火電廠螺桿式空壓機余熱利用方案及經濟性分析

孫飛，劉燁，魏高升，由文江

（1．朝陽燕山湖發電有限公司，遼寧省 朝陽市 122000；2．電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區102206；3．北京馳電自動化科技有限公司，北京市 房山區 102488）

0 引言

空氣壓縮系統作為傳統工業必不可少的環節之一，其生產的壓縮空氣主要用于氣動機械的動力以及儀表吹掃、輸灰、切割等。近年來隨著國家對節能減排的號召，作為用電大戶的空壓站被越來越多的工廠企業予以重視。據統計，我國空氣壓縮機在工業生產中占工廠總耗電量的10%左右，而所消耗的電能中只有大約15%的輸入功率轉換為壓縮空氣的勢能，其余85%的電能轉化成熱能被排放掉[1-3]。據日立、美國GD、阿特拉斯等空壓機廠商提供的技術參數和實際回收熱量的統計，空壓機滿載連續運行的狀態下產生的熱量相當于空壓機軸功率的110%～150%，所以在現代化生產中，余熱回收是一種非常環保高效的節能手段，被廣泛應用于各個領域[4-5]。

實現空壓機余熱的利用具有以下優點：1）空壓機余熱回收系統有利于空壓機的散熱，使空壓機能夠良性運行。在此過程中余熱回收裝置回收了壓縮空氣與機油的大部分熱量，可讓散熱風扇關停，以減少電能的消耗、電線接頭的老化、潤滑油的變質等問題。2）運行成本低，余熱回收裝置不需要額外消耗能源，只需要進行一次性投資設備改造，靠換熱器進行熱回收。3）空壓機余熱利用回收后的熱水可送至需要熱水的地方，從而大大降低生產熱水所帶來的化石能源的消耗，減少有害氣體和 CO2的排放[6-8]。

如今國內外相繼有許多技術人員對空氣壓縮機的余熱回收利用技術進行了實踐與探索，張瑋、李廣華[9]對營口卷煙廠的4臺阿特拉斯無油螺桿空壓機實施了熱能回收改造，以熱水形式回收壓縮機產生的余熱，能量回收效率可達 90%。陳翔[10]通過設計管殼式換熱器，并利用余熱生產出70 ℃的熱水供生產需要，得出整體改造成本回收期限為293 天。肖永偉[11]通過具體工程實例將回收的熱量用于余熱空調新風等方面。張浩、 閔圣愷[12]提出壓縮機回收的熱量用于加熱鍋爐補水的可行性。蘇州大學吳世鳳[13]采用水冷方式通過板式換熱器對蘇州某工廠的6臺無油螺桿空壓機進行余熱回收，相較于傳統的燃煤鍋爐加熱生活用水的方式，年平均節省56.05萬元。Ming Yang[14]在對一家制鞋企業的實地研究后，指出該企業空壓機的能源利用效率極低在于系統的優化程度低，并為此設計了一套余熱回收系統。法國的Baker，Bob[15]指出200馬力的空壓機年平均運行成本為11萬美元。

本文主要針對清河電廠6臺250 kW空壓機組，進行壓縮空氣余熱回收系統的設計，在此基礎上，進行經濟性分析，同時為相關火電機組的空壓機余熱回收提供參考。

1 方案設計

1.1 清河電廠基本情況

遼寧清河發電廠壓縮空氣系統主要由6臺工頻250 kW噴油螺桿式空壓機組成。經過初步考察，計劃對其中3臺機組進行壓縮空氣系統熱回收改造，回收空壓機多余熱量，余熱回收機組以水為載體送至用熱場所。該系統的水溫及潤滑油溫比較容易控制，極大地減少了空壓站原有冷卻系統的運行時間，使空壓機在保證額定產氣量的同時將運行溫度控制在合理范圍內。空壓機在實際生產中不可能時刻保持在標準狀態下工作，據統計，空壓機工作溫度每上升1 ℃，產氣量會下降0.5%，而由于夏季空壓機進氣溫度比較高，這種現象會更加嚴重。原有散熱機組不能很好地起到節能降耗的作用，所以加裝余熱回收機組后，會將空壓機工作溫度控制在80 ℃附近，并可有效防止積碳產生及機油乳化，同時降低機組維護和清洗周期。

表1和表2為清河電廠空壓站基本情況，安裝總功率為1 500 kW。設計安裝空壓機熱水機6臺，實際運行3臺，運行時間24 h，計劃用于生產生活熱水溫度到55 ℃，之后由甲方蒸汽再加熱供企業用熱水。

表1 電廠空壓機運行參數Tab. 1 Operating parameters of air compressor in power plant

表2 工廠熱水需求狀況Tab. 2 Hot water demand in factories

1.2 系統改造

圖1為清河電廠原有的空壓機冷卻系統。其構成比較簡單，只有閉式循環冷卻水一個冷源，空壓機壓縮后的油氣混合物通過油氣分離器，機油與壓縮空氣分離后分別進入油冷器、空冷器，與閉式水換熱后，冷卻的壓縮空氣進入儲氣罐，機油則重新返回空壓機頭進行循環。

改造后的空壓機余熱回收系統在原有的油氣分離器的出口設置兩個旁路，增加了兩個殼管式換熱器、溫控閥、水泵等一系列管路及設備，將分離后的壓縮空氣以及高溫潤滑機油分別引入兩個殼管式換熱器中，殼程為生活用水，管程則為壓縮空氣和機油，因為采用了余熱回收系統換熱，不再受空壓機原有閉式水冷卻系統的限制，殼管式換熱器的進水可以是未經過濾的自來水，溫度相對于閉式水會大大降低，從而獲得更好的冷卻效率，經過換熱后，75～95 ℃的機油會被冷卻到55～65 ℃，壓縮空氣從 75～95 ℃被冷卻到 15～30 ℃。對空壓機的油、氣熱量進行雙回收，考慮到實際換熱時的損耗，運行壓力不恒定，空壓機經常卸載等問題，油氣雙回收熱量可以達到空壓機軸功率的88%。

圖1 空壓機原有冷卻系統Fig. 1 Original cooling system of air compressor

以圖2所示的余熱回收機組為例，當機組工作時，若潤滑油的回油溫度高于系統所設的預定值，溫控閥會開啟原有冷卻系統，對潤滑油進行充分冷卻，從而保證空壓機在安全溫度下運行，保證生產的穩定性。余熱利用設備則選用與250 kW的空壓機適配的熱水機。

圖2 空壓機余熱回收系統Fig. 2 Waste heat recovery system for air compressor

2 經濟性分析

2.1 余熱回收裝置出力

假設遼寧清河電廠設計工況為將低溫的 15℃自來水通過余熱回收技術加熱至55 ℃，滿足其40 ℃的溫升。空壓機達到額定產氣量、壓力下滿負載連續運行，負載率是 100%，由于空壓機實際負載率為 80%，因此回收效率為 88%×80%=70.4%；按照該廠螺桿空壓機250 kW的功率計算，3臺每小時可回收的熱量為：Q=250×70.4%×3 600×3=1 900 800 kJ。

每天可加熱冷水量為：m=1 900 800÷(4.186×40)×24=272.5 t。若按每人每天需求熱水100 kg計算，回收熱量可滿足2 725人使用。

2.2 收益

空 壓 機 折 合 熱 負荷： P1=250×3×70.4%=528 kW。

考慮空壓機系統維修保養，機組停機等因素，設備年投運日按照300 d保守估算，則年節電量為 W=P1×24 ×300 ≈380×104kW·h。

上網電價按 0.4元/(kW·h)來計算，年收益A=W×0.4元/(kW·h)=152萬元/a。

全年回收的熱量相當于節約電費合人民幣約152萬元。

表3為采用余熱回收方式加熱生活用水后預計可節約的能源總量，由此可見該項目節能效果非常明顯。

2.3 投資回收期和內部收益率分析

項目周期：本項目余熱回收裝置設計使用壽命為 N=10 a。原始投資：一套余熱回收裝置價格為50萬元，兩套合計100萬元；輔材和人工費通過包工包料的方式委托專業的安裝隊伍采購和施工，費用25萬元；原始投資總計費用P=125萬元。

表3 節約費用比較Tab.3 Comparative statistics of cost saving

但是由于空壓機的運行工況得到了改善，并且大大降低了原有冷卻系統的運行時間，空壓機改造后每年可節約 151.2萬元電費，所以此項改造在增加了初始投資的同時，空壓站的整體運行費用會減少，當節省的運行費用與初始投資相等時，日后的余熱回收系統所產生的收益就是額外的經濟效益。但考慮到實際投資中會有投資回收期的限制，這里采用靜態投資回收期作為系統改造的依據，即按照下式計算：

式中：N為投資回收年限；P為初投資金額；A為年收益。代入之前數據，可算出投資回收期僅為8個月左右。

3 結論

傳統的螺桿式空壓機運行中存在很大程度的能源浪費，在清河電廠原有空壓站基礎上設計了余熱回收系統用于加熱生活用水，可以節約標準煤718 t/a，具有良好的經濟效益和社會效益。

[1] 吳啟芳．螺桿式空壓機余熱回收在煤礦的應用[J]．能源與環境，2013(3)：58-59．

[2] 韓元偉，梁磊．空壓機余熱回收節能系統在煤礦的應用分析[J]．中州煤炭，2012(12)：41-42．

[3] 劉燁，魏高升，由文江，等．空氣壓縮系統深度節能技術[J]．電力建設，2018，39（1）：70-76．

[4] 范亞偉，章杰．空壓機余熱利用綜述[J]．能源與節能，2014(4)：3-4．

[5] 寧建軍．空壓機余熱回收系統節能技術改造[J]．江蘇船舶，2015，32(5)：25-27．

[6] 李勇．螺桿空壓機余熱回收技術在夏店礦的應用[J]．中州煤炭，2011(5)：85-86．

[7] 要長維，王建兵．空壓機余熱回收的研究與應用[J]．中國水運月刊，2013(11)：198-199．

[8] 項勇，盧立宇．工程經濟學[M]．2版．北京：機械工業出版社，2015．

[9] 張瑋，李廣華．空氣壓縮機熱能回收改造分析與應用[J]．硅谷，2013(4)：157-158．

[10] 陳翔．空氣壓縮機熱能回收改造實踐[J]．現代制造技術與裝備，2014(1)：31-32．

[11] 肖永偉．工業廠房空壓機冷卻散熱的回收利用[J]．能源工程，2004(5)：58-60．

[12] 張浩，閔圣愷．空氣壓縮機的熱回收改造實踐[J]．上海節能，2009(2)：8-10．

[13] 吳世鳳．空氣壓縮機系統余熱回收在空調系統中的應用[J]．價值工程，2012，31(24)：112-113．

[14] Ming Yang．Air compressor efficiency in a Vietnamese enterprise[J]．Energy Policy，2009(37)： 2327-2337．

[15] Baker，Bob．Recovering Heat Saves Energy，lowers costs[J]．Process Heating，2011，18(5)：32-33．