熱力發電廠空壓機余熱利用技術研究及應用

蘇利輝

（浙江大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江 寧波 315722）

0 引言

空壓機長期連續地運行過程中，把電能轉換機械能，機械能轉換為風能。在機械能轉換為風能過程中，空氣受到強烈的高壓壓縮，使之溫度驟升，這屬于普通物理學機械能轉換現象，機械螺桿的高速旋轉，同時也摩擦發熱，這些產生的高溫氣體由空壓機潤滑油的加入混合成油/氣蒸汽排出機體。這部分高溫氣流的熱量相當于空壓機輸入功率的80%，溫度通常在 80℃（冬季）～100℃（夏秋季），需要一套循環冷卻系統降溫，才能滿足機器運行的溫度要求。而常規的熱力發電廠在設計之初，均未考慮系統熱量的循環使用問題，不符合節能環保的要求。以下主要研究如何將空壓機這部分余熱回收利用。

1 技術分析

某發電廠空壓機為電動機驅動的單級螺桿空壓機，型號為iHRS-COMP-250，由2根螺桿（陽螺桿和陰螺桿）嚙合進行壓縮空氣。油氣混合物從主機排放到分離系統分離后，含油量只剩微量，冷卻油回到冷卻系統，而空氣經過冷卻器和分離器后排出空壓機。冷卻系統由油池、冷卻器、溫控閥和過濾器等組成。當空壓機工作時冷卻油加壓后流向各軸承。空壓機的具體工作原理和內部換熱器技術參數分別如圖1和表1所示。

圖1 空壓機工作系統示意

2 熱回收系統改造

壓縮空氣系統的熱回收節能改造主要包括空壓機內部改造、溫度控制系統改造和熱回收模塊改造。英格索蘭iHRS-COMP-250噴油螺桿式壓縮機（以下簡稱iHRS）智能熱回收系統見圖2。

表1 空壓機內部換熱器技術參數

圖2 空壓機改造部分示意

2.1 空壓機內部改造步驟

首先將進出口蓋板固定在空壓機上，然后將油氣分離桶后的油管連接到進出口蓋板內側出油口，連接進出口蓋板回油口到后部冷卻器之間的管路，并固定檢查。

然后安裝溫控閥至空壓機進出接口蓋板之間的管路及接頭；安裝冷卻器至空壓機進出接口蓋板之間的管路。

2.2 空壓機外部管道安裝步驟

將iHRS換熱器固定在合適的基礎上；安裝iHRS換熱器至空壓機進出接口蓋板之間的管路及接頭；安裝冷卻水系統管道；熱回收裝置與空壓機距離不超過5 m。

3 應用案例分析

3.1 空壓機余熱供廠區生活用水

某發電廠一期工程4×600 MW超臨界燃煤發電機組工程所配套的西部生活區日常生活用水由生活水泵房提供，生活區熱水由生活水泵出口母管取水至1號機組生活水加熱器加熱后輸送至各用戶。一單元壓縮空氣系統配備4臺空壓機，冷卻水由閉式水提供。為提高生活水加熱系統效率，減少生活水加熱所需要的蒸汽量，有效利用空壓機換熱器的余熱，將生活水接入空壓機換熱器進行加熱，提高生活水加熱器生活水的入口溫度，從而達到降低汽耗和有效利用空壓機余熱的目的。

將生活水母管取水接至空壓機換熱器入口，經空壓機換熱器加熱后接至汽機房6.9 m生活水加熱器入口處，經生活水加熱器送至各用戶。改造后系統如圖3所示。

單臺空壓機實際改造后，實測板式換熱器進/出口生活水溫度分別為20℃和78℃，流量為1.63 t/h。

圖3 1號機汽機房生活水加熱系統改造工程管道布置平面

經核算：換熱器傳遞的熱量為：

Q=cmΔt=4.18×1.63×1 000×（78-20）=395 177 kJ/h，標煤發熱量為29 307.6 kJ/kg，折合標煤13.5 kg/h，每月可節約標煤 13.5×24×30=9 720 kg， 則每年可節約標煤 9.72×12=116.64 t；標煤單價650元/t，每年可節約費用7.58萬元。

原加熱用生活水加熱蒸汽（輔組蒸汽0.9 MPa，270℃），其焓值約為2 964.8 kJ/kg，每年可節約蒸汽質量約 395 177×24×30×12÷2 964.8≈1.15×106kg。

3.2 空壓機余熱供廠區暖通空調用熱水

某發電廠中央空調用冬季熱水水源為電加熱。根據空壓機冷卻利用原理，將回收空壓機余熱加熱空調暖通熱水，供空調采暖使用，來達到節省廠用電，節約成本的目的。

為確保冬夏兩季的換熱交換，保留原有冷卻器冷卻水源，確保夏冬兩季能夠自行切換。新增空壓機余熱供/回水閥門AA071，AA072，AA073，AA074，見圖 4。

中央空調投入空壓機余熱加熱模式前，使二單元A空壓機冷卻水由二單元中央空調暖通水系統供應，倒換措施如下：

（1）確認二單元A空壓機已停運，否則將該空壓機倒換至其他空壓機運行。

（2）關閉供二單元A空壓機的閉式水閥門及回水手動門。

（3）開啟二單元中央空調暖通水系統供A空壓機冷卻水閥門及回水手動門。

將二單元中央空調暖通水系統調整至空壓機余熱加熱方式，具體操作如下：

（1）開啟二單元中央空調暖通水系統供空壓機冷卻水閥門及回水手動總門。

（2）維持單臺單元中央空調暖通水循環泵運行。

（3）微開二單元A，B，C風冷熱泵組入口、出口手動門，調節二單元中央空調暖通水系統供A空壓機冷卻水閥門及回水壓力。

確認二單元中央空調暖通水系統供A空壓機冷卻水供水壓力不低于0.4 MPa，供回/水壓差不低于0.06 MPa。

確認二單元A空壓機具備啟動條件，啟動該空壓機運行，加強對空壓機供/回水溫度、空壓機排氣溫度的監視。

調節二單元A空壓機回水溫度不超45℃，具體操作如下：

（1）調節二單元A，B，C風冷熱泵組入口、出口手動門開度，改變空調循環水的冷卻量。

（2）適當打開組合風箱自然風擋風板，調節空調循環水溫度。

圖4 新增的空壓機余熱供/回水閥門示意

中央空調改造前，冬季制熱模式為一單元中央空調，需要啟動3臺壓縮機，二單元中央空調需要啟動2臺壓縮機；制熱模式的時間段為當年的12月至次年的2月，制熱時間為90天左右。每臺壓縮機的制熱功率為137.9 kW。改造完成后壓縮機退出運行，由空壓機對中央空調循環水進行加熱。改造后節約用電量為 137.9×24×5×90 kWh=1 489 320 kWh，電費按照 0.5元/kWh計算，1 489 320×0.5=74.5萬元。另外在改造前，每年中央空調制熱模式運行期間，壓縮機的日常維護保養需要花費一定的費用，比如氟利昂的補充及相關零配件的更換等，其中氟利昂需要300 kg，300×40元/kg=1.2萬元，相關零配件膨脹閥、過濾器等日常更換需要2萬元，制熱日常維護保養所花費的人工費約4萬元，1.2+2+4=7.2萬元。每年可節約費用合計為74.5+7.2=81.7萬元。可見節能效果顯著。

4 結語及展望

通過空壓機余熱利用技術在熱力發電廠生活用熱水以及二單元中央空調暖通用水的應用，證明熱力發電廠空壓機余熱利用技術是可行的。由于空壓機工作的特殊性，會產生大量的熱能，將熱能應用于其他需要加熱的系統中如氨站蒸發器水浴用熱水等，可減少系統能量浪費，在空壓機余熱得以利用的同時也削減了原系統冷卻用水的水量，今后可做進一步的冷卻水出力方面的節能研究工作。

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