壓縮空氣系統(tǒng)能量回收節(jié)能研究

畢寧

摘 要：空壓機用于增加空氣勢能所消耗的電能只占運行功率的15%左右，85%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過空壓機機殼和冷卻器排放到大氣中去，文章對空壓機產(chǎn)生的余熱進行回收進行分析研究。

關(guān)鍵詞：空壓機；壓縮空氣能耗；余熱回收；節(jié)能

中圖分類號：F426.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0091-03

Abstract： The electric energy consumed by air compressor for increasing air potential energy only accounts for about 15% of the operating power， 85% of the electric energy is converted into heat energy， which is discharged into the atmosphere through the air compressor housing and cooler. This paper analyzes and studies the recovery of the waste heat produced by the air compressor.

Keywords： air compressor； energy consumption of compressed air； waste heat recovery； energy saving

1 壓縮空氣能耗及費用分析

壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動力源之一。由于其具有安全、無公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點，使其在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。但要得到品質(zhì)優(yōu)良的壓縮空氣需要消耗大量能源。在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的15%左右。

（1）根據(jù)行業(yè)調(diào)查分析，空壓機系統(tǒng)5年的運行費用組成：系統(tǒng)的初期設(shè)備投資及設(shè)備維護費用占到總費用的25%，而電能消耗（電費）占到75%，幾乎所有的系統(tǒng)浪費最終都是體現(xiàn)在電費上。

（2）根據(jù)對各個行業(yè)的空氣系統(tǒng)進行評估，可以發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)的壓縮空氣系統(tǒng)，無論其新或舊，運行的效率都不理想-壓縮空氣泄漏、人為用氣、不正確的使用和不適當?shù)南到y(tǒng)控制等等均會導致系統(tǒng)效率的下降，從而導致客戶大量的能耗浪費。據(jù)統(tǒng)計，空氣系統(tǒng)的存在的系統(tǒng)浪費約15-30%。這部分損失，是可以通過全面的系統(tǒng)解決方案來消除的。

（3）壓縮機用于增加空氣勢能所消耗的電能只占運行功率的15%左右，85%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過空壓機機殼和冷卻器排放到大氣中去。

a.噴油螺桿空壓機熱能回收系統(tǒng)，在保證空壓機穩(wěn)定運行的情況下，回收空壓機高溫冷卻油中的壓縮熱，并確保流回轉(zhuǎn)子冷卻油溫度符合要求且穩(wěn)定；回收的壓縮熱約占空壓機輸入功率的60%以上。

b.無油螺桿空壓機熱能回收系統(tǒng)，提高空壓機冷卻水排水溫度至80℃，利用外部回收成橇回收其中的壓縮熱，并確保重新流回空壓機中冷、后冷的冷卻水溫度符合要求且穩(wěn)定；回收的壓縮熱約占空壓機輸入功率的70%。

c.離心空壓機熱能回收系統(tǒng)，在保證空壓機穩(wěn)定運行的情況下，可回收離心機空壓機末級排氣中的壓縮熱，回收的壓縮熱約占空壓機輸入功率的18%。

2 壓縮空氣系統(tǒng)余熱分析

根據(jù)美國能源署統(tǒng)計壓縮機在運行時，真正用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占很小的一部分，大約的電能轉(zhuǎn)化為熱量，通過風冷或者水冷的方式排放到空氣中。這些“多余”熱量被排放到空氣中，這使得這些熱量被浪費，對于這些被浪費的熱量，其中有大多是可以被利用的。

空壓機壓縮過程動能與熱能轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的熱量分析：100%的輸入軸功率；約2%為輻射熱量；約4%為留在空壓機的熱量；約94%為可回收的熱量。

可回收的熱量分析：100%的電能消耗，電機散熱約為5%，潤滑油帶走熱量約為75%；壓縮空氣帶走熱量約為10%；其他的損失為10%；可以回收的熱量為85%。

3 壓縮空氣系統(tǒng)能量回收節(jié)能解決方案

空壓機的工作流程：空氣通過進氣過濾器將大氣中的灰塵或雜質(zhì)濾除后，由進氣控制閥進入壓縮機主機，在壓縮過程中與噴入的冷卻潤滑油混合，經(jīng)壓縮后的混合氣體從壓縮腔排入油氣分離罐，從而分別得到高溫高壓的油、氣。由于機器工作溫度的要求，這些高溫高壓的油、氣必須送入各自的冷卻系統(tǒng)，其中壓縮空氣經(jīng)冷卻器冷卻后，最后送入使用系統(tǒng)；而高溫高壓的潤滑油經(jīng)冷卻器冷卻后，返回油路進入下一輪循環(huán)；根據(jù)計算在上述過程中，高溫高壓的油、氣所攜帶的熱量大約相當于空氣壓縮機功耗的85% 的轉(zhuǎn)化熱量，余熱溫度通常在80℃-100℃之間。空壓機運行產(chǎn)生的余熱，如果不交換掉，可引起電機高溫及排氣高溫，不但影響空壓機的使用壽命，更影響壓縮空氣的質(zhì)量；如直接由冷卻系統(tǒng)將熱量排放，不但浪費了能源，更會造成熱污染。在提倡建設(shè)節(jié)約型社會的大趨勢下，這種浪費無疑與我們的價值觀念背道而馳，如何回收利用這些余熱，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所急待解決的一個技術(shù)問題。

為了充分利用空壓機所產(chǎn)生的余熱，利用余熱回收裝置對空氣壓縮機所產(chǎn)生的高溫高壓的壓縮機油進行冷卻，不僅可以提高空氣壓縮機的產(chǎn)氣效率，而且可使企業(yè)獲得生產(chǎn)和生活所需的熱水，從而有效降低工業(yè)企業(yè)單位制造成本和提高能源的利用率。

4 壓縮空氣系統(tǒng)熱回收應(yīng)用范圍

（1）溫度在～90℃可用于鍋爐預熱。

（2）溫度在～70℃可用于工藝用水。

（3）溫度在～60℃可用于衛(wèi)生用水。

（4）溫度在～50℃可用于樓宇采暖。

（5）溫度在～50℃可用于RO純水。

5 能量回收系統(tǒng)

下面只針對溫度在～60℃用于衛(wèi)生用水和溫度在～50℃用于樓宇采暖做能量回收系統(tǒng)案例分析。

5.1 案例分析

現(xiàn)有110kW空壓機4臺，預計四臺全開，每天運行24H，按照回收效率75%計算，每小時可節(jié)能：110kW*2.5*100%*75%=206kW

現(xiàn)計劃將空壓機余熱進行熱回收改造，回收熱量用于員工洗浴用水加熱，其余熱量供給空調(diào)使用。

洗浴用熱需求如表1。

供暖用熱需求如表2。

空壓機運行中產(chǎn)生的廢熱可以同時滿足洗浴和空調(diào)用熱需求，每年節(jié)約能耗如表3。

5.1.1 能量回收系統(tǒng)流程（見圖1）

5.1.2 系統(tǒng)流程說明

該系統(tǒng)采用直熱式能量回收系統(tǒng)，全天自動運行，完全實現(xiàn)無人值守。

（1）能量回收系統(tǒng)：單臺空壓機獨立配置一臺能量回收系統(tǒng)，開機后，系統(tǒng)自動判別油溫，高于設(shè)定值給控制柜信號啟動循環(huán)泵。

能量回收系統(tǒng)根據(jù)出水溫度自動調(diào)節(jié)出水流量，溫度高于設(shè)定值出水流量增大，反之出水流量減小。

（2）控制柜：控制柜檢測閉式循環(huán)水壓、水溫及循環(huán)水箱溫度、液位，控制循環(huán)泵、供暖泵等。

系統(tǒng)檢測每天能量回收系統(tǒng)運行狀態(tài)，任何一臺油溫超過設(shè)定值循環(huán)泵工作，系統(tǒng)進入換熱狀態(tài)：a.系統(tǒng)溫度超過設(shè)定溫度，系統(tǒng)待機。b.補水電磁閥：水位低于中水位補水，到高水位停止。c.二次側(cè)循環(huán)泵：循環(huán)水箱水位高于低水位且換熱器一次側(cè)進水高于設(shè)備啟動溫度。d.供水泵：循環(huán)水箱溫度高于送水溫度、循環(huán)水箱液位高于中水位且保溫水箱液位未滿。e.供暖泵：自動/手動模式，自動模式下閉式循環(huán)水溫高于啟動溫度時啟動。

5.2 冬季空調(diào)+員工洗浴綜合利用的熱回收效益

4臺110kW空壓機，預計四臺全開，每天運行24H，按照回收效率75%計算綜合利用的熱回收效益表4。

6 空壓機能量回收系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢

6.1 節(jié)能

6.1.1 即使使用現(xiàn)在比較節(jié)能的太陽能熱水系統(tǒng)，但由于太陽能陰雨天不能使用和冬天陽光不充足的原因，也會在使用過程中要消耗一定的柴油資源并造成環(huán)境污染。

6.1.2 利用空壓機熱回收裝置對客戶熱水系統(tǒng)進行改造后，將利用空壓機余熱加熱熱水，不再消耗其他能源，把原來浪費掉的熱能進行回收利用可節(jié)省大量的電能。節(jié)約相對于電能、燃料等的使用量，節(jié)省大量成本（電費），減少碳排放社會效益明顯。

6.2 降低空壓機工作溫度，減少故障延長壽命

使用空壓機余熱回收裝置可降低維修成本，延長設(shè)備的更換期限。螺桿空氣壓縮機的主要運行費用是耗材的更換，如機油、機油濾芯、油/氣分離器。

空壓機余熱回收裝置可把空壓機的運行溫度降低至最佳范圍之內(nèi)，從而降低空壓機的維護成本并相對提高空壓機的使用壽命。

參考文獻：

[1]GBJ29-90.壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB16409-1996.板式換熱器[S].

[3]CBJ235-82.工業(yè)管道工程施工及驗收規(guī)范金屬管道篇[S].