楊 允，向艷蕾

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300467)

0 引 言

空壓機(jī)是煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，為生產(chǎn)提供空氣動(dòng)力，為瓦斯突出礦井的壓風(fēng)自救系統(tǒng)供氣，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。研究表明，空壓機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，大量的電能被轉(zhuǎn)化成熱能后以風(fēng)冷或水冷的形式排放到大氣中，導(dǎo)致大量能源被浪費(fèi)的同時(shí)還加重了溫室效應(yīng)[1-4]。合理回收利用空壓機(jī)余熱是煤礦節(jié)能減排的有效方式。

目前，諸多學(xué)者已開展了空壓機(jī)余熱利用技術(shù)的研究[5-9]。但研究存在以下三個(gè)問(wèn)題:① 未充分研究空壓機(jī)工作過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化-傳遞機(jī)理，對(duì)空壓機(jī)熱回收原理不清楚，往往導(dǎo)致熱回收機(jī)組選型不合適，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性；② 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，余熱利用方式單一，未考慮建筑采暖、吊籃衣物烘干等其它用熱需求，補(bǔ)充、保障熱源也只是簡(jiǎn)單考慮傳統(tǒng)鍋爐技術(shù)；③ 系統(tǒng)優(yōu)化配置和運(yùn)行研究較少，導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排等優(yōu)勢(shì)沒(méi)有充分發(fā)揮，而實(shí)際上，能源系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮必須建立在合理優(yōu)化配置和運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，也就是在項(xiàng)目實(shí)施前，合理確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與形式，優(yōu)化選擇主要設(shè)備的容量、臺(tái)數(shù)、運(yùn)行規(guī)律[10-14]。

筆者建立了空壓機(jī)工作過(guò)程能量轉(zhuǎn)化-傳遞模型，深入研究了空壓機(jī)余熱利用原理，提出了一種可滿足洗浴水制取、建筑采暖、吊籃衣物烘干等多種用熱需求的空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)，并利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法構(gòu)建了系統(tǒng)優(yōu)化配置和運(yùn)行模型。以山西省晉城市某煤礦為對(duì)象，開展了案例應(yīng)用研究，并從經(jīng)濟(jì)、能源利用、環(huán)境影響等角度與傳統(tǒng)燃煤鍋爐技術(shù)進(jìn)行了比較。

1 空壓機(jī)余熱回收原理

空壓機(jī)種類很多，其中水冷噴油螺桿空壓機(jī)在煤礦應(yīng)用最為廣泛。噴油螺桿空壓機(jī)主要由空氣濾清器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)體、油氣分離器、溫控器、油過(guò)濾器、油冷卻器、空氣冷卻器等部分組成?？諌簷C(jī)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生由潤(rùn)滑油和壓縮空氣組成的高溫高壓油氣混合物。油氣混合物溫度通常在80 ℃～100 ℃之間，如果熱量不及時(shí)排走，潤(rùn)滑油會(huì)受熱乳化失去潤(rùn)滑作用，造成空壓機(jī)內(nèi)部溫度急劇升高而停機(jī)，更嚴(yán)重時(shí)潤(rùn)滑油會(huì)碳化，導(dǎo)致陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子無(wú)法被潤(rùn)滑而磨損。油氣混合物從機(jī)體內(nèi)流出后經(jīng)止回閥進(jìn)入到油氣分離器筒內(nèi)進(jìn)行油、氣分離。分離出的潤(rùn)滑油進(jìn)入油冷卻器內(nèi)冷卻，將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水，最后通過(guò)冷卻塔散發(fā)到大氣中。冷卻后的潤(rùn)滑油進(jìn)入油過(guò)濾器過(guò)濾后，再回到機(jī)體內(nèi)被循環(huán)使用。當(dāng)油氣分離器內(nèi)的空氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力維持閥開啟，壓縮空氣進(jìn)入空氣冷卻器冷卻。冷卻后的壓縮空氣經(jīng)冷凝液分離器分離后，再經(jīng)排氣裝置排出，最后通過(guò)管道送入井下使用。

1.1 空壓機(jī)工作過(guò)程能量轉(zhuǎn)化-傳遞模型

除機(jī)械摩擦損耗外，電動(dòng)機(jī)所耗電能全部轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械能(也叫軸功)，即：

W=Ws+Qds

(1)

其中，W為電動(dòng)機(jī)的功率，kW；Ws為實(shí)際壓縮過(guò)程所需軸功，kW；Qds為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損耗熱量，kW。

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損失用機(jī)械效率來(lái)表征，即:

Qds=W(1-ηD)

(2)

其中，ηD為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率。

在理論壓縮過(guò)程中，壓縮所耗軸功一部分用于增加氣體的焓，一部分轉(zhuǎn)化為熱能向外界放出。鑒于吸氣口和排氣口高度差與空氣流速差均很小，忽略空氣重力位能和宏觀動(dòng)能的變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律，理論壓縮過(guò)程軸功為[15]:

W′s=m(h2-h1)+Qs=0.287

(3)

其中，W′s為理論壓縮過(guò)程所需軸功，kW；m為空氣質(zhì)量流量，kg/s；h2為壓縮過(guò)程終了空氣的焓，kJ/kg；h1為壓縮過(guò)程初始空氣的焓，kJ/kg；Qs為壓縮過(guò)程向外界放出的熱能，kW；0.287為空氣的氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；n為多變指數(shù)；T1為壓縮過(guò)程初始空壓的溫度，K；T2為壓縮過(guò)程終了空氣的溫度，K。

在實(shí)際運(yùn)行中，為減少軸功并增加運(yùn)行可靠性，壓縮過(guò)程都盡可能采用冷卻措施，力求接近定溫壓縮。但由于擾動(dòng)、摩擦等不可逆因素的存在，實(shí)際壓縮過(guò)程比理論壓縮過(guò)程所需軸功要多[15]，即:

Ws=W′s/ηT

(4)

其中，ηT為空壓機(jī)的定溫效率。

空壓機(jī)軸功有4個(gè)去向:① 設(shè)備外表面散熱量；② 空氣冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量；③ 空氣自身帶出的熱量；④ 油冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量，即:

Ws=Qbs+Qks+Qkq+Qys

(5)

其中，Qbs為設(shè)備外表面散熱量，kW；Qks為空氣冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量，kW；Qkq為空氣自身帶出的熱量，kW；Qys為油冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量，kW。

設(shè)備外表面散熱主要包括機(jī)體、油氣分離器及其管路、油冷卻器、空氣冷卻器等四大部件外表面的散熱，即:

Qbs=Qjt+Qyt+Qyl+Qkl

(6)

其中，Qjt為機(jī)體外表面散熱量，kW；Qyt為油氣分離器及其管路外表面散熱量，kW；Qyl為油冷卻器外表面散熱量，kW；Qkl為空氣冷卻器外表面散熱量，kW。

部件外表散熱屬于傳熱過(guò)程，散熱量可根據(jù)傳熱方程確定[16]，即:

Q=kAΔT

(7)

其中，Q為部件外表面散熱量，kW；k為部件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kW/(m2·K)；A為部件外表面散熱面積，m2；ΔT為部件外表內(nèi)外兩側(cè)冷熱流體平均溫差，K。

空壓機(jī)工作過(guò)程實(shí)際吸入的空氣均含有水蒸氣，即為濕空氣。除空氣冷卻器外，其它部件內(nèi)水蒸氣冷凝量均可忽略不計(jì)。對(duì)空氣冷卻器應(yīng)用能量守恒定律，有:

ma(hB-hC)=Qkl+Qks+Qln

(8)

其中，ma為濕空氣中干空氣質(zhì)量流量，kg干空氣/s；hB為空氣冷卻器入口(圖1所示B點(diǎn))濕空氣的焓，kJ/kg干空氣；hC為空氣冷卻器出口(圖1所示C點(diǎn))濕空氣的焓，kJ/kg干空氣；Qln為在空氣冷卻器內(nèi)濕空氣中水蒸氣冷凝放出的熱量，kW。

圖1 噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收工作流程圖[18]Fig.1 Flow chart of waste heat recovery of oil injection screw air compressor

濕空氣的焓為干空氣焓和水蒸氣焓的總和[17]，即:

h=1.01T+d(2 501+1.85T)

(9)

其中，h為濕空氣的焓，kJ/kg干空氣；1.01為干空氣的平均定壓比熱，kJ/(kg干空氣·K)；T為濕空氣的溫度，K；d為濕空氣的含濕量，kg水蒸氣/kg干空氣；2 501為0 ℃水的汽化潛熱，kJ/kg水蒸氣；1.85為水蒸氣的平均定壓比熱，kJ/(kg水蒸氣·K)。

濕空氣的含濕量為[16]:

d=0.622φps/(p-φps)

(10)

其中，φ為濕空氣的相對(duì)濕度，%；ps為水蒸氣的飽和分壓力，Pa；p為濕空氣的絕對(duì)壓力，Pa。

空氣冷卻器內(nèi)濕空氣溫度一般在40 ℃～80 ℃之間，水蒸氣冷凝放出的熱量為:

Qln=ma(dB-dC)γ

(11)

其中，dB為空氣冷卻器入口濕空氣的含濕量，kg水蒸氣/kg干空氣；dC為空氣冷卻器出口濕空氣的含濕量，kg水蒸氣/kg干空氣；γ為飽和水的汽化潛熱，40 ℃時(shí)為2 407，80 ℃為2 309，kJ/kg水蒸氣。

由式(8)可得出空氣冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量為:

Qks=ma(hB-hC)-Qbs,kl-Qln

(12)

空氣自身帶出的熱量為圖1所示C點(diǎn)相對(duì)A點(diǎn)增加的顯熱量，即:

Qkq=ma[1.01(TC-TA)+1.85dC(TC-TA)]

(13)

其中，TC為C點(diǎn)濕空氣溫度，K；TA為A點(diǎn)濕空氣溫度，K。

由式(1)和式(5)可得出油冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量為:

Qys=W-Qds-Qbs-Qks-Qkq

(14)

1.2 空壓機(jī)余熱回收方式

空壓機(jī)可回收利用的熱量包括三部分:空氣冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量、油冷卻器內(nèi)被循環(huán)冷卻水帶走的熱量和空氣冷卻器內(nèi)濕空氣中水蒸氣冷凝放出的熱量，即:

Qhs=Qks+Qys+Qln

(15)

其中，Qhs為空壓機(jī)可回收利用的總熱量，kW。

以山西省晉城市某煤礦水冷噴油螺桿空壓機(jī)為例進(jìn)行熱量計(jì)算，該空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率為375 kW，其它參數(shù)見表1。

表1 山西省晉城市某煤礦水冷噴油螺桿空壓機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of water-cooled oil injection screw air compressor in a coal mine in Jincheng,Shanxi Province

工作過(guò)程熱量計(jì)算結(jié)果見表2?？煽闯?可回收利用總熱量為337.2 kW，占電動(dòng)機(jī)功率的89.9%；在三種可回收利用的熱量中，油冷卻器內(nèi)高溫潤(rùn)滑油冷卻散出的熱量占比最高，占可回收利用總熱量的82.3%。因此，在油氣分離器后加裝熱回收機(jī)組，回收高溫潤(rùn)滑油中的熱量用于加熱循環(huán)水是最有效的熱回收方法，其工作流程如圖1所示。

表2 山西晉城某煤礦水冷噴油螺桿空壓機(jī)熱量計(jì)算結(jié)果Table 2 Thermal calculation results of a water-cooled oil injection screw air compressor in a coal mine in Jincheng,Shanxi Province

為提高安全系數(shù)，將熱回收機(jī)組與原冷卻系統(tǒng)串聯(lián)。潤(rùn)滑油在熱回收機(jī)組內(nèi)冷卻降溫后進(jìn)入溫控器利用感溫元件檢測(cè)油溫，如果油溫高于設(shè)定值，潤(rùn)滑油應(yīng)先進(jìn)入油冷卻器進(jìn)一步冷卻降溫，然后再進(jìn)入油過(guò)濾器經(jīng)過(guò)濾后再通往機(jī)體；如果油溫低于設(shè)定值，潤(rùn)滑油無(wú)需進(jìn)一步冷卻，直接進(jìn)入油過(guò)濾器經(jīng)過(guò)濾后通往機(jī)體。

2 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)

考慮煤礦洗浴水制取、建筑采暖、吊籃衣物烘干等用熱需求，提出一種空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)，流程如圖2所示。

圖2 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of air compressor waste heat comprehensive utilization system

該系統(tǒng)主要由熱回收機(jī)組、空氣源熱泵、高效防垢換熱器和新風(fēng)機(jī)組構(gòu)成[19]。利用熱回收機(jī)組回收空壓機(jī)潤(rùn)滑油熱量來(lái)制取45 ℃～60 ℃軟化循環(huán)水，一部分通入高效防垢換熱器加熱自來(lái)水，制取40 ℃～45 ℃自來(lái)水供職工洗??；一部分通入新風(fēng)機(jī)組加熱新風(fēng)，制取40 ℃左右新風(fēng)，利用風(fēng)道通入吊籃區(qū)域來(lái)烘干職工衣物；剩余部分作為采暖水用于建筑采暖?？諝庠礋岜靡噪姙轵?qū)動(dòng)能源，以大氣作為低溫?zé)嵩粗迫?5 ℃～60 ℃軟化循環(huán)水，用作補(bǔ)充、備用熱源。

3 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)優(yōu)化配置運(yùn)行

3.1 設(shè)計(jì)熱負(fù)荷

建筑采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的計(jì)算公式見式(16)。

Qcn=Sq×10-3

(16)

其中，Qcn為建筑采暖熱負(fù)荷，kW，在沒(méi)有建筑采暖熱負(fù)荷的時(shí)段此值為0；S為采暖建筑物的建筑面積，m2；q為建筑采暖熱指標(biāo)，W/m2。

洗浴水設(shè)計(jì)熱負(fù)荷如下:

Qxy=cxsmxs(Tsh-Tsq)

(17)

其中，Qxy為洗浴水熱負(fù)荷，kW，在沒(méi)有洗浴水熱負(fù)荷的時(shí)段此值為0；cxs為自來(lái)水定壓比熱容，取4.186kJ/(kg· ℃)；mxs為洗浴水用量，kg/s；Tsh為洗浴水供水溫度， ℃；Tsq為自來(lái)水加熱前的溫度， ℃。

吊籃衣物烘干設(shè)計(jì)熱負(fù)荷如下:

Qhg=cxfρxfVxf(Txh-Txq)

(18)

其中，Qhg為衣物烘干熱負(fù)荷，kW，在沒(méi)有衣物烘干熱負(fù)荷的時(shí)段此值為0；cxf為新風(fēng)定壓比熱容，取1kJ/(kg· ℃)；ρxf為新風(fēng)密度，按新風(fēng)加熱前后平均溫度對(duì)應(yīng)的密度取，kg/m3；Vxf為新風(fēng)體積流量，m3/s，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)每個(gè)吊籃需3.5 m3/h新風(fēng)量；Txh為新風(fēng)加熱后的溫度， ℃；Txq為新風(fēng)加熱前的溫度， ℃。

3.2 優(yōu)化配置和運(yùn)行模型

3.2.1目標(biāo)函數(shù)

從經(jīng)濟(jì)最優(yōu)角度，以年總費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)。總費(fèi)用包括電費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、初投資年等值費(fèi)(初投資包含設(shè)備費(fèi)和工程費(fèi))、人工費(fèi)，即:

(19)

其中，Z為系統(tǒng)年總費(fèi)用，元/a，連續(xù)變量；i為主要設(shè)備種類，系統(tǒng)中共有I(I= 4)種主要設(shè)備，包括空氣源熱泵KR、新風(fēng)機(jī)組XF、熱回收機(jī)組RH、高效防垢換熱器BH，其它設(shè)備均被定義為輔助設(shè)備；k為時(shí)段，全年總共劃分為K個(gè)時(shí)段；φ為電價(jià)，元/kWh；D為每個(gè)時(shí)段全年持續(xù)的時(shí)間，h/a；xKR為空氣源熱泵的輸入電功率，kW，連續(xù)變量；xFZ為包括水泵、風(fēng)機(jī)在內(nèi)的耗電輔助設(shè)備的輸入電功率，kW，與總熱負(fù)荷(即建筑采暖熱負(fù)荷、洗浴水熱負(fù)荷、吊籃烘干熱負(fù)荷之和)大小有關(guān)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取0.05 kW/(kW熱負(fù)荷)；α為年維護(hù)費(fèi)與初投資年等值費(fèi)的比值，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)取30%；β為年人工費(fèi)與初投資年等值費(fèi)的比值，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)取60%；γ為工程費(fèi)與設(shè)備費(fèi)的比值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取60%；τ為輔助設(shè)備(含安裝)費(fèi)與主要設(shè)備(含安裝)費(fèi)的比值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取40%；R為資本投資回收系數(shù)，R=r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，r為貸款年利率，τ為設(shè)備使用年限，r、τ的取值分別為5%、15年；c為主要設(shè)備單位容量成本(含安裝)，元/kW；M為主要設(shè)備的總?cè)萘?，kW，連續(xù)變量。

3.2.2約束條件

約束條件包括三類:主要設(shè)備容量約束、主要設(shè)備運(yùn)行特性約束和系統(tǒng)能流平衡約束，具體如下:

(1)主要設(shè)備容量約束。因空氣源熱泵投資和運(yùn)行費(fèi)用均比熱回收機(jī)組高，應(yīng)優(yōu)先考慮配置熱回收機(jī)組。熱回收機(jī)組的臺(tái)數(shù)和容量取決于空壓機(jī)臺(tái)數(shù)、性能和運(yùn)行規(guī)律，每臺(tái)空壓機(jī)配套一臺(tái)熱回收機(jī)組，容量取決于油冷卻器內(nèi)高溫潤(rùn)滑油冷卻散出的熱量。此外，還考慮機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后因表面結(jié)垢、起泡而導(dǎo)致出力衰減的情況，則有:

(20)

如果熱回收機(jī)組總?cè)萘扛哂谒袝r(shí)段總熱負(fù)荷，無(wú)需安裝空氣源熱泵，否則需要安裝空氣源熱泵，其容量取決于各時(shí)段的最高總熱負(fù)荷，由于其為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，容量和臺(tái)數(shù)需考慮市場(chǎng)現(xiàn)有容量，并盡量保證設(shè)備在高負(fù)荷率下運(yùn)行。此外，空氣源熱泵含動(dòng)力部件，還需考慮設(shè)備維護(hù)、檢修，應(yīng)備用1臺(tái)～2臺(tái)。即:

(21)

新風(fēng)機(jī)組為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可自行設(shè)計(jì)制造，其容量根據(jù)吊籃衣物烘干熱負(fù)荷確定，臺(tái)數(shù)無(wú)需考慮備用，一般選擇1臺(tái)。此外，還考慮機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后因表面結(jié)垢、起泡而導(dǎo)致出力衰減的情況，則:

(22)

高效防垢換熱器為非標(biāo)設(shè)備，也可自行設(shè)計(jì)制造，其容量根據(jù)洗浴水熱負(fù)荷確定，臺(tái)數(shù)無(wú)需考慮備用，但需考慮補(bǔ)水閥門的維護(hù)、檢修，一般選擇2臺(tái)。此外，還考慮換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行后因表面結(jié)垢、起泡而導(dǎo)致出力衰減的情況，則有:

(23)

(2)主要設(shè)備運(yùn)行特性約束。熱力設(shè)備的出力(輸出能量功率)與輸入能量功率近似呈線性關(guān)系[10]，為充分保證設(shè)備運(yùn)行效率，同種設(shè)備所有運(yùn)行機(jī)組平攤出力(即任意時(shí)刻同種設(shè)備所有運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷率相同)，則有如下約束:

(24)

(3)系統(tǒng)能流平衡約束。系統(tǒng)能流平衡包含空壓機(jī)潤(rùn)滑油熱量平衡、軟化循環(huán)水熱量平衡、吊籃烘干熱量平衡、洗浴水熱量平衡。

空壓機(jī)潤(rùn)滑油熱量平衡如下:

(25)

其中，xrh為熱回收機(jī)組的輸入熱量功率，kW，連續(xù)變量。

軟化循環(huán)水熱量平衡如下:

(26)

其中，ykr為空氣源熱泵的輸出熱量功率，kW；yrh為熱回收機(jī)組的輸出熱量功率，kW；xxf為新風(fēng)機(jī)組的輸入熱量功率，kW，連續(xù)變量；xbh為高效防垢換熱器的輸入熱量功率，kW，連續(xù)變量。

吊籃烘干熱量平衡如下:

(27)

其中，yxf為新風(fēng)機(jī)組的輸出熱量功率，kW。

洗浴水熱量平衡如下:

(28)

其中，ybh為高效防垢換熱器的輸出熱量功率，kW。

約束條件式(20)～式(28)及目標(biāo)函數(shù)式(19)構(gòu)成了優(yōu)化配置和運(yùn)行模型，為線性規(guī)劃模型，采用單純形算法進(jìn)行求解即可。

4 案例應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 外部應(yīng)用條件

以山西省晉城市某煤礦為應(yīng)用對(duì)象。該煤礦有4臺(tái)水冷噴油螺桿空壓機(jī)，兩用兩備，全年平均運(yùn)行負(fù)荷率為80%，空壓機(jī)參數(shù)及熱量計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，礦區(qū)實(shí)際用能需求包括:

(1)洗浴水制取(自來(lái)水加熱前溫度為10 ℃，洗浴水供水溫度取42 ℃)，每天用量350 t，全年365 d供應(yīng)；

(2)浴室采暖，建筑面積為2 824 m2，采暖時(shí)間為每年10月1日～次年3月31日，每天24 h供暖；

(3)吊籃衣物烘干，共3 500個(gè)吊籃，烘干時(shí)間為全年365天，每天24 h。采用第2節(jié)提出的空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)替換4t/h燃煤鍋爐，滿足以上用能需求。

根據(jù)煤礦用能特點(diǎn)及晉城市氣候特征，將全年劃分為春I(4、5月)、春II(3月)、夏(6、7、8月)、秋I(9月)、秋II(10、11月)、冬(12、1、2月)等6個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段全年持續(xù)時(shí)間和熱負(fù)荷見表3。

表3 6個(gè)時(shí)段全年持續(xù)時(shí)間和熱負(fù)荷Table 3 Annual duration and thermal load for six periods

系統(tǒng)主要設(shè)備計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 主要設(shè)備計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of main equipment

4.2 配置和運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

采用第3節(jié)所述方法，根據(jù)公式(19)～(28)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配置和運(yùn)行計(jì)算。主要設(shè)備臺(tái)數(shù)、容量見表5，其中空氣源熱泵安裝6臺(tái)、總?cè)萘?40 kW，新風(fēng)機(jī)組、熱回收機(jī)組、高效防垢換熱器總?cè)萘糠謩e為125 kW、1 148 kW和544 kW。

表5 系統(tǒng)優(yōu)化配置計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of system configuration optimization

空氣源熱泵全年開機(jī)運(yùn)行，各時(shí)段出力、運(yùn)行臺(tái)數(shù)、運(yùn)行負(fù)荷率的優(yōu)化運(yùn)行規(guī)律如圖3所示?？諝庠礋岜贸隽υ?30 kW～411 kW之間，秋I最低，春II最高，全年平均出力為270 kW?？諝庠礋岜眠\(yùn)行臺(tái)數(shù)為2臺(tái)～5臺(tái)，其中，夏、秋I開啟2臺(tái)，春I開啟3臺(tái)，秋II開啟4臺(tái)，春II、冬開啟5臺(tái)?？諝庠礋岜眠\(yùn)行負(fù)荷率在72%～92%之間，秋I最低，春II最高，全年平均運(yùn)行負(fù)荷率為84%。

圖3 空氣源熱泵在不同時(shí)段內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行規(guī)律Fig.3 The optimized operation law of air source heat pump in different time periods

新風(fēng)機(jī)組全年開機(jī)運(yùn)行，出力和運(yùn)行負(fù)荷率取決于吊籃烘干熱負(fù)荷，全年平均出力為87 kW，全年平均運(yùn)行負(fù)荷率為54%。熱回收機(jī)組運(yùn)行規(guī)律取決于空壓機(jī)運(yùn)行規(guī)律，全年運(yùn)行2臺(tái)，出力為459 kW，運(yùn)行負(fù)荷率為64%。高效防垢換熱器運(yùn)行規(guī)律取決于洗浴水熱負(fù)荷，全年運(yùn)行2臺(tái)，出力為543 kW，運(yùn)行負(fù)荷率為80%。

4.3 系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

在最優(yōu)配置下，系統(tǒng)初投資為392萬(wàn)元，其中，主要設(shè)備費(fèi)175萬(wàn)元、輔助設(shè)備費(fèi)70萬(wàn)元、工程費(fèi)147萬(wàn)元。按最優(yōu)規(guī)律運(yùn)行，系統(tǒng)年總費(fèi)用為135.6萬(wàn)元，具體明細(xì)見表6，其中電費(fèi)占比最高，達(dá)到47.3%；其次為初投資年等值費(fèi)用，占比為27.7%。

表6 空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)年總費(fèi)用明細(xì)Table 6 Details of annual total cost of air compressor waste heat comprehensive utilization system

上述案例原方案采用燃煤鍋爐。據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)年浴室采暖和洗浴水制取消耗4 681 t煤炭，若考慮吊籃衣物烘干，還需消耗443 t煤炭；當(dāng)年煤價(jià)700元/t，原方案年總費(fèi)用為467.5萬(wàn)元，具體明細(xì)見表7。

表7 燃煤鍋爐方案年總費(fèi)用明細(xì)表Table 7 Details of annual total cost of coal-fired boilers

綜上所述，與原燃煤鍋爐方案相比，空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，具體如下:

(1)初投資增加326萬(wàn)元，但運(yùn)行費(fèi)用(年總費(fèi)用扣除初投資年等值費(fèi)用)節(jié)省78.7%，每年節(jié)省363.1萬(wàn)元，增加的初投資在1年內(nèi)可收回。

(2)充分利用空壓機(jī)潤(rùn)滑油中的余熱，僅需消耗少量電能，不需消耗天然氣、煤炭等一次能源，每年節(jié)省4 758 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

(3)無(wú)直接污染物排放，按1t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.62 tCO2、8.5 kgSO2、7.4 kgNOx計(jì)算，每年CO2減排12 466 t、SO2減排40 t、NOx減排35 t。

本案例2018年5月22日開工建設(shè)，8月22日全部建成投產(chǎn)，主要設(shè)備配置和系統(tǒng)運(yùn)行策略按4.2節(jié)計(jì)算結(jié)果執(zhí)行，系統(tǒng)初投資及2019年總費(fèi)用與上述計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了第1節(jié)和第3節(jié)所述方法的可行性和有效性。

5 結(jié) 論

筆者建立了空壓機(jī)工作過(guò)程能量轉(zhuǎn)化-傳遞模型，深入研究了空壓機(jī)余熱回收原理。考慮煤礦洗浴水制取、建筑采暖、吊籃衣物烘干等整體用熱需求，提出了1種空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用空氣源熱泵為補(bǔ)充、備用熱源，充分利用余熱和可再生能源，能夠最大限度減少對(duì)化石能源以及電能依賴，并降低排放。

隨后，采用基于模型的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，發(fā)展了1種空機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)優(yōu)化配置和運(yùn)行模型，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)主要設(shè)備種類、臺(tái)數(shù)、容量及運(yùn)行規(guī)律的同步優(yōu)化，并得到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、熱力、環(huán)境等綜合性能，可為業(yè)主提供決策參考、為設(shè)計(jì)提供選型依據(jù)，并為運(yùn)行策略制定提供指導(dǎo)。

最后，將空壓機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)及其優(yōu)化配置和運(yùn)行模型應(yīng)用于山西省晉城市某煤礦，開展案例研究。結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算模型和方法的可行性和有效性，同時(shí)表明，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐技術(shù)相比，該系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，適合在煤礦推廣應(yīng)用。