空壓機余熱回收系統節能技術改造

寧建軍

(陜西柴油機重工有限公司，陜西 興平 713105)

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空壓機余熱回收系統節能技術改造

寧建軍

(陜西柴油機重工有限公司，陜西 興平 713105)

介紹了空壓機余熱回收利用系統技術，分析了空壓機余熱回收利用系統的結構和工作原理，通過計算,得出空壓機余熱回收利用系統技術的應用所產生的經濟效益，證明了空壓機余熱回收裝置能達到余熱利用、節能環保的目的。

空壓機;熱回收;回收裝置;節能；技術改造

0 引言

空壓機在運行過程中，機械做功壓縮空氣時會產生大量的熱量，使得機體發熱，降低壓縮效率，因而必須通過風冷(或水冷)散熱系統進行冷卻，將熱量排散出去，但空壓機這種散熱方式會造成熱能的浪費和電能損耗。為了節約能耗，通過對空壓機油氣余熱回收再利用的節能技術進行改造，把空壓機產生的余熱通過熱交換，制取熱水，供應淋浴、采暖、鍋爐補水、工業熱水等，以達到節能和環保的目的。

1 目前現狀

現有7臺壽力噴油螺桿空壓機，其中4臺LS25-350H(262 kW)，額定排氣量44.6 m3/min；3臺LS32-450H(336 kW)，額定排氣量62.6 m3/min，設備的加載率在90%以上。這7臺空壓機工作時產生大量的熱量通過風冷冷卻，直接排向大氣中。這樣既對環境溫度造成影響，又浪費產生的熱量。

2 改造內容

(1)空壓機余熱回收系統替換原空壓機散熱系統，安裝空壓機余熱回收器，與雙螺桿空氣壓縮機聯接，回收空壓機的余熱資源。

(2)采用自動化電氣控制系統，實時顯示系統溫度、壓力、水位等技術參數，并通過控制程序實現自動化運行。

(3)安裝保溫水箱，用于空壓機回收熱水的蓄能裝置。

(4)采用恒壓供水系統，供給需要的熱水。

(5)在空壓機余熱回收系統中增加定時自動除垢功能，避免系統管路結垢，確保換熱效率。

(6)所有熱轉換裝置、傳熱系統、蓄熱裝置做保溫措施，有效防止熱量散失。

3 技術原理

3.1 原空壓機冷卻原理

噴油螺桿式空氣壓縮機在長期連續運行過程中，將電能轉換為機械能，再將機械能轉換為氣壓能。在空氣壓縮過程中，壓縮空氣體積減小，空氣中的熱能濃縮引起壓縮空氣溫度驟升，同時壓縮機螺桿的高速旋轉產生摩擦熱，這些熱量隨著空壓機的潤滑油氣混合物排出機體。這部分高溫油氣流排出的熱量相當于空壓機功率的90%以上，其溫度通常在80～100 ℃之間(冷卻前的排氣溫度)。由于機器運行溫度的控制要求，這些熱量必須通過冷卻系統(風冷的方式)排入大氣中。原空壓機冷卻原理示意圖如圖1所示。

圖1 原空壓機冷卻原理示意圖

3.2 改造后空壓機余熱回收原理

空壓機熱回收就是利用熱能轉換原理，將空壓機散發的熱量回收轉換到水里，水吸收熱量升溫使空壓機運行溫度降低，從而保障了空壓機能夠高效、正常運行。這種余熱回收方法可以利用空壓機廢熱制成的熱水用于供熱達到了廢熱回收利用的目的。

空壓機余熱回收技術在不消耗額外能源的情況下，將空壓機的余熱回收利用，不僅能使空壓機在最佳工況下運行提高產氣效率，同時能夠減少原空壓機散熱系統的能耗，減少原加熱能源的使用量，具有較好的節能減排效果。

4 空壓機余熱回收系統組成及作用

本系統由空壓機余熱回收器、供熱系統、補水系統、電氣控制系統、保溫水箱等組成。改造后空壓機余熱回收原理示意圖如圖2所示。

圖2 改造后空壓機余熱回收原理

(1)空壓機余熱回收器：采用圓管流道設計、高效熱導材料、減小空氣阻力等多項新技術，實現了水或油、水或氣密封隔離，解決了水或油、水或氣可能滲透的技術難題。

(2)供熱系統：保溫水箱儲水達到一定量時，當需要用熱水時，恒壓供水水泵啟動運行，由恒壓供水系統，將熱水加壓后，供淋浴、采暖、鍋爐補水、工業熱水用。

(3)補水系統：余熱回收器作為一個余熱回收系統，在啟動任意1臺空壓機時，聯動電信號傳送到余熱回收器，同時檢測該空壓機油溫。當油溫滿足條件時，同步啟動熱回收補水循環泵將自來水送進相應的余熱回收器，進行熱交換。

(4)電氣控制系統：空壓機余熱回收系統配套自動化電氣控制系統，可實現手動和自動控制方式。電氣控制系統采用可編程控制器(簡稱PLC)為主要控制手段，操作及監視功能采用觸控式人機界面。應用動態組態軟件，實時顯示系統進出水溫度、壓力、熱水流量、空壓機油溫、水溫、水位等技術參數，并通過控制程序實現自動化運行，不需要人工操作。空壓機余熱回收系統如圖3所示。

(5)保溫水箱：用來儲存空壓機余熱回收產生的熱水，保溫水箱是以聚氨酯整體發泡做為芯層，以304不銹鋼板材為內層，以普通不銹鋼板材為外層。內、外不銹鋼層與芯層進行優化組合，從而形成了不銹鋼保溫水箱。常溫下24 h內使用聚氨酯整體發泡的不銹鋼保溫水箱降溫在3°以內。

圖3 空壓機余熱回收系統

5 余熱回收系統工作原理

改造后，啟動空壓機時聯動信號傳送到余熱回收器，同步啟動熱回收循環泵和余熱回收機組，通過余熱回收器進行高溫潤滑油、壓縮空氣和水的熱交換，把空壓機產生的余熱回收后轉換為55 ℃熱水輸送到保溫水箱進行蓄熱。當需要用熱水時，恒壓供水水泵啟動運行，供熱系統提供熱水給用戶端。

6 功能特點

(1)采用圓管流道設計、高效熱導材料、減小空氣阻力等多項新技術，使空壓機油氣余熱雙回收和水或油、水或氣密封隔離，解決了水或油、水或氣可能滲透的技術難題。

(2)空壓機運行時，熱回收設備回收空壓機熱能，空壓機停止時關閉供水系統，自動停止換熱，實現空壓機運停和換熱系統的聯動。

(3)提升油溫控制，使空壓機溫度在80～90 ℃最佳運行狀態下運行。

(4)余熱回收機組采用直熱式空壓機余熱回收裝置。從自來水管網通過循環水泵引3.5 kg/cm2以上壓力的冷水進入空壓機余熱回收裝置，冷水進水直熱到設定溫度出55 ℃熱水，熱水進入儲水箱。系統還配置循環系統，當水箱水滿后，會啟動循環系統，讓熱水進入空壓機余熱回收器循環加熱。

(5)空壓機余熱回收系統具有切換裝置。系統維修時，若不使用空壓機余熱回收裝置時可切換到原有的空壓機運行系統狀態，而不至于影響空壓機的維修使用。

(6)余熱回收系統中有定時自動除垢功能，使空壓機熱水機的使用壽命長達15 a。

(7)熱回收效率高：空壓機熱回收效率可達到90%以上，可提高空壓機的產氣量8%～10%。

7 改造完成后的技術指標

(1)保證空壓機的運行和技術狀態不受影響。

(2)改造完成后，空壓機機頭運行溫度控制在80～90 ℃。

(3) 油路、氣路雙回收，空壓機熱回收效率大于輸入功率的90%。

(4)熱回收加熱方式為直熱式，即5 ℃冷水經熱回收器后一次性加熱到55 ℃以上。

(5)空壓機在額定工況加載運轉情況下，冬季進水溫度為5 ℃，出水溫度為55 ℃(溫升50 ℃)，336 kW余熱回收器產水量不小于5.4 t/h，262 kW余熱回收器產水量不小于4.19 t/h；262 kW余熱回收器加熱采暖循環水時，進水溫度40 ℃，出水溫度不小于60 ℃，回收熱量不小于209.6 kW。

(6)壓縮空氣經熱回收器后壓降小于等于0.005 MPa，空壓機熱油經熱回收器后回油壓力高于0.35 MPa。

8 改造后節能量分析

對7臺空壓機進行了余熱回收利用改造，改造后節能量按照《供暖通風設計手冊》測算如下。

8.1 計算參數

(1)每小時可回收熱能：

每臺262 kW空壓機每小時可回收熱量：

Q1=P1Kj

式中：Q1為熱量，kJ；P1為功率，P=262 kW；Kj為功熱換系數，Kj=3.6×103kJ/h。

經計算，Q1=9.432×105kJ/h。

每臺336 kW空壓機每小時可回收熱能：

Q2=P2Kj

式中：Q2為熱量，kJ；P2為功率，P2=336 kW。

經計算，Q2=1.209 6×106kJ/h。

(2)開機時間：12 h

(3)運行臺數：262 kW空壓機4臺和336 kW空壓機3臺。

8.2 每天可回收總熱量計算

Q=Q1t1m1+Q2t2m2

式中：Q為每天可回收總熱量，kJ；t1為226 kW空壓機開機時間，t1=12 h；t2為336 kW空壓機開機時間，t2=12 h；m1為運行226 kW空壓機的臺數，m1=4；m2為運行336 kW空壓機的臺數，m2=3。

經計算，Q=8.88 192×107kJ/h

8.3 進水溫度5 ℃時每天可產生55 ℃的熱水量

式中：T1為出水溫度，T1=55 ℃；T2為進水溫度，T2=5℃；C為水比熱容，C=4.186 8 kJ/(kg·℃)；M為水量，kg。

經計算，M=424 282 kg。

8.4 天然氣鍋爐加熱節能量計算

天然氣鍋爐熱效率、蒸汽管路熱損失、蒸汽加熱效率、水箱熱損失綜合加熱總效率約為60%。

(1)每天節約天然氣量：

式中：L為天然氣量，m3；η為熱效率，η=60%；q為天然氣熱值，q=35 588 kJ/ m3。

經計算，L=4 160 m3。

(2)每年(按300天)節約天然氣量L′：

L′=300L=1.248×106m3

9 結語

通過對7臺壽力風冷式噴油螺桿空壓機設備余熱回收系統改造，提高了空壓機的工作效率，利用了余熱資源，年節約天然氣1 248 000 m3，年節約資金385.632萬元，折合年節標煤1 659.84 t，達到節約能源，降低生產成本的目的。

[1] 陸耀慶.供暖通風設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1987.

[2] 劉建民，陳建軍.螺桿式空壓機運行及維護技術問答[M].北京：中國電力出版社,2011.

2015-05-12

寧建軍(1970—)，男，高級工程師，從事電站、電氣系統設計、節能改造技術應用設計。

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