空壓機余熱與熱泵聯用系統

胡曉俊

上海煙草集團有限責任公司上海卷煙廠

0 引言

由于空氣壓縮機運行效率較低，壓縮空氣的壓力勢能僅占總輸入能量的20%左右，而其中80%的能量轉化成熱量。高溫不僅會進一步降低空壓機運行效率，而且降低設備使用壽命。通常為了保證空氣壓縮機的正常運行，需采用冷卻系統將空壓機油進行冷卻，而最常用的做法是通過空冷器將空壓機油的熱量帶走，其缺點是熱空氣直接排放出去，造成對環境的污染，增加了二氧化碳的排放，同時空冷器需要消耗大量的電能進一步增加了空壓系統無用功的消耗。通過技術手段回收空壓機中廢熱能，將其應用于生活用熱水、工藝用水、采暖等場合可以有效地提高能源利用率。從空壓機中回收的熱量用于加熱生活熱水或烘干等生產工藝前的預熱，不僅可以減少能源的消耗還可以大大降低二氧化碳的排放等。

1 空壓機運行原理

空壓機是一種將電能轉化為機械能再轉換成空氣勢能的通用機械設備，用于提高空氣壓力，是壓縮空氣的發生裝置，廣泛應用于石油、化工、船舶、紡織、食品等行業，為工業生產提供動力氣源。按照壓縮方式分為容積型和速度型兩種類型的壓縮機。在大型工廠中多采用螺桿式空壓機與離心式空壓機。本文以應用最為廣泛的噴油螺桿式空壓機為研究對象。

圖1 螺桿式空壓機工作流程圖

螺桿式空壓機工作流程如圖1所示。經空氣濾清器濾除雜質后的空氣經由進氣閥進入壓縮主機內，與噴入的冷卻潤滑油混合進入壓縮室，壓縮室內的陰陽轉子通過嚙合轉動改變壓縮室內的容積，空氣不斷被壓縮，壓力升高。在壓縮過程中，壓縮室內的容積不斷變化，在油氣混合物的壓力不斷增大的同時溫度也不斷升高。高溫高壓的油氣混合物從壓縮室排出后進入油氣分離系統，大部分潤滑油在油氣分離器內與壓縮氣體分離，分離后的高溫潤滑油在管路系統內經后置散熱器冷卻后回到壓縮主機內再次循環利用。其中大部分潤滑油在油路系統內經歷油氣混合、油氣分離、冷卻以及噴入壓縮室的循環利用過程，含有少量潤滑油隨壓縮氣體經過油精分離器分離后獲得充分的分離，分離后的少量潤滑油通過管路進入壓縮主機的低壓部分。當分離后的氣體壓力達到最小壓力閥的最低壓力時，最小壓力閥開啟，高溫的壓縮氣體通過管路經后置散熱器冷卻后儲存在儲氣罐內。根據用氣要求再經過除油、除塵、除濕干燥后送至生產用氣點。

2 空壓機余熱回收原理

空壓機在運行時輸入的電能主要轉化為空氣勢能和熱能兩部分能量，其中增加空氣勢能，提高氣體壓力，約占總輸入電能的15%；機械做功與機械磨損產生的熱量，該部分能量約占總輸入量的85%。另一方面由于壓縮機工作環境溫度的升高，會增加單位質量氣體壓縮所消耗的功，極端情況下會使空壓機內部出現積碳現象，對設備造成損害。

如圖2空壓機冷卻流程圖所示，為了保證空壓機的正常運行，傳統的做法是將高溫高壓的油氣分別進入各自的后置冷卻系統進行冷卻降溫，冷卻后的潤滑油重新返回油路循環使用。

圖2 傳統空壓機冷卻流程圖

余熱回收的原理是對油路及氣路系統的空氣冷卻器進行改裝，用余熱回收裝置取代原來的空氣冷卻器，將空壓機運行時產生的熱油和熱氣中的熱量通過熱交換裝置加以回收利用，可實現熱能回收。一方面空壓機運行溫度降低，從而保障空壓機能夠高效正常運行，提高產氣率；另一方面油氣的廢熱可得到回收利用，制備熱水或用于凍干機脫濕、干燥氣體，減少壓縮氣體后處理的能耗。對于一臺螺桿式空壓機，其中總電能的85%轉換為熱量，而可回收利用的余熱量約占空壓機產生總熱量的95%，空壓機運行時可回收及難易利用的熱量如表1所示。

表1 螺桿式空壓機可回收利用能量占比0

由表1可知，油路系統承載了空壓機產生的大部分熱量，是余熱回收的主要載體，雖然壓縮氣體的溫度值相對較低、可利用熱量較少，僅占總熱量的22%，但仍可作為輔助熱源提供換熱量，利用潤滑油的余熱余能進一步提高回收熱量，提高供水溫度。

3 空壓機余熱回收與熱泵聯合系統

低溫熱量的回收是余熱回收系統的技術難點。將壓縮氣體中22%的熱量回收利用是進一步提高空壓機余熱回收裝置整體效率的關鍵。針對此問題本文以“油路為主、氣路為輔”的熱回收原則，結合熱泵系統設計了一套空壓機油氣余熱綜合回收利用系統。如圖3余熱回收與熱泵聯用系統流程圖所示，熱泵聯合余熱回收系統，包括油水熱交換系統、壓縮空氣熱交換系統、熱泵聯用系統、余熱利用系統以及水箱聯動系統。油水熱交換系統與工藝用熱點預熱器、熱泵聯用系統的冷凝端、高溫水箱依次連接組成空壓余熱利用熱水管路。通過聯通水泵與低溫水箱、壓縮空氣熱交換系統和熱泵聯用系統的蒸發端余熱回收系統相結合，構成余熱回收系統水循環回路；壓縮空氣熱交換系統與低溫水箱、熱泵聯用系統的蒸發端和油水熱交換系統依次連接，組成冷卻水供水管路。其中油水熱交換系統，是將空壓機中高溫油路與油水換熱器的熱源進出口連接組成循環管路，油水換熱器吸熱端進口與水源熱泵蒸發端出口相連接引入低溫水冷卻空壓機油溫。換熱后熱水由泵送至工藝用熱點預熱器后進入水源熱泵冷凝端進口，二次升溫后的熱水存入高溫水箱，通過輸送管路供給廠區各個熱水需求點。壓縮空氣熱交換系統，是將空壓機產生的高溫壓縮空氣在進入凍干機前與液氣換熱器熱源端連接，經換熱后的水送至低溫水箱作為水源熱泵熱源。熱泵聯用系統,是將低溫水箱作為熱泵熱源與水源熱泵的蒸發端連接，并將水源熱泵蒸發端的出口經管路分送至油水換熱器和氣液換熱器冷卻吸收熱量。經油水換熱器吸熱升溫后的高溫熱水被送至工藝用熱點預熱器使用后送至水源熱泵的冷凝端二次升溫送至高溫水箱中。與控制系統結合，實現高低溫水箱溫度與水量的動態平衡。控制系統，是由低溫水箱中溫度與低溫水箱液位傳感器和高溫水箱中溫度與高溫水箱液位傳感器的反饋信號，由PLC控制器控制，根據低溫水箱和高溫水箱中溫度與液位高度的信息控制聯通水泵和補水閥門的開啟與關閉。通過熱泵運行狀態的檢測，控制兩個空氣冷卻器的開關運行狀態，以保證空壓系統的運行安全。

圖3 熱泵聯用余熱回收系統流程圖

4 經濟性分析

以某煙廠為例，其空壓站房年耗電量1020萬kWh，約為36 720 000MJ。空壓機產熱量為：36720000MJ×0.85=31212000MJ。空壓機全年可回收熱量為：3121200MJ×0.95=2965140MJ。以進水溫度20℃，出水溫度50℃為例，空壓機一年可產熱水235 000 t熱水。

年節省費用235000×7.2=169.2萬元。以熱泵COP等于4計算，熱泵系統運行成本10200000×0.85×0.95×0.22÷4×0.6≈45萬元，水泵等設備運行費用約為1.5萬/年。因此空壓機余熱泵聯用系統運行后一年可節約122.5萬元。

5 結論

空壓機油路、氣路的熱回收通過水源熱泵系統的綜合余熱回收利用系統，潤滑油熱回收系統與壓縮空氣熱回收系統的獨立，能夠更好地控制各個系統溫度的穩定性。高、低位水箱的設置有效存儲了熱能。水源熱泵系統的聯用，利用了壓縮空氣中回收的低溫熱源，提高余熱回收系統的能源利用效率。以某煙草公司實際生產情況估算，空壓機余熱與熱泵聯用系統運行預計年節約成本約122.5萬元，,并可以改善空壓機的運行工況,具有一定的經濟和社會效益。