空壓機(jī)余熱利用案例及影響系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題探討

賈 玲 吳勇生

（太原煤炭氣化集團(tuán)（有限）責(zé)任公司 山西太原 030024）

引言

壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源,在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%—35%，是煤礦施工過(guò)程中的主要?jiǎng)恿υ粗弧８鶕?jù)GB19153-2009《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中噴油螺桿空氣壓縮機(jī)能效值（風(fēng)冷）計(jì)算，輸功效率最高值為63% 最低值為31% 。空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)，真正用于增加空氣勢(shì)能所消耗的電能只占50%左右，其余的50%轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)水冷或風(fēng)冷設(shè)備降溫，存在很大浪費(fèi)。空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)利用熱能轉(zhuǎn)換原理，把空壓機(jī)散發(fā)的熱量回收轉(zhuǎn)換到水里，降低空壓機(jī)組的運(yùn)行溫度，延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命，回收的熱水可用于員工洗澡、采暖等，從而提高電能利用效率，節(jié)約供熱成本。

1 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)工作原理

空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)有兩級(jí)換熱：一級(jí)油水換熱 在空壓機(jī)原油路系統(tǒng)的出口分別加裝三通電磁閥，將機(jī)油引出后通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)換熱。為了提高安全系數(shù)，保留原有風(fēng)冷系統(tǒng)，即空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)與原有冷卻系統(tǒng)并聯(lián)。經(jīng)油氣分離后，分離出的高溫氣直接通往原有的氣冷卻系統(tǒng)，分離出的高溫油則經(jīng)三通溫控比例調(diào)節(jié)閥內(nèi)的感溫元件檢測(cè)其溫度,若高溫油溫度低于60℃，則不用進(jìn)行熱交換，直接通過(guò)過(guò)濾器通往油路循環(huán)系統(tǒng)，若高溫油溫度高于60℃，則在進(jìn)行熱交換后再進(jìn)入油路循環(huán)系統(tǒng)。該油-水換熱系統(tǒng)中的水選用軟水,防止因腐蝕或積垢造成對(duì)空壓機(jī)的影響。二級(jí)水水換熱 通過(guò)板式換熱器將油-水換熱系統(tǒng)中加熱的軟水和自來(lái)水進(jìn)行二次換熱，得到45℃的熱水供澡堂洗浴。

2 煤礦澡堂供熱應(yīng)用案例

2.1 應(yīng)用背景及條件

爐峪口煤礦有兩臺(tái)250kW 壓縮機(jī)，一開(kāi)一備，工作壓力0.7MPa，3 級(jí)能效，每年消耗電量208 萬(wàn)kWh 左右。根據(jù)螺桿空壓機(jī)能效指標(biāo)值輸功效率，空壓機(jī)運(yùn)行的輸功效率為48.1%，51.9%的電能轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)掉了，為防止空壓機(jī)過(guò)熱，使用風(fēng)冷設(shè)備（22kW）降溫，風(fēng)冷設(shè)備年消耗電量19 萬(wàn)kWh，空壓機(jī)系統(tǒng)電能有效利用率不到45%，存在很大浪費(fèi)。

爐峪口煤礦澡堂共設(shè)洗浴池7 個(gè)，淋浴頭58 組，每天洗浴人數(shù)約500 人。經(jīng)實(shí)際測(cè)算澡堂換水頻率，洗浴池共計(jì)蓄水量58.12m3,正常使用情況下每天換兩次水，需水量為116.24 m3，淋浴需要50 m3，每日用水量為166.24 m3。煤礦以一臺(tái)4 噸蒸汽鍋爐對(duì)澡堂用水加熱，日耗煤量7.5 噸左右，按照目前市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，運(yùn)行、人工日消耗費(fèi)用需2660.8 元，一年的運(yùn)行費(fèi)用大約108.6 萬(wàn)元(不含水費(fèi))，二氧化硫排放量44.4 噸，煙塵排放量13.32 噸。根據(jù)政府要求，爐峪口煤礦必須在2017 年6 月底前拆除現(xiàn)燃煤鍋爐，并在10 月31 日前完成清潔能源的替代工作。目前市場(chǎng)上采用最多的清潔能源供熱方式有電鍋爐、燃?xì)忮仩t和空氣源熱泵等方式，經(jīng)調(diào)研確定采用最經(jīng)濟(jì)高效的空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)給澡堂供熱，不足部分用空氣能熱泵補(bǔ)充。

2.2 改造方案確定

改造方案按每日提供170 m3熱水制定，供水溫度定為45℃，冷水管路水溫按冬季最低溫度5℃計(jì)算,根據(jù)熱量計(jì)算公式每日供熱設(shè)備需提供熱量為：

一臺(tái)250kW 空壓機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行24 小時(shí)總消耗折算熱量為5160000 kcal，輸功效率為48.1%，平均加載率95%，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)工作效率95%，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)可回收總熱量為：5160000 kcal×（1-48.1%）×95%×95%=2416931 kcal利用空壓機(jī)余熱每日可提供熱水量：

注：C：水的比熱，1kcal/kg·℃

t1、t2：出水溫度、進(jìn)水溫度

通過(guò)以上計(jì)算可以得出，空壓機(jī)余熱回收一天至少可生產(chǎn)60.4 噸45℃洗浴用水，剩余109.6 m3，由空氣源熱泵提供。

單臺(tái)25 匹空氣能熱泵小時(shí)可產(chǎn)生熱水量為2 m3，根據(jù)日需補(bǔ)充水量=單臺(tái)機(jī)小時(shí)生產(chǎn)水量×臺(tái)數(shù)×工作小時(shí)，計(jì)算所需空氣源熱泵臺(tái)數(shù)為：109.6/2/8=6.85（臺(tái)），選用7 臺(tái)空氣源熱泵來(lái)補(bǔ)充澡堂用水。

2.3 節(jié)能效益對(duì)比

（1）改造后洗浴熱水年能源消費(fèi)量及費(fèi)用如下：我礦對(duì)改造后的澡堂供熱系統(tǒng)加裝電表計(jì)量，2017 年12 月至2018 年11 月共耗電1017600kWh，其中空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)只有一臺(tái)3kW循環(huán)泵24 小時(shí)運(yùn)行，耗電26280 kWh，按爐峪口煤礦平均電價(jià)0.68 元/kWh 計(jì)算，其余991320 kWh 是空氣源熱泵消耗。因空氣源熱泵是在晚間低谷電價(jià)運(yùn)行，電價(jià)0.28 元/kWh，加上分?jǐn)側(cè)萘抠M(fèi)0.1 元/kWh，合計(jì)電價(jià)0.38 元/kWh，年運(yùn)行費(fèi)用：26280×0.68+991320×0.38=39.46 萬(wàn)元

（2）如采用電鍋爐供熱，每日運(yùn)行8 小時(shí)提供170 m3熱水（熱量6800000 kcal），則需配備一臺(tái)1.05MW 的電鍋爐，15kW 給水泵，1.1kW 補(bǔ)水泵各一臺(tái)，年耗電量311.4 萬(wàn)kWh，費(fèi)用211.75萬(wàn)元（電價(jià)0.68 元/kWh）。

（3）如采用燃?xì)忮仩t供熱，每日運(yùn)行8 小時(shí)提供170 m3熱水（熱量6800000 kcal），則需配備一臺(tái)1.5 噸的燃?xì)忮仩t（105 m3/h），15kW 給水泵，1.1kW 補(bǔ)水泵各一臺(tái)。年耗燃?xì)饬浚?0.66 萬(wàn)m3，電量：4.8 萬(wàn)kWh。燃?xì)獍? 元/ m3計(jì)算，使用燃?xì)忮仩t系統(tǒng)供熱年運(yùn)行費(fèi)用：30.66 ×5+4.8×0.68=156.56 萬(wàn)元。

表1 能耗及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

通過(guò)以上四種供熱方式對(duì)比，采用空壓機(jī)余熱利用及空氣能熱泵聯(lián)合給澡堂供熱的方式能耗和運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于其他三種方式。

3 系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題及解決辦法

系統(tǒng)自2017 年11 月投入使用以來(lái)運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果，且維護(hù)檢修量很低，運(yùn)行費(fèi)用只有原來(lái)燃煤鍋爐的三分之一，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題，煤礦制定了解決辦法。

3.1 板換結(jié)垢換熱效率降低

在系統(tǒng)投入運(yùn)行兩個(gè)月后換熱效率降低，產(chǎn)生熱水量明顯下降，空壓機(jī)熱量散不走，排氣溫度達(dá)120℃，空壓機(jī)溫度保護(hù)動(dòng)作無(wú)法開(kāi)機(jī)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)由于煤礦水質(zhì)較硬導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢嚴(yán)重，拆開(kāi)清理了里邊的水垢后系統(tǒng)運(yùn)行恢復(fù)正常。

解決辦法：（1）在水箱自來(lái)水進(jìn)水口安裝硅磷晶罐大大緩解了結(jié)垢問(wèn)題；（2）每?jī)蓚€(gè)月清理一次換熱器水垢。

采取以上措施后，空壓機(jī)和換熱系統(tǒng)運(yùn)行正常，再未發(fā)生同類(lèi)故障。

3.2 冬季極端天氣空氣能泵效率低

煤礦處北方丘陵地區(qū)，冬季最低溫度零下二十度左右，在冬季極端天氣，空氣能泵效率下降，熱水產(chǎn)量少。而澡堂洗浴池因散熱快，熱水需求量加大，供熱不足。

解決辦法：采取定時(shí)供熱水。根據(jù)工人洗澡時(shí)間和用水量，由24小時(shí)供水改為一天分四個(gè)時(shí)間段集中供水，每次供水每個(gè)洗浴池水位比原來(lái)降低10cm，這樣即減少了供水量又保證了洗浴溫度。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)爐峪口煤礦空壓機(jī)余熱利用及空氣能熱泵聯(lián)合給澡堂提供熱水的實(shí)際案例可以看出，空壓機(jī)余熱利用是減少能源浪費(fèi)、提高能源利用率最有效的手段，且投資少、見(jiàn)效快，值得大力推廣應(yīng)用。