高寒隧道空壓機房熱能轉換供洞外取暖的研究

張少兵

摘 要：雀兒山隧道地處高原高寒地區、環境極其惡劣，隧道進口海拔4366m，年極端最低溫度-34.7℃。拌合站材料暖棚及拌合用水升溫、鋼筋加工棚、焊接車間、施工人員辦公及宿舍等，都需要大量的熱能。通過對空壓機房熱能的合理利用，減少了能源浪費、降低了施工成本、降低了環境污染。

關鍵詞：空壓機組；熱能利用；節能；效益；環保

引言

隧道施工中開挖及支護都需要空壓機為其提供穩定的高壓供風。空壓機在產生高壓空氣過程中會產生大量熱能，合理有效的利用這些能源，既可為企業創造良好的收益，也保護了環境。熱能轉換系統充分利用空壓機工作時的熱量，冷熱交換將循環水中的冷水升溫至50-70℃的熱水，通過溫控及供水系統將熱水供應到生產生活使用區。

1 空壓機熱能轉換熱水或熱氣工作原理

隧道空壓機房熱能轉換原理：壓縮機在工作過程中產生的熱量中大部分被壓縮后的油氣混合物帶走。這些油氣混合物經過分離，分別在油冷卻器和氣冷卻器中被冷卻介質（水或空氣）帶走。通過配置熱能轉換系統，可以在高溫機油管道未到達空壓機散熱器之前，串聯接入熱能轉換油路，通過冷熱交換將循環水中的冷水升溫至50-70℃的熱水，于此同時高溫油路中的機油得以釋放熱能，經釋放熱能后的低溫油路，進過空壓機油冷卻器降溫系統后，進入空壓機重新參與降溫循環，經冷熱轉換升溫的循環水，通過溫控及供水系統將熱水供應到生產生活使用區。理論上講，除了2%的輻射熱量不能回收外，幾乎98%的熱量均可以被回收利用。

當空氣壓縮機運行一段時間后，機體及冷卻機油溫度升高，當冷卻機油溫度升高到熱交換器旁通閥的溫度設定值時，閥門自動打開，冷卻機油進入熱交換器將熱量傳遞給循環冷卻水。當熱能轉換回收系統的熱水暫時不需要或停止使用時，熱交換器內不發生熱量交換時，冷卻機油仍然保持高溫狀態（通常大于油冷卻器旁通閥的設定溫度），于是冷卻器油經油冷卻器旁通閥進入油冷卻器進行冷卻后再進入空壓機，保證空壓機正常工作。空壓機熱能轉換器就是通過介質吸收熱能，達到空壓機高溫冷卻油路降溫的目的，同時使降溫介質升溫，達到熱能利用的目的。

2 空壓機房熱能轉換利用計算

雀兒山隧道供風選用艾唯特SG-132/8型螺桿空壓機，排氣壓力為0.8MPa，排氣量為22.7m3/min，電機功率為132kw。空壓機房共計配置132kw空壓機8臺，7臺使用1臺備用。

空壓機工作過程實際就是將電能轉換成勢能和熱能及機械能的過程，真正在運行過程中用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占很小一部分，約10%，90%左右的電能被轉換了熱能，這部分熱被機器本身的傳熱部件所帶走或被風機散發到了空氣中。所以我們通常可以見到空壓機及空壓機房都有大功率風機在工作，排出的是熾熱的風，空壓機正常運行時環境溫度需要控制在40℃以下。以雀兒山隧道項目為例進行熱能計算。

高原地區由于氣壓低，造成空壓機有效功率僅為81%，以空壓機有效功率90%電能轉化為熱能，采用油氣雙回收系統熱能回收率93%計算熱能回收總功率：

7臺空壓機有效總功率：132×7×0.81=748.44kw/h（一臺備用）

電能轉化熱能總功率：748.44×0.9=673.6kw/h

熱能回收總功率：673.6×0.93=626.5kw/h（每小時可利用熱能）

其中：熱能回收總功率62%即388.43kw/h被用于生產熱水隧道外供暖。

熱能回收總功率38%即238.07kw/h被用于生產熱風隧道內供暖。

根據以上計算空壓機房熱能回收總功率62%為：388.43kw/h如能充分利用：

1噸（1000升）水升溫1℃需要耗電量是1.16kw/h

需要將0℃的循環水升溫至60℃溫差為60℃

1噸（1000升）水升溫60℃需要耗電量是69.6kw/h

以每天空壓機房運行16小時計算：

V=（388.43×16）/69.6=89.3噸

結論：每天空壓機房工作16小時，7臺132kw/h空壓機，所釋放熱能通過4臺熱能轉換熱水機，可將0℃的水升溫至60℃總量89.3噸。

根據計算空壓機房熱能轉換為60℃熱水89.3噸，雀兒山隧道施工現場熱水分配方式數量如下：

（1）洗澡用水：每人洗澡用水30L，水溫50-60℃，現場施工及管理人員250人。

合計用循環熱水：V=250×30/1000=7.5噸

（2）拌合站封閉式料倉車間18000m3，耗熱量315kw/h，料庫及洞口值班房、發電機房、監控室、制氧車間、吸氧室等合計4000m3，耗熱量70kw/h。以每天供暖6小時，通過水暖氣供暖方式，需要消耗熱量2310kw。

合計用循環熱水：V=2310/69.6=33.2噸

（3）宿舍及食堂等公共區域供暖面積4000m2，耗熱量指標75w/m2，總耗熱量300kw/h，以每天供暖8小時，通過水暖氣供暖方式，需要消耗熱量2400kw。

合計用循環熱水：V=2400/69.6=34.5噸

（4）拌合站混凝土拌合用水，循環熱水取暖用量以外用于混凝土拌合用量。

合計用循環熱水：V=89.3-（7.5+33.2+34.5）=14噸

熱能轉換生產循環熱水系統，在使用過程中應定期維修、保養，應配備修理工2名、電工1名，此3人屬隧道施工配合班人員，進行日常檢查維護保養。空壓機房熱能轉換利用，需要在8臺空壓機的基礎上，配套安裝8套空壓機熱能轉換機，20m2的保溫水罐及相應的連接管道。

3 效益分析

通過不斷的采用“新材料、新技術、新設備”完善隧道洞口配套設施施工環境升溫及保溫技術，提高混凝土拌合站及鋼構件加工焊接車間環境溫度確保工程質量、提高施工人員生產生活環境溫度，優化施工環境，合理利用資源減少能源浪費。

雀兒山隧道施工中通常每循環打鉆3小時，噴射混凝土5小時，每天兩個循環供風16小時，每小時節約利用熱能388.43kw，每天利用6215kw。經熱能轉換利用后，空壓機房降溫設施，每臺空壓機4臺550w降溫風扇，空壓機房10臺750w風扇停用，每小時耗能23kw被節約，以用電每千瓦時0.8元計算，每天熱能利用4972元，節約用電294.4元，每年中半年冬季施工的利用升溫可節約96.11萬，4年5個冬季可節約481萬元，熱能轉換系統2臺空壓機配一臺熱能轉換熱水機，4臺熱水機24萬元，施工期間可節約457萬元。

通過對空壓機房熱能轉換利用，以及人員組織及機械配置，掌握了在極寒環境下隧道洞口配套設施供暖施工技術，充分了解隧道施工在高寒情況下的影響，采取合理的節能減排工藝，達到安全、經濟的目的，對以后高海拔高寒地區隧道施工可起到指導作用。

參考文獻

[1]錢斌江，任胎文，常家芳，等.簡明傳熱手冊[S].高等教育出版社，1983.

[2]供暖通風設計手冊[S].中國建筑工業出版社，1987.