空壓機余熱回收改造分析與應用

周 靜 成 強

上海市質量監督檢驗技術研究院

空壓機是能耗比較大的動力設備之一，一般空壓機的輸入功率除了部分變成了壓縮空氣的勢能以外，其它也有一部分的能量以廢熱的形式被排放到空氣中浪費掉。同時，為降低空壓機的油溫，還需要消耗電能開動冷卻風機來降低油溫，以保證空壓機的正常運行。充分利用這些浪費的熱能有利于節能減排，降低工廠的運營成本，同時可改善空壓機的運行狀態，提高產氣量，節約空壓機的耗電費用。在大多數生產型企業中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%～35%[1]。因此，利用這一浪費的能源，已成為越來越多企業的共識。

通常安裝熱回收系統后，可使空壓機的排氣溫度降低10～15℃，產氣量提高4%～5%。生產同樣的壓縮空氣，可以節約4%～5%的輸入功率。 對風冷空壓機可以減少風機運行時間，在提高產氣量的同時因減少了風機的運行，降低了風機的電消耗。對水冷空壓機可以減少冷卻水用水量，減少冷卻機的運行負荷，降低了冷卻機的電消耗。在改善了空壓機運行狀況的同時，也提高了產氣量所帶來的節能效益，由此而產生的節碳效益是非常可觀的。 通過以上分析，空壓機熱能利用的潛力也是相當可觀的。

1 CHR空壓機熱能回收系統產品介紹及工作原理

1.1 產品特點介紹

空壓機熱能回收系統是通過空壓機內部改造，增加熱能回收器，將空壓機運行過程中產生的大量熱量，通過CHR高效熱能回收器進行回收利用，將回收的熱量加熱水，從而用于生活、生產。該方式實現廢熱循環利用，有利于節能減排，保護環境，同時可降低企業消耗成本。

復盛CHR高效熱能回收換熱器，采用低阻力、高效率、高導熱性技術設計，具有體積小、重量輕、阻力小、導熱性強等特點，同時該換熱器采用不銹鋼板材，具有耐腐蝕、耐高溫、耐高壓等性能，極大地保障熱能回收器效率，同時保證了空壓機系統的正常穩定運行。顯示部分采用高分辨率液晶屏控制器，人機界面友好，操作方便，具備虛擬化的按鈕以及眾多可設置和顯示的參數，能夠實時顯示熱回收系統實際運轉情況。根據實際需求，可采用大尺寸的彩色液晶屏，可增加熱回收系統的流程監控演示畫面以及備用的手動控制按鈕。

1.2 采用智能化控制

（1） 循環式控制邏輯

按下啟動鍵，熱回收機運行，空壓機油溫到達此設備啟動溫度，水泵啟動，系統自動運行；空壓機油溫降到所設置的停止溫度，水泵停止，系統處于自動待機狀態，當空壓機油溫再次到達此設備啟動溫度，水泵再次啟動。當循環水箱的水到達設定的上位時，供水電磁閥會自動關閉，即停止供水，達到設定的水溫上限后，循環水箱的熱水會自動送到用戶端的保溫水箱內。

風機： 油溫到達設定啟動值開，低于設定停機值關；過載停止風機運行。

補水閥： 水位低于低水位開或者熱水泵停機狀態低于中水位開，到達高水位關。

循環泵：水溫低于設定值且低水位有水開，水溫高或者低水位無水關；過載停止循環泵運行。

送水泵：水溫高于設定值且中水位有水且儲水箱未滿開，到中水位無水或者儲水箱滿關；過載停止熱水泵運行。

（2）直熱式控制邏輯

按下啟動鍵，熱回收機運行，空壓機油溫到達此設備啟動溫度，水泵啟動，系統自動運行；空壓機油溫到達此設備停止溫度，水泵停止，系統自動待機，當空壓機油溫再次到達此設備啟動溫度，水泵再次啟動。熱回收機運行時，系統根據客戶設定熱回收機出水溫度要求，恒定溫度通過PID調節,實現出水恒溫控制。

（3）智能PLC控制邏輯

滿足以上熱回收控制功能，可根據客戶要求控制熱回收與水箱或原來水路系統控制。當用戶端保溫水箱內的熱水溫度低至用戶設置要求時，回水閥會自動打開，使未達到用戶要求的熱水繼續回到熱回收機加熱，從而達到節約水能的效果，完全智能化。

1.3 CHR 空壓機熱能回收系統工作原理

CHR 空壓機熱能回收系統工作原理示意圖如圖1所示，空壓機開機油氣混合物進入油氣桶，油氣桶油氣分離后潤滑油由于溫度低直接回到主機。當空壓機油溫升高，溫控閥打開，熱油進入熱回收機，經過熱量回收后，油出來經過第二個溫控閥到主機。當熱回收機熱水達到設定溫度，出油溫升高，第二個溫控閥打開，熱油進入空壓機原來冷卻器冷卻，經過冷卻后到主機。當熱回收機檢測到油溫達到設定溫度，熱回收機水泵工作，冷水進入熱回收機，通過冷熱交換，熱水從熱回收機出來，進入循環水箱。

圖1 CHR 空壓機熱能回收系統工作原理示意圖

2 CHR空壓機熱能回收系統節能效果分析

2.1 CHR 空壓機熱能回收系統熱回收效率

CHR熱能回收器，具有高效的回收效率，由于油管、油氣桶未經保溫處理，它們會將5%左右的熱能散發到周圍環境。對于油氣余熱雙回收型熱能回收器，實際能達到的熱回收效率為空壓機有效功率的95%。對于單油型余熱回收器，實際能達到的熱回收效率為空壓機有效功率的73%見圖2，余熱回收系統運行過程中只需要控制用電，因此不需要任何費用，并且還可提高空壓機的運行效率，節省空壓機冷卻風扇用電。

圖2 CHR熱能回收器熱回收效率

2.2 CHR 空壓機熱能回收系統節能效果分析

（1）空壓機熱回收器與其他加熱方式性能比較分析

以在相同條件下對1 000 kg生活用水進行加熱（溫升40℃）作為比較，對各種加熱方式進行性能比較分析見表1。能源價格按：民用電費：0.67元/kWh，商用平均電費：0.80元/kWh，柴油：6.00元/L，天然氣：3.6元/m3。設在相同條件下對1 000 kg生活用水進行加熱，水溫從15℃升至55℃，升高40℃。加熱熱水所需熱量：1 000 kg×40℃×1 Kcal/kg·℃=40 000 Kcal

從表1可以看出：空壓機熱能回收器相對于太陽能熱水器、熱泵熱水器有投資低、無運行費用、不受天氣影響的優勢；相對于燃油鍋爐，更有環保、安全可靠的優勢。因此，空壓機熱能回收器不僅能夠節能減排、保護環境，更能夠為企業帶來可觀的經濟效益。

由于采用了復盛公司余熱回收換熱器高效、低阻技術，安裝余熱回收系統后空壓機控制系統不變，工作性能不變，操作維修方式不變，極大的保障了空壓機的安全運行。當空壓機運行時，熱能回收器自動運行。當空壓機停止運行時，熱能回收器也停止運行。

（2）空壓機熱回收器節能經濟效益分析

我們對客戶現場2臺55 kW的空壓機進行了調研和分析，目前現場用2臺SA55 A復盛微油螺桿機空壓機提供系統供氣，需求是通過空壓機熱能回收產生熱水，全天24小時滿足員工生活用水需求；還可以為工廠辦公室取暖，減少燃氣鍋爐加熱時間，減少使用費用，降低企業生產成本，同時達到企業節能減排任務。

如果客戶現場采用天然氣鍋爐加熱方式為工廠辦公室取暖及員工生活提供熱水，1 t水加熱溫升40℃需要5.68 m3天然氣，毎立方天然氣8 000 Kcal熱量，1 t水溫升1℃需要1 000 Kcal，溫升60 ℃，需要60 000 Kcal。根據計算：假如某公司員工洗澡每天需要熱水30 t左右，按照常溫水5 ℃加溫到65℃，溫升60℃，使用天然氣加熱1 t水溫升60℃需要7.5 m3天然氣，目前，工業用天然氣價格為3.6元/ m3；每天耗氣量為：30 t×7.5×3.6=540元/d，燃氣費用810元/d，平均每月約用氣費用20250元/月。全年300天使用天然氣費用24.3萬元/a，冬季還會增加。這只是員工生活用水費用。

按照空壓機的運行情況，配置熱能回收的熱機利用效率在通常85%左右，我們估計效率保守為73%，每天合計運行110 kW（2臺55 kW）,平均加載95%計算。

表1 加熱1 000 kg水費用對比（溫升40℃）

預期效益計算如下，CHR熱回收空壓機2臺回收量，加載比率平均95%，進水溫度5℃，出水65℃，溫升60℃。

每天可利用功率為：110×95%×73%×24×0.95（電機效率）×0.9（電機功率因數）×1.15（電機服務系數）=1 800.17 kWh

每天可回收熱能利用量：

1 800.17 kW×860 Kcal/kW=154.82萬Kcal

154.82 萬Kcal÷8 000 Kcal/ m3×300 d×3.6元

=193.525 m3×300 d×3.6元

=58 057.5 m3×3.6元=209007元/a，每年節省天然氣58057.5m3，節省天然氣20.9萬元。

根據運行狀況，每年可回收利用功率540000kW， 節省電費37.8萬元。

該項目投資約10萬元，建設期30 d，運行6個月即可收回全部成本，每年可為客戶節省天然氣成本約20.9萬元。如果改用電加熱用水，每年可節省電費37.8萬元。詳見表2。

3 結語

空壓機系統存在的大量電能轉化為熱量，從而造成能源浪費現象，通過對空壓機余熱回收系統將原有空壓機壓縮系統進行改造，不僅可以充分利用廢熱，而且降低了其他燃料的消耗，保護了環境，實現了節能的目標，帶來了良好的經濟效益和社會環境效益，在目前乃至未來都有著良好的市場前景。

表2 空壓機余熱回收計算書

[1] 趙新紅.淺談幾種典型空壓機的余熱回收[J].上海節能，2013.8：31-36.