離心式空壓機(jī)余熱回收和水源熱泵洗浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張潔雄，穆永超，張昌建，2，羅景輝，2

（1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

空壓機(jī)是煤礦企業(yè)的大型設(shè)備之一，常年運(yùn)轉(zhuǎn)。空壓機(jī)工作過(guò)程中消耗的大量電能只有15%的能量轉(zhuǎn)換為空氣勢(shì)能，剩下85%的能量均轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)風(fēng)冷或水冷的方式排放到大氣中，造成了能源的巨大浪費(fèi)。因此，深度挖掘空壓機(jī)余熱資源，利用合適的解決方案，不僅可以提高能源的利用率、減少環(huán)境污染，也可以為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。目前空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)多是噴油螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)，離心式無(wú)油空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)改造還相對(duì)較少。本文以東龐礦為研究對(duì)象，利用離心式無(wú)油空壓機(jī)余熱回收+水源熱泵系統(tǒng)制取熱水。此次設(shè)計(jì)在不改變離心式無(wú)油空壓機(jī)原有工作狀態(tài)的條件下，對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可以使空壓機(jī)達(dá)到安全的工作狀態(tài)，又可以解決東龐礦洗浴問(wèn)題。

1 項(xiàng)目概況

東龐礦現(xiàn)有1 007 kW 的三級(jí)壓縮離心式無(wú)油空壓機(jī)5 臺(tái)，其中2 臺(tái)正常運(yùn)行，3 臺(tái)備用。空壓機(jī)排氣量為196 m3/min，空氣經(jīng)過(guò)一、二級(jí)壓縮變成高溫氣體，溫度達(dá)到100～120 ℃，三級(jí)壓縮后氣體的溫度為90 ℃。原冷卻系統(tǒng)是采用冷卻塔進(jìn)行冷卻，冷卻水經(jīng)過(guò)一、二級(jí)冷卻后出水溫度為37.4 ℃，經(jīng)過(guò)冷卻塔冷卻后溫度為33 ℃，并返回一、二級(jí)冷卻系統(tǒng)，三級(jí)高溫氣體熱量未利用。通過(guò)評(píng)估分析，該礦區(qū)空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性具備良好的余熱回收利用條件，利用空壓機(jī)余熱制取熱水，作為職工洗浴熱水的供水熱源，經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保。原有離心式無(wú)油空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 離心式無(wú)油空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)Fig.1 Centrifugal oil Free air compressor cooling system

2 余熱回收利用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)東龐礦區(qū)離心式空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，提出針對(duì)該礦區(qū)的離心式無(wú)油空壓機(jī)余熱回收+水源熱泵洗浴熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要對(duì)一、二級(jí)冷卻高溫空氣的冷卻水的熱量以及三級(jí)高溫空氣的熱量進(jìn)行回收，并以冷卻塔水池中水為熱源，通過(guò)水源熱泵機(jī)組來(lái)加熱洗浴用水。該系統(tǒng)具有換熱性能強(qiáng)、節(jié)能、維修簡(jiǎn)單、自動(dòng)除垢等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)工藝流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)工藝流程Fig.2 System process flow

（1）在現(xiàn)有的空壓機(jī)房?jī)?nèi)安裝3 套余熱回收熱水機(jī)組，在一級(jí)和二級(jí)冷卻系統(tǒng)進(jìn)水口添加調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)流量使出水口水溫達(dá)到45 ℃，在空壓機(jī)一級(jí)和二級(jí)冷卻系統(tǒng)出水口及三級(jí)高溫空氣出氣口處各增加3 個(gè)閥門(mén)，使余熱回收熱水機(jī)組一級(jí)和二級(jí)換熱器與空壓機(jī)的一級(jí)、二級(jí)的冷卻系統(tǒng)出水口連接，三級(jí)換熱器與三級(jí)高溫氣體出氣口相連接，冷卻水在余熱回收熱水機(jī)組換熱后水溫下降到40 ℃，返回冷卻塔。

（2）將余熱回收熱水機(jī)組一級(jí)和二級(jí)換熱器并聯(lián)，然后與三級(jí)換熱器串聯(lián)，冷水箱的15 ℃自來(lái)水通過(guò)循環(huán)泵先進(jìn)入一級(jí)和二級(jí)換熱器進(jìn)行換熱，水溫提升到35 ℃，再經(jīng)三級(jí)換熱器進(jìn)行提溫，水溫提升至45 ℃，進(jìn)入熱水箱，供洗浴使用。

（3）添加1 臺(tái)600 kW 水源熱泵，熱源端從冷卻水池中吸取熱量，提升熱水箱中水的熱量。冷水箱與熱水箱通過(guò)閥門(mén)連接，當(dāng)熱水箱水溫達(dá)到45 ℃，閥門(mén)打開(kāi)，自來(lái)水進(jìn)入熱水箱，再由水源熱泵進(jìn)行提溫至45 ℃，供洗浴使用。

3 余熱回收設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

制取洗浴熱水所需熱負(fù)荷為：

式中：Q 為制取洗浴熱水所需熱負(fù)荷，kW；cp為水的比熱容，J/(kg·℃)；m 為水的質(zhì)量流量，m3/h；t2為制取熱水溫度，℃；t1為進(jìn)水溫度，℃。

空壓機(jī)可回收的熱量為：

式中：Q 為空壓機(jī)所制取的熱量，kW；cp為空氣的比熱容，kJ/(kg·℃)；v 為空壓機(jī)排氣量，m3/min；ρ 為空壓機(jī)排氣溫度下的空氣質(zhì)量密度，kg/m3；t3為換熱前氣體溫度，℃；t4為換熱后氣體溫度，℃。

空氣的比熱容為：

式中：cp為空氣冷卻前后比熱容的均值，kJ/(kg·℃)；cp1為壓縮空氣冷卻前溫度下的比熱容，kJ/(kg·℃)；cp2為壓縮空氣冷卻后溫度下的比熱容，kJ/(kg·℃)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 洗浴熱水所需熱負(fù)荷

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)累積測(cè)算及東龐礦所提供資料分析，礦區(qū)職工洗浴用水量約600 t/d。自來(lái)水溫度為15 ℃，洗浴熱水溫度為45 ℃，經(jīng)上式計(jì)算，制取洗浴熱水所需熱負(fù)荷為872.25 kW，考慮熱損失為10%，總熱負(fù)荷為959 kW。此負(fù)荷作為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2.2 空壓機(jī)可回收熱量

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，一級(jí)和二級(jí)壓縮后的排氣溫度均為110℃，經(jīng)冷卻水降溫后空氣溫度降至48 ℃。三級(jí)壓縮后的排氣溫度為90 ℃，經(jīng)熱水機(jī)組的三級(jí)換熱器換熱后溫度降為50 ℃，供礦井使用。空壓機(jī)可回收熱量見(jiàn)表1。

表1 空壓機(jī)可回收的熱量Table 1 Recoverable heat of air compressor

系統(tǒng)冷卻水端進(jìn)入空壓機(jī)一級(jí)和二級(jí)冷卻系統(tǒng)流量為17 m3/h，45 ℃冷卻水經(jīng)換熱器降溫至40℃；由冷水箱流出的自來(lái)水進(jìn)入余熱回收熱水機(jī)組流量為8 m3/h，自來(lái)水經(jīng)一級(jí)和二級(jí)換熱器水溫從15 ℃升溫至35 ℃，換熱器內(nèi)流量為4 m3/h，經(jīng)三級(jí)換熱器水溫從35 ℃升溫至45 ℃。經(jīng)計(jì)算，1 臺(tái)空壓機(jī)利用熱水機(jī)組可回收熱量為279 kW，熱水機(jī)組總回收熱量為558 kW。

4 系統(tǒng)設(shè)備選型

系統(tǒng)主要由熱水機(jī)組、水源熱泵機(jī)組、冷水箱、熱水箱、潛水泵、循環(huán)水泵、洗浴供水泵、硅磷晶罐等設(shè)備組成。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要設(shè)備參數(shù)Table 2 Main equipment parameters

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 投資費(fèi)用

項(xiàng)目投資費(fèi)用主要包括設(shè)計(jì)費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用、管網(wǎng)安裝施工費(fèi)，總投資約320 萬(wàn)元。

5.2 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

東龐礦職工工作班制為三班，每班8 h，洗浴熱水需要全天24 h 供給，礦區(qū)電價(jià)為0.6 元/（kW·h），離心式無(wú)油空壓機(jī)的余熱回收系統(tǒng)在礦區(qū)全年投入使用，主要運(yùn)行設(shè)備有熱水機(jī)組、水源熱泵機(jī)組、水泵等，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用Table 3 System operating costs

由表3 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用可知，電費(fèi)共計(jì)62.11 萬(wàn)元，運(yùn)行期間每年所需的人工費(fèi)用為3 萬(wàn)元/人，共1 人，總運(yùn)行費(fèi)用65.11 萬(wàn)元。

5.3 原系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

東龐礦目前由電廠蒸汽加熱洗浴熱水，全年用于制取洗浴熱水所需蒸汽量為14 292 t，現(xiàn)蒸汽費(fèi)用為180 元/t，全年蒸汽費(fèi)用為257.3 萬(wàn)元。另需人工費(fèi)用9 萬(wàn)元，總運(yùn)行費(fèi)用為266.3 萬(wàn)元。

5.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

本系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)用為65.11 萬(wàn)元，原有蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為246.5 萬(wàn)元，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用201.19萬(wàn)元；項(xiàng)目投資需要320 萬(wàn)元，投資回收期為1.59 a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié) 論

（1）本文根據(jù)東龐礦實(shí)際情況和需要，設(shè)計(jì)了一種新型的離心式無(wú)油空壓機(jī)余熱回收+水源熱泵系統(tǒng)用于加熱洗浴熱水，替代原有蒸汽加熱系統(tǒng)。

（2）該系統(tǒng)利用離心式無(wú)油空壓機(jī)+水源熱泵系統(tǒng)解決了礦區(qū)600 t/d 熱水的需求，即不影響原有系統(tǒng)的正常運(yùn)行，又提高了能源的利用率，節(jié)能減排效果顯著。

（3）該項(xiàng)目每年可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用201.19 萬(wàn)元，投資回收期1.59 a，投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益良好。