郭沖沖　張林兵　劉曉峰　崔明輝　崔楚陽

摘要：為了提高空壓機能量利用率，解決空壓機在夏季制冷效果差等問題，以新疆地區(qū)某煤礦空壓機改造工程為例，提出了一種余熱回收系統(tǒng)用以吸收空壓機產(chǎn)生的余熱。系統(tǒng)利用油水換熱器將空壓機產(chǎn)生的余熱經(jīng)一次循環(huán)系統(tǒng)傳遞到高溫水箱，由高溫水箱加熱自來水制備洗浴熱水。研究數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)全年回收余熱相當于87 952 m天然氣所釋放的熱量，在冬季、夏季和春秋季利用這些余熱可制備的45 ℃洗浴用水量分別為51.5，58.9和55.7 t。此外，經(jīng)濟性分析表明，系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期預計為2.5 a。因此所設計的空壓機余熱回收技術具有一定的經(jīng)濟和使用價值，研究結果對礦區(qū)空壓機余熱回收系統(tǒng)的推廣具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：節(jié)能技術;余熱回收;空壓機;能量利用率;經(jīng)濟性分析

中圖分類號：X706文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02011

Project design of waste heat recovery and utilization of coal mine air compressor

GUO Chongchong ZHANG Linbing LIU Xiaofeng CUI Minghui CUI Chuyang

（1.School of Architectural Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei? 056038，China）

Abstract：In order to improve the energy utilization efficiency of air compressor and solve the problem of poor refrigerating effect in summer，a waste heat recovery system was proposed in this paper to absorb the waste heat of air compressor based on the air compressor reconstruction project of a coal mine in Xinjiang.The oil-water heat exchanger was used to transfer the waste heat generated by the air compressor to the high temperature water tank through the primary circulation system in this system，and then the high temperature water tank was used to heat the tap water to prepare hot water for bathing.Research data indicates that the waste heat recovered by the system in the whole year is equivalent to the heat released by 87 952 mnatural gas，which can be used to prepare 51.5，58.9 and 55.7?t of bath water consumption at 45 ℃ in winter，summer and spring and autumn，respectively.And the static payback period of the project is expected to be 2.5 years through the economic analysis.The waste heat recovery technology of air compressor has certain economic and practical value，and the research results have important reference significance for the promotion of waste heat recovery system of air compressor in mining area.

Keywords： energy-saving technique;waste heat recovery;air compressor;energy utilization efficiency;economic analysis

空氣壓縮機是用于生產(chǎn)壓縮空氣的機械設備，其將電能轉化為機械能，通過壓縮做功的方式提高氣體的壓力[1-2]。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，壓縮空氣為人類生產(chǎn)和生活提供了很多動力，在煤礦企業(yè)挖掘中，空氣壓縮機是不可或缺的設備。但空壓機耗能大，在使用過程中除了產(chǎn)生用于做功的高壓氣體外，還產(chǎn)生大量的壓縮熱。據(jù)統(tǒng)計，僅有15%的能量轉換為空氣勢能用于做功，其余85%的能量直接轉換為熱能，這些熱能直接流失排放，在壓縮時，空壓機內(nèi)部油氣混合物溫度能夠達到80～100 ℃[3-7]。為滿足空壓機正常運行溫度要求，經(jīng)油氣分離器分離后的高溫潤滑油需經(jīng)冷卻器冷卻散熱及過濾器過濾，完成下一個循環(huán)，這些熱量的流失導致能量利用率低[3]。目前，噴油螺桿空壓機余熱回收多采用一次余熱回收方式，這種余熱回收系統(tǒng)雖然換熱效率較高，但如果設備清理不及時則易出現(xiàn)結垢及換熱裝置泄露的情況。為克服一次余熱回收方式的弊端，可采用二次余熱回收的方式，該方式借助熱回收裝置通過兩次熱交換將熱量回收，不但提高了系統(tǒng)的換熱效率，也一定程度上加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8-10]。無油螺桿空壓機理論上可達到100%余熱回收，但離心式空壓機需借助熱能換熱收集器回收余熱[11]。目前對空壓機余熱回收的研究相對較多，但對余熱回收后利用的設計研究及系統(tǒng)經(jīng)濟性分析并不多。

本文以新疆地區(qū)某煤礦噴油螺桿空壓機為例，通過設計系統(tǒng)方案，[JP+1]采用二次余熱回收的方式，將空壓機產(chǎn)生的余熱回收利用作為洗浴水加熱熱源，并分析了該余熱回收系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟性，為礦區(qū)空壓機余熱回收設計提供了理論和實例參考[11-12]。

1項目概況

以新疆地區(qū)某煤礦為例，利用礦區(qū)空壓機的余熱來制備洗浴熱水。該煤礦廠區(qū)內(nèi)有4臺空壓機，其中，185 kW空壓機2臺，160 kW空壓機2臺。采用風冷系統(tǒng)，正常運行時啟動1臺185 kW的空壓機，其他空壓機為備用。這種傳統(tǒng)空壓機冷卻系統(tǒng)冷卻效果比較差，尤其夏季冷卻效果更差，長此以往不利于空壓機的穩(wěn)定運行，大大縮短了空壓機的使用壽命，同時將空壓機的余熱散失到空氣當中，[JP2]造成能源浪費。本次改造利用4臺120 kW油-水換熱器空壓機余熱回收裝置進行余熱回收，用于制備45 ℃洗浴熱水，從而進一步減少洗浴用熱水的投資。

2項目方案設計

2.1項目設計原理

空壓機余熱回收利用設計如圖1所示。該系統(tǒng)的設計依據(jù)為《工業(yè)供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》（GB 50019—2015）、《建筑給水排水設計規(guī)范》（GB 50015—2003）、《全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調(diào)·動力》（2009）、《全國民用建筑工程設計技術措施·給水排水》（2009）、《通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50243—2002）等規(guī)范文件。整個空壓機余熱回收利用系統(tǒng)由一次循環(huán)系統(tǒng)、二次循環(huán)系統(tǒng)和補水系統(tǒng)組成[13]。系統(tǒng)運行時，擬回收空壓機60%的熱量用于洗浴用水的加熱。為了能夠更好地減少熱量損失，余熱回收的管道都做了保溫處理。

由圖1可知，從高溫保溫水箱出來的水在循環(huán)水泵的作用下通過油-水換熱器吸收空壓機60%的熱量，再流經(jīng)高溫保溫水箱釋放熱量完成一次循環(huán)過程;自來水流經(jīng)高溫水箱吸收釋放的那部分熱量以達到洗浴溫度，再由洗浴供水泵送到洗浴水箱完成二次循環(huán)過程。為保證一次循環(huán)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，礦井自來水經(jīng)過軟化處理后在補水泵作用下對系統(tǒng)進行補水[14-15]。

2.2工藝核心技術

設計方案通過對空壓機余熱進行回收，保證空壓機正常運行并防止余熱系統(tǒng)結垢。采用二次閉式換熱技術及高效反沖逆流換熱技術，首先是90 ℃以上的高溫機油與一次閉式換熱機組的軟水互相閉式循環(huán)冷熱交換。由于從高溫熱油中提取的熱量是一定的，軟水在油水換熱器出口處溫度與流速有關，經(jīng)計算出口處最高溫度可以達到60～70 ℃;然后一次換熱機組的軟水提取熱量后進入加熱保溫水箱的內(nèi)置盤管中，直接對30 m帶內(nèi)置防結垢換熱盤管的加熱保溫水箱內(nèi)洗浴水進行加熱，當加熱保溫水箱液位和溫度達到系統(tǒng)設定值，自動通過洗浴供水泵輸入原有的洗浴保溫水箱供職工洗浴使用，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了自動控制無人值守。

3余熱回收利用計算

一般余熱回收熱量為空壓機輸入功率60%～70%的熱量[14]，按照本礦區(qū)正常運行1臺功率為185 kW的空冷空壓機，回收效率為60%進行計算，可以回收111 kW的熱量，空壓機余熱回收系統(tǒng)按照每天運行24 h，根據(jù)式（1）計算。

Q=cmΔt， （1）

式中：Q為空壓機余熱回收總熱量，kJ;c為水的比熱容，kJ/（kg·℃）;m為每天制取熱水量，kg;Δt₁為洗浴用水溫差，℃。

考慮保溫水箱內(nèi)換熱器效率，按照系統(tǒng)熱量最大損失10%計算，即熱轉化效率取90%。夏季以進水溫度10 ℃計算，制取45 ℃洗浴熱水，則夏季每日可制取58.9 t熱水;春秋季以進水溫度8 ℃計算，能夠制取45 ℃的熱水量，則春秋季每日可制取55.7 t熱水;冬季以進水溫度5 ℃計算，能夠制取45 ℃的熱水量，則冬季每日可制取51.5 t熱水。

4設備選型

1）油-水換熱器選型空壓機負荷為185 kW，回收率為60%，其運行負荷為111 kW，根據(jù)以上參數(shù)每個機組選擇1臺120 kW的油-水換熱器，共4臺。

2）循環(huán)水泵選型循環(huán)水泵流量依據(jù)式（2）計算。

G=0.86Q/Δt， （2）

式中：G為水泵流量，kg/h;Q為水系統(tǒng)的負荷，kW;Δt為系統(tǒng)設計水溫差，℃。

依據(jù)系統(tǒng)循環(huán)水量及環(huán)路阻力確定水泵流量及揚程，所選循環(huán)水泵均為一用一備。循環(huán)水泵揚程利用式（3）進行計算。

H=H+H+H， （3）

式中：H為循環(huán)水泵揚程，Pa;H為水系統(tǒng)總的揚程阻力損失，Pa;H為水系統(tǒng)總的局部阻力損失，Pa;H為設備阻力損失，Pa。

3）補水泵選型正常補水量為1%，但要考慮事故發(fā)生時的補水量，應不低于正常補水量的4%，故本系統(tǒng)采用6%。補水泵選用時要本著“一用一備”的原則，故本系統(tǒng)設計選用2臺補水泵，每臺水泵補3%。水泵參數(shù)如表1所示。

4）加熱保溫水箱選型根據(jù)煤礦職工洗浴需求規(guī)范，以及實際用水量情況，選取30 m不銹鋼保溫水箱一座[14]。

5）其他設備選型加熱保溫水箱內(nèi)置盤管換熱器1套;低壓配電柜及PLC控制柜各1臺;反滲透純水（軟水）器1臺（流量1 t/h）。

主要設備選型如表2所示。

5經(jīng)濟性分析

5.1初投資費用

本項目設備購置費用及安裝費用均采用詢價的方式進行計算，土建類工程按同類工程實際建設價格進行計算。工程安裝依據(jù)《煤炭建設機電安裝工程概算指標》，[JP2]并參照同類工程實際發(fā)生價格進行計算[14-16]，包括水泵、水箱、水管閥件等設備費，設備安裝費用以及稅費，總投資約為57.73萬元。

5.2運行費用

參照當?shù)仉妰r和燃氣價格，依據(jù)本項目系統(tǒng)實際運行時間，統(tǒng)計基本參數(shù)如表3所示。

浴室加熱系統(tǒng)全年運行，主要運行設備包括熱水循環(huán)水泵、洗浴水泵，由于補水泵運行時間較短，不做考慮。設備運行費用如表4所示。

5.3燃氣鍋爐費用

通過空壓機余熱回收利用計算得系統(tǒng)每小時可回收余熱111 kW，則全年回收余熱由式（4）計算。

Q=3.6 PT， （4）

式中：Q為全年余熱回收熱量，MJ;P為余熱回收功率，kW;T為系統(tǒng)運行時間，h。

由式（4）得全年可回收余熱3 500 496 MJ，相當于87 952 m天然氣所釋放的熱量，燃氣費用24.7萬元。

5.4投資回收期

該項目總投資費用為57.73萬元，空壓機余熱回收系統(tǒng)年運行費用為1.61萬元，采用空壓機余熱回收系統(tǒng)相較于燃氣鍋爐每年可節(jié)省費用23.09萬元，計算可得該項目靜態(tài)投資回收期約為2.5 a。

6結語

礦區(qū)空壓機余熱回收系統(tǒng)具有運行可靠性高、經(jīng)濟性好、實用性強等優(yōu)點，其利用余熱制備洗浴用水，提高了能量的利用率，同時余熱的回收也改善了空壓機冷卻在夏季應用效果不佳的情況，提升了空壓機的使用壽命，充分發(fā)揮了空壓機的優(yōu)勢。研究主要結論如下：

1）本設計中一次換熱系統(tǒng)使用油-水換熱器可回收空壓機運行過程中產(chǎn)生的多余熱量;二次換熱系統(tǒng)采用帶內(nèi)置防結垢換熱盤管的加熱保溫水箱實現(xiàn)了洗浴用水的加熱和保溫;

2） 該項目年可回收余熱為3 500 496 MJ，節(jié)約燃氣達87 952 m³，具有較強的節(jié)能性;

3）該項目年運行費用為1.61萬元，相較于燃氣鍋爐可節(jié)省23.09萬元，項目靜態(tài)投資回收期為2.5 a，具有很好的經(jīng)濟性，是一套可實用的方案。

新疆某礦區(qū)空壓機余熱回收利用系統(tǒng)為其他礦區(qū)的余熱回收利用改造提供了參考。由于本項目空壓機數(shù)量較少，回收余熱量有限，對余熱的利用也較為單一。后續(xù)研究可針對大型煤礦及空壓機數(shù)目較多的工程設計相應的余熱回收系統(tǒng)，并將余熱應用于供暖季初末段的熱源及空調(diào)新風預熱等，從而進一步分析不同形式下的能量利用率，為礦區(qū)空壓機的余熱回收改造提供更有力的指導。

參考文獻/References：

[1]王瑋.新安煤礦空壓機余熱回收系統(tǒng)的應用研究[J].煤炭科技，2016（4）：118-120.WANG Wei.Application research on waste heat recovery system of air compressor in Xin′an coal mine[J].Coal Science & Technology Magazine，2016（4）：118-120.

[2]夏明祥.空壓機余熱回收自動控制技術的應用[J].知音勵志，2015（17）：43-44.

[3]宓爍婭，陳吉超.空壓機余熱回收系統(tǒng)設計與節(jié)能分析[J].節(jié)能，2018，37（9）：104-106.MI Shuoya，CHEN Jichao.The design and energy-saving analysis of the waste heat recovery for air compressor[J].Energy?Conservation，2018，37（9）：104-106.

[4]白延斌.礦井供熱熱源選擇及可再生能源利用對比分析[J].煤炭工程，2019，51（6）：68-73.BAI Yanbin.Comparative analysis of renewable energy in mine and the selection of mine heating sources[J].Coal Engineering，2019，51（6）：68-73.

[5]謝廣元.選礦學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2001.

[6]姚晶宏.空壓機節(jié)能的新方式[J].節(jié)能與環(huán)保，2010（5）：54-55.YAO Jinghong.New way to saving energy of compressor[J].Energy Conservation and Environment Protection，2010（5）：54-55.

[7]孟凡平，符如康，張豪.礦用螺桿式空壓機油氣系統(tǒng)余熱回收利用的研究與應用[J].煤炭工程，2015，47（4）：78-79.MENG Fanping，F(xiàn)U Rukang，ZHANG Hao.Waste heat recovery and utilization of oil-gas system in mine screw air compressor[J].Coal Engineering，2015，47（4）：78-79.

[8]趙新紅.淺談幾種典型空壓機的余熱回收[J].上海節(jié)能，2013（8）：31-36.ZHAO Xinhong.Discuss over waste heat recovery of several typical air compressors[J].Shanghai Energy Conservation，2013（8）：31-36.

[9]鄧澤民，羅景輝，程艷.螺桿式空壓機熱回收方式及其系統(tǒng)分析[J].節(jié)能，2015，34（6）：9-11.DENG Zemin，LUO Jinghui，CHENG Yan.Heat recovery method and system analysis of screw air compressor[J].Energy Conservation，2015，34（6）：9-11.

[10]李清波.空壓機的余熱回收方式分析與研究[J].礦業(yè)裝備，2019（5）：128-129.LI Qingbo.Analysis and research on waste heat recovery of air compressor[J].Mining Equipment，2019（5）：128-129.

[11]安增.煤礦用空壓機余熱回收原理及系統(tǒng)設計分析[J].機械管理開發(fā)，2019（4）：47-48.AN Zeng.Principle and system design of the waste heat recovery of the air compressor for coal mine[J].Mechanical Management and Development，2019（4）：47-48.

[12]韓元偉，梁磊.空壓機余熱回收節(jié)能系統(tǒng)在煤礦的應用分析[J].中州煤炭，2012（12）：41-42.HAN Yuanwei，LIANG Lei.The application analysis of air compressor waste heat recovery and energy saving system in coal mines[J]. Zhongzhou Coal，2012（12）：41-42.

[13]魏瑩，羅景輝，熊楚超，等.邢臺市某煤礦空壓機回收利用系統(tǒng)設計[J].節(jié)能，2020，39（1）：59-61.WEI Ying，LUO Jinghui，XIONG Chuchao，et al.Design of air compressor waste heat recovery system of Xingtai coal mine[J].Energy Conservation，2020，39（1）：59-61.

[14]鮑玲玲，王子勇，趙陽.邢臺煤礦空壓機余熱回收系統(tǒng)改造設計[J].煤炭工程，2019，51（7）：26-29.BAO Lingling，WANG Ziyong，ZHAO Yang.Economic benefit analysis of air compressor waste heat recovery system of Xingtai coal mine[J].Coal Engineering，2019，51（7）：26-29.

[15]毛寶霞，趙金明，張豪.礦用空壓機空氣系統(tǒng)余熱回收的應用[J].中州煤炭，2010（8）：100.

[16]王春，肖涌洪，張晏銘.礦用空壓機余熱高效回收利用技術與應用[J].煤炭科學技術，2015，43（1）：142-144.WANG Chun，XIAO Yonghong，ZHANG Yanming.High efficient recovery technology and application of afterheat from mine air compressor[J].Coal Science and Technology，2015，43（1）：142-144.