高寒隧道空壓機余熱回收供暖節能研究與應用

楊勇YANG Yong

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著國家鐵路隧道建設的快速發展，高原嚴寒地區的隧道建設規模也在日益擴大，但由于高海拔地區缺氧環境的限制，機械設備的工作性能受到嚴重制約，而空壓機組作為隧道高壓供風設備，長時間運轉，高溫機油余熱持續擴散并進一步影響空壓機運轉，降低了供風效率，增加了施工成本[1]。

高原嚴寒地區海拔高、氣溫極低，給管理及施工人員的生活造成了嚴峻的考驗，傳統的供暖方式有鍋爐供暖及電加熱供暖，日常供暖需要不斷消耗資源，成本高、利用率低。近年來，隨著太陽能綠色供暖技術的出現，供暖的過程成本得到了控制，但是設備的安裝成本較高，加之高原嚴寒地區環境惡劣，設備使用壽命短，維護更換代價高。

本文依托高原嚴寒地區鐵路隧道，對空壓機余熱回收原理進行研究，并應用于隧道的生活及辦公區，可為今后類似工程的空壓機余熱回收利用及生活保障問題提供一定的參考和經驗。

1 依托工程概況

高原某鐵路隧道位于四川省甘孜藏族自治州，海拔約3100m，10 月即進入冬季，可持續到第二年3 月，近6 個月天氣寒冷，雨雪天氣較多，一般冬季最低氣溫達-20℃左右。高海拔、嚴寒環境給施工生產及職工生活、辦公帶來了嚴峻考驗，需要安裝取暖設備進行供暖，以保證正常的生活辦公需要。隧道空壓機組設置于隧道洞口，通過供風鋼管管路將高壓風輸送到隧道掌子面。隧道生活區、辦公區住房建設在隧道洞口，以方便施工組織及日常管理，隧道進口建有簡易房33 間，總面積約750m2，隧道平導洞口建有簡易房10 間，總面積約180m2。

2 技術原理[2-4]

空壓機工作余熱回收系統由空壓機、空壓機熱能轉換機、循環保溫水箱、潤滑油管路、循環水管路及用水點等組成。空壓機在運轉過程中，在機頭內，螺桿高速旋轉，空氣依次通過濾清器、進氣閥進入機頭，空氣在高壓作用下被強烈地壓縮，混入潤滑油的空氣溫度急劇升高，油汽的高溫混合物排出機頭，進入油氣分離器。一方面，潤滑油（80~90℃）從油氣分離器排出后進入管路，經過空壓機熱能轉換機，在轉換機內將熱量傳遞到高導熱合金材料中，高導熱合金材料溫度升高，潤滑油降溫（60~65℃）后再流向油冷器，最終經過管路返回到機頭內；另一方面，高壓氣（80~90℃）從油氣分離器排出后進入管路，經過空壓機熱能轉換機，在轉換機內將熱量傳遞到高導熱合金材料中，高導熱合金材料溫度升高，高壓氣降溫（45~50℃）后再流向空冷器，經過氣水分離器將多余水分排出，形成高壓風，經管路輸送到隧道工作面。

循環保溫水箱內的水，在循環水泵的作用下，經管路進入空壓機熱能轉換機，高溫高導熱合金材料將熱量交換到管路中的水中，水溫升高，流回循環保溫水箱，熱水在熱水輸送泵的作用下，經管路流向用水點。循環保溫水箱內的水量通過補水電磁閥進行補充。

3 空壓機工作余熱回收供暖節能技術應用[5-9]

圖1 空壓機工作余熱回收技術原理圖

隧道洞口的簡易房均為彩鋼房，以輕鋼、槽鋼為骨架、以夾芯板為墻板材料構建的環保經濟型房屋，較磚混結構房屋保溫效果差，所以，為了保證職工的生活及辦公環境，取暖設施必須滿足要求。隧道進口安裝4 套余熱回收機，對33 間簡易房（總面積約750m2）進行供暖，隧道平導洞口安裝2 套余熱回收機，對10 間簡易房（總面積約180m2）進行供暖。該供暖系統內，用水點為布置在簡易房內的暖氣片，熱水流經暖氣片，通過暖氣片散熱，使房間內溫度升高，達到取暖的目的，熱水再通過管路流回循環保溫水箱，達到水循環利用。空壓機熱能轉換機見圖2，循環保溫水箱見圖3，熱水供應管路見圖4，室內暖氣片見圖5。

圖2 空壓機熱能轉換機

圖3 循環保溫水箱

圖4 熱水供應管路

圖5 室內暖氣片

經溫度測試，房間內可調溫度恒定值可達到22~50℃，供暖效果良好，滿足生活、辦公環境需求。

4 經濟性對比

以隧道進口33 間簡易房為例，與傳統電暖器供暖方式進行對比，進行供暖節約成本計算，工期按5 年計。傳統電暖器與余熱回收機經濟對比見表1。

表1 傳統電暖器與余熱回收機經濟對比表

計算說明：

4.1 設備費用

①33 個電暖器費用400×33=13200 元。

②余熱回收系統（含4 臺余熱回收機、管道、水泵及暖氣片全部費用）共計17 萬元。

4.2 用電費用

①電暖器33 個房間按照每年150d，每天12h 運行費用為118800 元（不含購買成本），按照使用時間5 年計算共計電費支出594000 元。

②余熱回收采用空壓機工作時，由油溫進行冷水的熱交換，可調溫度恒定在22~50℃，給33 個房間供暖（洗澡）無需任何電能能耗。水泵電費按照150d 每天12h 運行費用為4320 元。按照使用時間5 年計算共計電費支出21600 元。

4.3 空壓機節能費用

安裝余熱回收系統后，空壓機散熱風扇停止運行，每臺空壓機散熱風扇電機1.5kW，按照150d 每天12h 運行費用1.5×12×150×0.8=2160 元，則4 臺空壓機風扇5 年的用電費用為2160×4×5=43200 元。

通過計算，隧道進口安裝4 套余熱回收機，對33 間簡易房（總面積約750m2）進行供暖，與傳統電暖器供暖方式進行對比，按5 年工期計，共計節約成本45.88 萬元。

同時，在使用設備使用壽命[10]、房間供暖溫度方面，余熱機較傳統電暖器均具有較大優勢，傳統電暖器與余熱回收機使用效果對比見表2。

表2 傳統電暖器與余熱回收機使用效果對比

通過對比，傳統電暖器使用壽命為1~3 年，房間供暖溫度為18~22℃，而余熱回收機使用壽命可達10 年，房間內可調溫度恒定值可達到22~50℃。如果采用傳統電暖器[11-12]，一般工程工期內，需要對電暖器進行多次更換、維修，增加了成本投入，同時，傳統電暖器所提供的房間供暖溫度不滿足嚴寒地區生活辦公需要，造成了大量的電力資源浪費。

5 結論

依托高原嚴寒地區某鐵路隧道，對空壓機工作余熱回收供暖節能技術進行了研究并應用，得到了如下結論：

①空壓機工作余熱回收供暖節能技術，通過余熱機提供高溫油氣混合物，將熱量通過空壓機熱能轉換機傳遞到管路水體中，供應到用水點，該技術僅在循環水泵環節需要較少量電量，其他環節均不需要能源供應，將原本要排向大氣中的余熱進行了充分利用，同時，采用循環水路，僅需添加少量蒸發水補給，極大程度降低了施工成本，屬于環保節能技術。

②空壓機機油經循環管路降溫，流回機頭內，降低了空壓機運行溫度，無需降溫裝置運轉降溫，保證了空壓機的工作性能，不僅降低了施工、設備使用及維護成本，同時提高了高海拔地區空壓機使用壽命。

③余熱機房間供暖溫度可調且恒定，能夠滿足高海拔嚴寒地區生活辦公環境需要，可獲得較好的體驗。

下一步建議在冬期較長的地區，隧道洞口布置時可結合空壓機數量提前規劃，充分利用空壓機余熱回收技術，全面解決冬季房屋供暖、工人洗澡、施工用水等問題，并同步考慮拌和站設置距離以實現拌和站生活及生產用水加熱問題。