縮功耗由多到少。需要指出的是，多變指數n變大，多變過程的功耗也會增多。與此同時，絕熱壓縮后，壓縮空氣溫度常常躍升，氣體的比體積較大，給空壓機的正常運轉帶來隱患。通過分析可知，當下諸多研究都側重于降低生產過程中的多變指數n，使壓縮過程與定溫過程更接近。

熱力學第一定律指出，定溫壓縮過程中消耗的壓縮功全部轉變?yōu)榉艧崃?。即?/p>

因此，理想氣體的熱力學能和焓都隨溫度變化。

在實際工作過程中，空氣壓氣機消耗電能，壓縮空氣，但大部分電能轉變成熱量（多達70%，甚至更高）后，大部分被壓縮后的油氣混合物帶走。如圖2所示，電動機全功率輸入，回收難度較大，有熱輻射損失熱量、壓縮氣體帶走熱量以及電機帶走熱量，但這些占比較少，剩余能量（約占總功率的85%）均可通過設置一定的裝置進行回收。

實際生產中，通過大量數據對比，可以得知初期設備投資和維護費用僅占總費用的20%～30%，而電費則高達70%～80%，即空壓機的后期運行費用中75%×85%=63．75%，超過60%被浪費。因此，關注空壓機余熱回收的節(jié)能十分必要。

圖2 壓縮機能量轉換分布圖

2 噴油螺桿空壓機的回收余熱裝置

2.1 噴油螺桿空壓機工作原理

噴油螺桿式空壓機有以下部件組成，分別是電動機、聯(lián)軸器、壓縮機、進氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等。按油泵配置，噴油螺桿式壓縮機的油路系統(tǒng)可分為無油泵系統(tǒng)、帶油泵系統(tǒng)和聯(lián)合系統(tǒng)。在無油泵系統(tǒng)中，潤滑油通過壓縮機排氣壓力和噴油口處的壓力差實現(xiàn)自動循環(huán)流動。該系統(tǒng)需要的構建數量較少，可長時間穩(wěn)定運行，目前在噴油螺桿式空壓機中廣泛應用，其工作原理見圖3。

圖3 噴油螺桿空壓機系統(tǒng)流程圖

潤滑油從壓縮室吸收壓縮氣體的熱量后，溫度升高，經油氣罐，通過熱控閥，在油冷卻器冷卻，經油過濾器去除雜質顆粒后分為兩路：大部分潤滑油由機體下端進入壓縮室。該部分潤滑油連通至吸氣口與過濾后的空氣一同進入壓縮室，參與壓縮過程。隨后混有潤滑油的壓縮空氣首先通入油氣罐，絕大部分的油在油氣桶內直接沉降于底部分離出來，進入冷卻系統(tǒng)降溫，以備再次循環(huán)。另一部分注入機體前后端潤滑軸承組。

2.2 噴油空壓機余熱利用原理及影響因素

圖4為噴油螺桿空壓機余熱回收流程。由圖4可見，潤滑油和空氣在壓縮室內被壓縮，隨后產生高溫高壓油氣混合物，混合物進入油氣罐中被分離。通過對油氣罐出油管路進行改造，將高溫油引入油余熱回收系統(tǒng)，將壓縮空氣引入高效壓縮空氣余熱回收器，由加壓水泵將冷水泵入余熱回收系統(tǒng)，先與壓縮空氣進行換熱，提高冷水溫度，然后泵入到油余熱回收系統(tǒng)中再次進行熱交換，二次換熱后的熱水已達到生活用水所需的溫度，可以作用于生活熱水空調采暖、鍋爐進水預熱、工藝用熱水等。

圖4 噴油螺桿式空壓機余熱回收流程

噴油螺桿式空壓機余熱利用效率的高低，其主要的影響因素有：壓縮空氣的排氣溫度、進入壓縮室的噴油溫度和噴油量等。

噴油螺桿式空壓機允許的排氣溫度較高時，所需的冷卻用油量較少，油冷卻器容量可小一些。但考慮到潤滑油在高溫下的不利影響，噴油螺桿式空壓機設定的最高排氣溫度一般不高于100℃。噴油螺桿式空壓機的排氣溫度同樣不能太低，以防止出現(xiàn)冷凝水，造成潤滑油的油質惡化降低軸承壽命。

通常情況下，采用熱控閥控制噴油溫度以保證機頭排氣溫度高于壓力露點。剛開機時熱控閥支路開啟，主回路關閉，此時油溫較低，潤滑油不經冷卻器直接噴入機頭。隨著機器的運轉，潤滑油溫度升高后熱控閥開始閉合。潤滑油分為兩路分別從冷卻器和支路流過，當油溫超過70℃之后，熱控閥徹底關閉，潤滑油全部通過冷卻器冷卻降溫后再噴入機頭。

因噴油量的影響，其潤滑油對螺桿式空氣壓縮機的正?？煽窟\轉起著舉足輕重的作用。它在主副轉子之間形成油膜，使主轉子直接驅動副轉子旋轉，無需使用昂貴的高精度同步齒輪，簡化了復雜的機械結構。潤滑油與空氣直接接觸可帶走大量的壓縮熱，起到良好的降溫作用。噴入空壓機的潤滑油主要有潤滑、冷卻、密封和降噪四個功能。

2.3 水冷余熱利用系統(tǒng)

水冷余熱利用系統(tǒng)是將空壓機的余熱以水為載體，送至用熱的場所。這種余熱利用系統(tǒng)水溫和潤滑油溫度易控制，可使空壓機運行溫度控制在85℃以內，減少空壓機原有冷卻設備的運行時間?？諌簷C額定的每分鐘產氣量是在80℃的溫度下測量定準的，實際工況下，空壓機不可能保持在80℃的穩(wěn)定標準狀態(tài)下工作，產氣量也會隨著運行溫度的變化而改變。即：空壓機運行溫度每上升1℃，壓縮空氣產量就降低0．5%。采用風冷散熱的空壓機一般運行溫度為88℃～96℃，其產氣量下降幅度達4%～8%，夏天情況更為嚴重。在空壓機組上加裝水冷余熱利用系統(tǒng)后，能將其運行溫度控制在80℃～85℃之間，提高壓縮空氣產量8%～10%，大大提升空壓機的運行效率。空壓機在80℃～85℃之間運行，可防止機油乳化、減少積碳發(fā)生，延長機油、機油隔、油氣分離器等部件的更換和清洗周期。與系統(tǒng)改造前比較，可延長耗材的使用周期35%左右。此系統(tǒng)制取的熱水應用形式多樣，目前工程中大多采用此系統(tǒng)。按是否新增換熱設備，水冷余熱利用系統(tǒng)可分為水冷直接式余熱利用系統(tǒng)和水冷間接式余熱利用系統(tǒng)。

1）水冷直接式余熱利用系統(tǒng)

空壓機水冷直接式余熱利用系統(tǒng)將水冷空壓機的冷卻水直接送至用熱設備，冷卻水水質較差，一般僅用于低溫熱水采暖系統(tǒng)。受空壓機原有冷卻器性能的制約，冷卻水進口溫度應低于33℃，出水溫度應低于40℃。當冷卻水出水溫度高于40℃，對空壓機的正常工作會造成較大的隱患，甚至會發(fā)生故障停機。但采暖系統(tǒng)末端設備要求進水溫度不能太低，否則會使末端設備過于龐大，增加初投資，同時也會影響采暖效果。因此，要同時保證空壓機在冬季安全運行和室內采暖溫度合格，需要對空壓機的出水溫度進行嚴格控制。

以圖5所示水冷直接式空壓機余熱利用系統(tǒng)為例，在夏季，關閉采暖系統(tǒng)支路，通過空壓機原有的冷卻系統(tǒng)冷卻設備運行產生的熱量。在冬季，啟用采暖系統(tǒng)支路，空壓機運行產生的高溫冷卻水一部分通過原有冷卻系統(tǒng)冷卻，一部分進入采暖系統(tǒng)。

圖5 水冷直接式空壓機余熱利用系統(tǒng)圖

根據空壓機的回水溫度調節(jié)三通閥E的開度，當回水溫度過高時提高原冷卻系統(tǒng)D支路的流量，降低采暖系統(tǒng)C支路的流量；水溫過低時降低原冷卻系統(tǒng)D支路的流量，提高采暖系統(tǒng)C支路的流量；始終控制空壓機的回水溫度在允許范圍內。

空壓機的出水溫度通過冷卻水泵的變頻控制。水溫過高時，B點的水溫控制器與冷卻水泵連鎖，將水泵變頻至大流量狀態(tài)，流速增加，使水溫降低；水溫過低時，B點的水溫控制器與冷卻水泵連鎖，將水泵變頻至小流量狀態(tài)，流速減少，使水溫升高。

此系統(tǒng)空壓機的冷卻水直接引入供熱系統(tǒng)，參與全部冷卻及供暖循環(huán)，水質較差并易受污染，因此實際生產中較少使用此方法。

2）水冷間接式余熱利用系統(tǒng)

空壓機水冷間接式余熱利用系統(tǒng)是通過在空壓機原有的冷卻回路中增加換熱器、水泵、溫控閥等設備和控制系統(tǒng)，將高溫的潤滑油管路和壓縮空氣管路接入換熱器，利用水與空壓機的高溫油氣換熱來實現(xiàn)余熱利用，同時通過控制系統(tǒng)保證空壓機正常工作。由于采用換熱器進行換熱，不再受空壓機原有冷卻器的性能制約，換熱器的進水溫度可以很低，一般可以直接利用自然水源；供水溫度可以很高，一般可以達到55℃以上，使余熱可以作為更廣泛的熱源應用。此類余熱利用系統(tǒng)應用前景更為廣闊。

以圖6所示空壓機余熱利用系統(tǒng)為例，空壓機運行時，如果潤滑油回油溫度高于設定溫度時，通過溫控三通閥關閉原冷卻系統(tǒng)油路1，開啟油路2，用水泵將水箱中的低溫冷卻水抽入換熱器中，與高溫潤滑油進行熱量交換。當水溫上升到預定的上限后，換熱器無法再對潤滑油進行充分的冷卻。此時，通過溫控三通閥開啟油路1，關閉油路2，空壓機原冷卻系統(tǒng)開始工作，保證系統(tǒng)在安全溫度下運行。

圖6 水冷間接式空壓機余熱利用系統(tǒng)

2.4 風冷余熱利用系統(tǒng)

空壓機的風冷冷卻系統(tǒng)主要包括空壓機內置油冷卻器、氣冷卻器及排風扇換熱器。從空壓機排出的冷卻熱風直接用于冬季采暖或工藝用熱。空壓機冷卻采用冷卻空氣強制對流的方式，冷卻空氣排風溫度一般高于進風溫度10℃～15℃。設計空氣壓縮機站時，冷卻后的熱風通常直接通過風管排放到室外。最常用的余熱直接利用方式是將熱風集中回收后經風管送至需加熱的場所，如廠區(qū)車間等。

熱風用于車間的冬季輔助加熱。如圖7所示。在車間無采暖設施、但冬季氣溫又較低的中東部地區(qū)，為提高室溫、提高工作環(huán)境的舒適度，通過排風管道，從空壓機排放的冷卻熱空氣直接連接到車間，用于車間的輔助加熱取暖。在冬季，調整入口出口，對車間進行補充加熱，其中空壓機站冷卻進風來自廠房內，熱排風排至車間；在夏季，當車間不需要額外熱量時，調節(jié)進氣口讓冷卻空氣來自外部，同時，調節(jié)排風口，冷卻熱空氣排放到室外，保證空氣壓縮機的正常運行。該余熱利用系統(tǒng)設計簡單、投資少，僅需常用的施工建材即可完成，但由于系統(tǒng)簡單，所以受制于季節(jié)變化，應用范圍有限。

圖7 風冷式空壓機余熱回收利用

熱風用于特殊房間的工藝加熱：在工廠的車間，將空壓機冷卻熱風經保溫風管接至工作時間和空壓機運行時間同步的常年用熱的場所，如烘干房、烤漆房等。這種余熱利用系統(tǒng)不受季節(jié)因素的影響，設計簡便。然而，當用熱地點相對較遠時，為確保冷卻熱風的足夠溫度，需要增加送風裝置，也需要對排風管進行嚴格的隔熱保溫處理。

3 空壓機余熱回收節(jié)能效益分析

以某廠回收空壓機余熱用于工業(yè)用溫水提供低溫熱源的方案為例，空壓機余熱回收的節(jié)能效益是雙重的：一方面空壓機的余熱替代了大部分蒸汽對純水原水進行加熱，大幅減少了純水加熱的過程中蒸汽使用量；另一方面使用純水原水直接冷卻空壓機，可以減少制冷機組的冷負荷、減少制冷站的能耗。節(jié)約能耗的具體數量可通過以下方式計算：

首先，計算用空壓機余熱代替蒸汽給純水加熱所節(jié)約的蒸汽量：

1t水升高1℃需要的熱量為：

Q=4.19k J/k g×1000k g=4190k J

式中，

Q——物體吸收的熱量（kJ）；

m——物體的質量（kg）；

c——物體的質量熱熔（kJ/kg·K）；水的比熱容為4．19 kJ/kg·K

每t 0．3MPa(133．5℃)的蒸汽可以產生的熱量Q1為：

式中，

Q顯——蒸汽由于溫度變化產生的熱量（kJ）

Q潛——水的汽化熱=2 260 kJ/kg

c—— 物體的質量熱熔（kJ/kg·K）；蒸汽的比熱為2．1 kJ/kg·K

由以上計算可以得出1t水升高1℃需要的蒸汽量為：

Q/Q1=4190kJ÷2330350kJ/t=1．879kg

此外，節(jié)約蒸汽的同時也減少了制冷站的能耗，之前的計算可以得出1t水升高1℃產生了4 190kJ的熱量，即為1kcal，如果這些熱量未被熱回收系統(tǒng)利用，為了保障空壓機設備的正常運行，則這些熱量需要被冷機帶走，冷機需要的耗電量可以通過如下的計算獲得：

已知，1千卡/小時（kcal/h）=1．163瓦（w），以1匹（735．5W）的制冷量 2．5kW來計算，1kCal需要1．163/2500匹花費一小時帶走。則帶走1kCal熱量所用的冷機耗電量為：

1．163÷2500w×735．5w×1h=0．3422kWh。

以工廠2015年能耗使用數據為例計算，如進行節(jié)能改造后可以節(jié)約能耗。表1為全年用水量和水溫。

由水溫數據可以看出，若只對水溫低于19℃時進行加熱到22℃，5月-10月不必啟動余熱回收系統(tǒng)，其他月份節(jié)能的效果見表2。

表1 全年用水量和水溫

表2 各月份用水量及節(jié)能效果

4 結論

噴油螺桿空壓機的幾種典型余熱回收系統(tǒng)，包括水冷直接、水冷間接式及風冷余熱利用系統(tǒng)，在實際運營中通過余熱利用途徑降低能源費用的同時，可減少環(huán)境污染，達到節(jié)能目的。

工業(yè)用溫水的低溫熱源由空壓機回收的余熱來提供，在解決了空壓機冷卻能耗高的同時，對廢熱充分利用，節(jié)約了一次能源，可以應用到大部分工廠。在不增加企業(yè)用于改造費用的前提下采用合同能源管理模式進行改造，一次投資、長期收益，對減少工廠的碳排放有積極的應用價值，對空壓機余熱回收具有廣闊的市場空間和推廣價值。

黃浦區(qū)出臺上海首部區(qū)級層面“重點用能單位節(jié)能管理辦法”

近日，黃浦區(qū)為加強重點用能單位的節(jié)能管理，提高能源利用效率，控制能源消費總量，促進生態(tài)文明建設，出臺了《黃浦區(qū)重點用能單位節(jié)能管理辦法》。

《黃浦區(qū)重點用能單位節(jié)能管理辦法》（以下簡稱“管理辦法”）包括總則、評價考核、管理措施、獎懲措施、附則等五個部分共三十二條。“管理辦法”明確了重點用能單位的范圍和基本義務，以及各相關部門的職責分工?！肮芾磙k法”要求重點用能單位建立節(jié)能目標責任制、能源管理體系，加強能源計量和能源統(tǒng)計、配套節(jié)能專項資金，并開展能力建設、淘汰落后產能、落實固定資產投資節(jié)能審查、開展對標達標等?！肮芾磙k法”并提出了對考核結果優(yōu)秀的重點用能單位或個人給予表彰和獎勵等獎懲措施。