大型離心式空壓機及余熱回收系統在礦井生產的應用

婁 方，魏浩然，張紀飛，陳 虎，趙 磊

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

大型離心式空壓機及余熱回收系統在礦井生產的應用

婁 方，魏浩然，張紀飛，陳 虎，趙 磊

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

礦井空壓機是固定大型機械設備和重要機房，為主井、副井、運輸及采掘等礦井生產提供風源動力。本文重點介紹了東灘煤礦空壓機系統應用英格索蘭離心空壓機及余熱回收系統運行后所起到的重要作用和取得的經濟效益，為礦井的安全生產和企業的節能降耗創造了良好條件。

離心機；合同能源；高效換熱器；節能降耗

0 概述

東灘煤礦是年產750萬噸特大型礦井，1989年12月投產，原設產400萬噸，2000經過增容改造達到目前產量，是目前兗礦本部支柱型礦井。為礦井配套設計建造的空壓機是大型固定機械設備，為主井、副井、運輸及采掘等礦井生產一線提供風源動力，是主要機電設備機房，在礦井生產中具有重要地位。

1 現狀分析

目前系統在用二臺壽力40m3/min螺桿機組（小機組）已運行13年，六臺復盛60m3/min螺桿機組（大機組）運行均在8年以上，設備機頭等部件磨損老化性能效率下降。由于礦井采掘工作面延伸較遠，目前有東西南北翼四個采區，最遠干線20公里。另外風動設備用量增加，例如風鉆、風泵、氣動吊梁、風動道岔、自動風門等風動機具數量增加，礦井需求供風量每分鐘320—380m3/min。因此日常開機“四大二小”或“五大二小”；特別是夏季空氣濕度增加導致收縮比較大，需多開一臺60m3/min螺桿機設備，一旦機組出現故障就無法滿足生產需要，供風持續緊張局面，這樣系統升級改造勢在必行。經過多方調研并結合企業目前狀況，了解到英格索蘭離心式空壓機技術成熟、流量大、性能穩定，決定采用合同能源管理的辦法實施該項目，根據運行效益和能源回收比例分期付款雙方利益共享。首先滿足礦井生產需要，緩解供風緊張局面；其次達到環保節能標準要求回收利用離心機產生的熱量，同時依據設備性能節約工業電能。

改造前東灘煤礦空壓機房設備在用情況詳情

改造方案中目標離心機數據詳情：

由以上表格對比可知東灘煤礦壓風機站房空氣壓縮系統有巨大的節能空間，具備使用離心式空壓機升級替換的節能空間。通過使用一臺離心式空氣壓縮機替換若干臺原有螺桿式空壓機運行，達到高氣電比運行效率，從而達到節能效果。

2 項目實施

該工程含離心式壓縮機的設備到貨驗收，安裝就位，基礎固定，進氣管線、排氣管線的鋪設，內、外循環冷卻水與高效換熱器管線的鋪設，相配套的軟起動柜、熱回收裝置、流量計、超管和熱回收系統所需附件等工作。機組投入使用后，每分鐘為礦井壓風系統可提供218m3/min。（0.65MPa）的壓縮氣體。

2.1 設備安裝

（1）拆除一臺螺桿式空壓機，在原基礎上安裝一臺離心式空壓機，拆卸下來的螺桿機拆散作為其他螺桿機組的備品備件。

（2）壓縮機的基礎采用連續無縫的混凝土或鋼結構件作基礎，不平坦的表面或者熱膨脹會導致機器偏，經過校核該基礎可以滿足承重離心機組重量和振動系數要求。

（3）設計進氣管道與排放管道要考慮保證整個管線平穩暢通的流動性、最小的壓降和均勻的流速，安裝與啟動之前必須檢查管道是否清潔，任何壓縮機管道中進入異物，都會影響或降低性能，進氣管道應短而直，管道壓差小于0.3psi，管道均應水平安裝，以便管道中的冷凝液從壓縮機流出。根據現場實際情況，東灘礦采用優質不銹鋼進氣管道，并在進氣閥前端安裝不銹鋼軟連接裝置，進一步緩解主葉輪受到的振動，從而保護設備的安全穩定運行。

（4）進氣過濾器如位于壓縮機所在廠房之外，則進氣罩至少應在地面或房頂上方2.4-3m，且距墻邊1.8m。此要求根據壓風機房現場條件，東灘礦將其放置在壓風機房北側的風包棚下，并在吸氣口側安裝不銹鋼過濾網，延長空氣濾芯的使用壽命。

（5）進氣管道安設時，從壓縮機法蘭到長半徑彎管間的水平直管距離至少要有4個管徑長，旁通消音器/管道為8個管徑長。目前我單位安裝的進氣管道嚴格按照設計規范要求施工，務必確保機組的安全穩定運行。

（6）排氣管道的空氣管尺寸要與壓縮機出口接口尺寸相同，在所有的壓縮機上都必須裝有短管，以便于壓縮機部件的拆卸時配管不處在維修通道上，維修時出口管要裝截止閥將壓縮機隔離，在此管路安裝時，安裝人員或所有者應負責該設備機組的配管及工程質量。

（7）水系統管道的設計必須考慮2.4bar的最小水壓與10bar的最大水壓，無論使用何種冷卻系統，水供應管線中均應安裝濾網。根據現場實際情況，水壓可滿足需要，鑒于東灘礦壓縮機冷卻水系統多年來均采用軟化水，故安裝管線時沒有另行加入濾網。

（8）電氣驅動的壓縮機不配備電氣斷開設備，主線路斷開開關必須由用戶安裝在輸入管線上。客戶負責設計和安裝斷開、過壓、短路與過載保護裝置。該項目由礦方負責實施完成配電柜的安裝工作，確保壓縮機的安全運行。

2.2 設備調試

（1）儀表空氣的配備是英格索蘭離心機啟動的前提，需配備5.6-6.8bar的穩定、干燥、清潔的空氣動力源，該管路須在機組開機前配備完畢。

（2）輔助油泵在完成電源接線、儀表空氣配備后即可啟動，為方便于在低溫下啟動和關閉，離心機啟動前必須確保輔助油泵的正常運轉，始終保持潤滑油加熱器電源處于開的狀態。

（3）連接控制回路接線，確保高低壓電源的暢通。

（4）聯接裝置在連接之前必須檢查驅動器旋轉，使用壓縮機輪轂外圍上的刻度盤指示器，使變速箱聯軸節輪轂與壓縮機連軸節輪轂水平對齊。

（5）油溫不低于35℃時，檢查進氣閥與旁通閥是否打開，打開排氣管線的隔斷閥，排放冷凝液，按壓控制面板的啟動按鈕。

（6）觀察設備的油壓、振動及壓縮機殼的供給油壓，油溫應介于40-46℃，供水溫度不高于35℃。

（7）在低油壓、油溫高低、排氣高溫、高振動等情況下，機組保護會自動關機。

（8）按下壓縮機停止按鈕，30分鐘后關閉輔助油泵。

2.3 運轉記錄

該運轉記錄僅代表C100075MX3EHD型在山東兗礦集團東灘煤礦所進行的試車報告，室內工作，相對濕度≤95%，25℃，地震烈度：7度，水平加速度0.2g，垂直加速度0.1g。記錄報表僅作為該機型試車參考作為檢修依據，不具備代表英格索蘭所有機型的數據對比效力，為同等工況條件下的該機型試車提供理論參考。

（1）儀表設定

報警跳車報警跳車1級溫度49 52 2級溫度49 52 3級溫度140 150 4級溫度——5級溫度——潤滑油高溫度49 52潤滑油壓力1.24 1.10潤滑油低溫度35 32 1級振動1.06 1.26 2級振動0.90 0.98 3級振動0.90 0.98 4級振動——電機定子溫度A——5級振動——電機定子溫度B——電機定子溫度C——電機軸承溫度前——電機軸承溫度后 ——電機軸承油壓前——電機軸承油壓后 ——進氣閥卸載開度31喘振敏感度9.2啟動時間/慣性運轉時間45 240電流互感器比率60冷卻水壓差/溫度1.2 27.2進氣/潤滑油過濾器壓差其 他——

（2）開機記錄

注：表格中未填寫項無需檢測.工程單位：1bar（巴）=0.1MPa（兆帕）1Psi = 0.00689Mpa 1Mpa = 145Psi，其中pounds per square inch，gauge 磅/平方英寸（表壓）1 mils = 0.00254 cm

3 運行中存在問題及完善措施

在東灘礦調試運行期間，離心式空壓機設備存在一些關鍵性問題，影響設備啟動和正常運行，結合現場情況采取有效措施，逐步進行改進，直到完善該系統，從而滿足生產需要。

（1）進氣過濾器自動清潔裝置未正常使用，無法讀取進氣過濾器差，一旦進氣精度大于2μm，直接影響機組性能，嚴重時機組跳機。東灘礦及時恢復了該裝置運行，并在濾清器下方吸氣口安設濾網等裝置，實現粗過濾，延長空氣濾芯使用壽命。

（2）煤礦安全規程及技術協議均要求該機組能實現斷油、斷水保護，目前該機組無法實現斷水保護，而斷油保護是通過斷油后排氣高溫保護跳機間接實現的。

（3）在高效換熱器及板式交換器的進、出風（水）管路上各加裝溫度表，以便監測離心機排出的高溫氣體是否得到冷卻及冷卻水系統是否正常工作。

（4）機組的冷凝托盤旁通閥位于機組的底部，檢修時需將其打開，啟動時將其關閉。但目前該機組安裝空間狹窄，不利于維護人員操作該閥，需重新鋪設兩路軟管，將其引自機組外側，減少維護人員觸碰高溫管路的可能。

（5）儀表氣體（機組動力氣源）是該離心機安全運行的所有前提與必要條件。目前采用的風源為風包內壓風，無法提供穩定的氣源作為密封氣時，會導致輔助油泵停運，嚴重影響機組安全。建議從主干管重新鋪設管路取風壓或安設穩定氮氣源。

（6）機組運行時，高壓意外跳機是允許的，低壓掉電是嚴禁出現的，因此建議增加380V不間斷UPS電源，以便在高壓意外停機時，低壓油泵持續運行不低于二十分鐘，保護軸封等關鍵部位的潤滑及散熱。

（7）排風管道目前是DN150普通管路上安裝兩個DN100管路，輸送壓風至DN150超管，建議全部改成DN150超管。

（8）排風管路上的流量表應外接一個二次流量顯示儀，放置在便于抄表位置。

4 效益對比

4.1 能耗對比及效益分析

項目運行模式氣電比預計年節能量預計年節約備品備件費用kWh/m3 RMB/year RMB/year改造前狀態4臺60 m3/min，2臺40m3/min螺桿機0.1328改造后狀態1臺218m3/min英格索蘭離心式壓縮機0.0955 309萬40萬備注：1.螺桿機氣電比計算采用東灘煤礦實測數據。2.離心機氣電比計算采用英格索蘭現有客戶實測數據，并增加冷卻水泵功率（40kW）修正。3.離心機氣量參數采用在保證排氣壓力在6.5bar（g）時，機組排氣量為218m3/ min（春冬季：進氣溫度10℃，夏秋季：進氣溫度32℃）。4.備品備件費用以現東灘煤礦每年120萬備件費用，降低到50萬每年。5.年預計節能量計算公式：（0.1328-0.0955）kWh/ m3*8600h*217 m3/ min*60min/h*0.74RMB/kWh以上計算值采用全年平均值。

4.2 熱回收系統

離心機余熱系統包括機組內部改造、離心機專用熱回收組塊及管路并網安裝三個組成部分，循環水在離心機的高效換熱器內進行第一次熱交換，使壓縮空氣從122℃降至35℃左右，被加熱的循環水通過密閉管道在礦澡堂處進行二次熱交換，熱水供職工洗浴，冷水回流至高效換熱器，反復循環。

（1）機組內部改造：C1000型離心機出廠設置為三級冷卻系統，分別對分級壓縮的空氣進行水冷，其中大部分的熱量集中在第三級冷卻器中，為回收利用該熱量，對機組進行改造將第三級冷卻器拆除，在機組外側加裝一臺高效換熱器，通過水、氣的熱交換回收利用該熱能。

（2）專用熱回收組塊：該組塊主要包括進水溫度控制、高溫水熱交換板、打壓泵等設備，確保熱能的高效回收。

（3）管路并網：當熱回收循環水系統意外停機時，離心機排出的高溫氣體會直接進入管網，嚴重影響供風系統的安全運行，因此增設一套內循環（來自壓風機房冷卻水）冷卻水系統，以便當外循環（來自熱回收循環水）系統出現故障或檢修時，不影響離心機的正常供風。

5 結語

通過增設一臺高效離心式空壓機，確保了礦井滿負荷運轉時的供風需求。選用低噪音異步電動機，配置聯軸器與大齒輪直接連接，確保了高效平穩安全運行。配備了國內領先的熱回收設備，高效換熱器290m2使出風溫度降至35℃，熱量回收用于供職工澡堂淋浴水加熱。同時氣電比由0.1328降至0.0955kWh/m3，每年節約電能309萬元，節約備件費用40萬元，同時確保了礦井壓風系統的安全平穩運行，在同類型礦井中具有推廣價值。