空壓機能量回收系統簡介

唐超（上海市機電設計研究院有限公司，上海　200040）

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空壓機能量回收系統簡介

唐超
（上海市機電設計研究院有限公司，上海200040）

【摘 要】簡單地介紹了空氣壓縮機的分類，對最常用的兩種空氣壓縮機（螺桿式和離心式）進行熱量的分析，并根據生產廠家的設備樣本舉例計算，總結其能耗情況；介紹空氣壓縮機熱量回收的原理以及應用，闡述其優缺點；最終結合2014年設計完成的具體案例，對實際項目中的設備與系統進行分析，主要對余熱回收系統的經濟性和回報周期進行計算并得出結論。

【關鍵詞】空壓站節能壓縮熱余熱回收

1　概述

在工業領域迅速發展的今天，壓縮空氣以它安全、清潔、應用方便等獨特的優勢，已經被廣泛應用到工業領域的各個環節中，成為了名副其實的第二大動力源，所有制造型工廠都或多或少在使用著這一動力源。作為產生壓縮空氣的主要設備，各種各樣形式的空氣壓縮機都被應用到各種工廠，它的電耗平均約占企業總能源消耗的10～30%。空氣壓縮機輸入功率中的大部分被轉化成了熱能，并伴隨冷卻器排到周圍的環境中。所以，壓縮空氣系統成了工業企業中重要的節能對象。

2　空氣壓縮機的分類

空壓機主要是以其壓縮機的結構形式可分為二類，分別為動力式和位移式，而位移式根據其運動形式可細分為旋轉式和往復式。動力式可分為：噴射式，離行式，軸流式等；旋轉式可分為：滑片式，液環式，螺桿式，羅茨式等；往復式可分為直連式，十字頭式，活塞式，迷宮式和膜片式等，見圖1。

圖1　空氣壓縮機的形式

實際工程中，比較常見的只有二種，即螺桿式和離心式，見圖2。螺桿式一般運用在15-750KW機組中，離心式一般運用在560KW以上的機組。實際工程中的熱回收也主要是針對這兩種機型展開。

圖2　螺桿式和離心式的結構

3　空壓機生產中的熱量分析

對于電驅動的空壓機而言，可近似把它看成是一臺電加熱器，因為其在壓縮空氣的過程中，幾乎將所有的電能將轉換成熱能，這些熱能的產生會影響空壓機的正常使用壽命和運行質量，所以，為了保證空壓機能夠正常運行，需要給空壓機安裝良好的散熱系統，來確保空壓機的正常、安全運行。上述環節產生的熱能不但沒有被有效地利用，還需要增加額外的系統來幫助冷卻，并消耗更多的能量。

我們就以最常見的螺桿式空壓機和離心式空壓機為例，螺桿式空壓機組通常分為噴油螺桿和無油螺桿兩種，噴油螺桿的主要冷卻介質為油，通過潤滑油降低核心轉子和空氣的溫度，工作原理見圖3。無油螺桿的冷卻方式更接近于離心機，主要冷卻介質為水，工作原理見圖4。

以某廠家提供的空壓機樣本為例，進行計算：

舉例1（ZA5G-300無后冷卻的空壓機參數）：（圖5）

空氣密度為1.293 kg/m3

空氣比熱為0.24 Kcal/Kg≈1005 J/Kg.K

該空壓機壓縮的空氣重量為：1062*3.6*1.29/1000=4.932噸/小時

表1　某項目投資估算表

空氣的溫升：197-20=177℃

空氣的熱量=4.932*177*1005/3600=244 KW

熱效率244/315*100%=77.46%

即：有77.46%的電能轉化為熱能，并且最終將會被冷卻。

舉例2（GA160W噴油螺桿空壓機）（圖6）

空氣比熱為0.24 Kcal/Kg≈1005 J/Kg.K

潤滑油密度為0.875 kg/L

潤滑油比熱為2030 J/Kg.K

此空壓機所壓縮的空氣重：475X3.6X1.29/1000=2.21噸/小時

壓縮空氣的溫升為80-20=60K

壓縮空氣側的熱量為2.21X60X1005/3600=37 KW

潤滑油重量為2.53X3.6X875/1000=7.97噸/小時

潤滑油溫升為80-53=27 k

潤滑油側的熱量為 7.97X27X2030/3600=121.4 KW

本臺設備的總的熱量為：37+121.4 KW=158.4 KW

熱效率 158.4/160*100%=99%

即：有99%的電能轉化為熱能，并且最終將會被冷卻。

以上計算表明，在空壓機壓縮過程消耗的所有電能，絕大部分都轉化為熱能，這些熱能，需要通過冷卻水或者通風將氣流帶入大氣中成為廢熱。那就可以簡單的描述為：空氣壓縮機的主要產物是熱，副產物才是壓縮空氣，而我們正常生產和生活中只運用到了他的副產物。

圖3　噴油螺桿式空壓機工作原理示意圖

圖4　無油螺桿式空壓機工作原理示意圖

圖5　

圖6　

4　空壓機熱量回收系統及應用

在當今節能減排的嚴峻形勢下，空氣壓縮系統的這種粗放用能形式已無法滿足社會的要求。我們再設計壓縮空氣站房時，增加空壓機余熱回收系統應該成為一種常規模式，即需要增設一套油-水熱交換模塊，把空壓機的冷卻油管道與外部管道及連接件相連，置換出油系統中的熱量，并用于生活用熱水，淋浴用熱水，空調采暖熱源，鍋爐給水預熱，軟水或純水加熱等，空壓機散熱原理及余熱回收原理見圖7、8。

圖7　空壓機散熱原理圖

圖8　空壓機余熱回收原理圖

空壓機的余熱回收系統，不僅能夠產生巨大的經濟效益，同時，還具有以下優點：

（1）運行可靠，經濟實用。離心式和螺桿式空壓機增加余熱回收系統后，空壓機自身的運行、維護、保養完全不會被影響。

（2）延長了空壓機的使用壽命。傳統空壓機冷卻油系統的工作溫度約為80-90℃，有系統工作溫度的降低，減少了機器出現使用故障的幾率，變向延長了機器的使用壽命，增加了油系統各部件（如：機油、機油隔、油/氣分離器等）的更換時限，同時降低了維修的成本，并相應的也就延長了設備的更換期限。

（3）方便、衛生、安全。傳統螺桿式和離心式空壓機的余熱回收系統與燃氣燃油鍋爐相比，具有無污染、無黑煙、無二氧化硫、無一氧化碳、無噪音的優勢。一旦空壓機和余熱回收系統安裝并投入正常使用，工廠的員工和行政人員就可以隨時有熱水使用，無需定時定量專門制備和供應，為企業帶來更大收益和社會效益。

5　實際工程中的余熱回收系統經濟性分析

南京依維柯項目中，空壓站內采用了4臺150m3/h離行式空壓

············

機，2臺43m3/h和1臺51m3/h的噴油螺桿式空壓機組。其中，螺桿式機組采用了余熱回收系統，以此項目為例進行分析。

5.1熱回收量分析

43m3/h空壓機耗電量為250KW，51m3/h空壓機耗電量為315KW，按其可回收熱量為軸功率的50%，加載量按75%計算，可回收熱功率：

W=（250*2+315）kW×75%×50%=305.63kW

查《給水排水設計手冊》，南京地區冬季自來水溫按5℃計算，加熱至60℃，回收的熱功率可加熱水量L：

L=305.63kW×860÷1000÷（60-5）℃≈4.78m3/h

用空壓機余熱回收，即冬季冷水溫度按5℃計算時，8h可加熱約38.24噸熱水。

夏季冷水溫度按15℃計算。

L=305.63kW×860÷1000÷（60-15）℃≈5.84m3/h

即夏季冷水溫度按15℃計算時，8h可加熱約46.72噸熱水。

按每天工作20小時計算，可回收熱量為：

305.63kW×20h=6112.6kWh。約523.94萬kcal。

全年工作時間按300天考慮，全年回收熱量為：

523.94萬kcal×300=157182萬kcal

每年節約運行費用為：

天然氣熱值為約9227kcal/m3，按每立方4.2元計算，年節約費用為：

157182萬kcal÷9227 kcal/m3×4.2元/m3=71.54萬元。

節約折算標煤約為：

6112.6kWh×300×3噸標煤/萬kWh=550噸標煤

5.2投資估算（見表1）

6　結語

可見，螺桿式空壓機和離心式空壓機的余熱回收系統在經濟上和技術上都是成熟的。這項技術的運用既可以回收空壓機釋放出的廢熱從而降低了冷卻水的溫度，提高空壓機的穩定性，又可以提供熱水。同時，從企業的運行費用角度來說也是一種節約，企業能源消耗總量角度上也是一種節約。

但是余熱回收系統也有不足之處，由于制備出來的熱水溫度約為50℃，倘若運行不夠穩定，溫度可能會更低，所以有時需要借助熱泵機組，而較低的熱水溫度在平時的生活運用上會受到限制。大型企業或者公司的大型空壓站制備出來的熱水可能會無法用掉，最終自然冷卻有變成常溫熱水。

總而言之，螺桿式空壓機和離心式空壓機的余熱回收技術，既節約了企業用能，又改善了環境，還提高了設備本身的使用壽命，是一項成熟的、一舉多得的節能技術，需要大力推廣。

參考文獻：

［1］廉樂明等.工程熱力學.第四版，中國建筑工業出版社，1999.

［2］徐明等.壓縮空氣站設計手冊.機械工業出版社，1993.

［3］《建筑給水排水設計規范》.GB50015-2003.

［4］《壓縮空氣站設計規范》.GB50029-2014.