螺桿空壓機安全改造技術方案探討

宋 旸，高勤強

(山西焦煤汾西礦業集團公司，山西 孝義 032300)

0 引言

礦井用主壓風機是礦井壓風系統的主要設備，它為生產提供空氣動力，為瓦斯突出礦井的壓風自救系統供氣，是生產、安全的重要保障[1]。《煤礦安全規程》規定，礦井應當在地面集中設置空氣壓縮機站；在井下設置空氣壓縮設備時，應當采用螺桿式空氣壓縮機(簡稱空壓機)。大部分的煤炭生產企業在實際工作中，壓縮空氣的能耗占總電力消耗的10%～30%，相對于電熱設備，空壓機余熱回收幾乎不需要能源消耗，相對于燃煤燃氣設備零排放，是清潔環保的節能方式。對于礦井用空壓機余熱回收的問題已有學者進行了相關研究，例如，耿豪[2]對螺桿式空壓機余熱利用的節能可行性進行研究，認為螺桿式空壓機能夠將空壓機浪費的熱能回收利用，減少其他用途加熱的燃料消耗及環境污染，真正實現節能降耗。王少波對螺桿式空壓機余熱回收技術的應用及節能效益進行分析，空壓機的余熱利用具有非常大的節能潛力和經濟效益[3]。吳啟芳對螺桿式空壓機余熱回收在煤礦的余熱回收、利用、回收價值、投資費用、工程設計和經濟效益等進行了研究，結果證明螺桿式空壓機在運行中約有50%～65%系統浪費，但是通過全面的系統解決方案可以消除和彌補這些損失[4]。王春等人對余熱回收效率低與回收熱源不穩定問題進行了技術改進，結果證明改進后的余熱回收利用系統運行穩定可靠，節能效益良好[5]。鄧澤民等人介紹了常用的螺桿式空壓機熱回收方式，對螺桿式空壓機余熱回收系統進行分析，對不同螺桿式空壓機回收效果以及熱回收系統進行了評價[6]。

通過以上的研究可知，空壓機在煤礦余熱回收技術利用方面具有可操作性與可行性，在經濟與安全方面滿足條件即可操作實施。對于某礦隨著井下開采的縱向延伸及即將投入的2#煤開采，原有的3臺空壓機將無法滿足井下工作時的供氣量，為滿足后續的開采，已購置2臺空壓機(四用一備)來滿足后續的生產需要，現欲增設一套空壓機余熱利用系統，達到企業節能減排的目的，在保證安設改造安全性的前提下，為盡可能最大限度回收這部分余熱再利用，通過計算分析回收系統的可回收功率、可利用功率，研究利用回收功率的方法與途徑，探討提高余熱利用的安全技術方案。

1 可回收功率的計算與分析

空壓機由壓縮機主機、電機、傳動機構、冷卻系統、控制系統及外罩等部分組成；工作原理是由一對相互平行嚙合螺桿(陽轉子和陰轉子)在主機內不斷的周期性產生容積變化，完成壓縮空氣過程[7]，過程如圖1所示。空氣在高壓壓縮時，溫度驟升，螺桿的高速旋轉摩擦發熱，這些產生的熱能，通過冷卻潤滑油(簡稱循環油)的加入混合成油、氣排出機頭，通過冷卻器散熱排入大氣中，它消耗了空壓機總功率的大部分。

圖1 螺桿式空機壓縮過程

可回收功率計算：空壓機的電機功率為W，在吸氣、壓縮到排氣的全過程中，提供了系統的損耗功率(機械損耗、熱能散失損耗等)Ws、等溫壓縮空氣的功率Wy、壓縮空氣的動能功率Wd及混合油氣的熱能功率Wr，建立等式關系：W=Ws+Wy+Wd+Wr，Wr是空壓機的可回收功率。

空壓機等溫壓縮空氣功率Wy計算：基本參數由設備銘牌提供，如圖2所示，工作壓力Pa(MPa)、容積流量Q(m3/min)、標準大氣壓P0(MPa)，把容積流量轉化Q′(m3/s)，則等溫壓縮空氣需要的最小功率Wymin=0.278×Pa×Q′×Ln(Pa/P0)，其中，1 MJ/s=0.278 kW。

圖2 某礦空壓機銘牌

壓縮空氣動能功率Wd計算：標準大氣壓下空氣密度ρ、轉化為標準大氣壓下的容積流量Q0=(Pa×Q′)/P0、壓縮空氣的質量不變，標準大氣壓下的壓縮前空氣質量為m0=m=ρ×Q0、排氣口管徑φ、管口截面積為S、排氣口的氣體速度v=Q′/S，則壓縮空氣的最小動能功率Wdmin=0.5×m×v2。

空壓機系統的損耗功率Ws計算：包括機械摩擦損耗與因壓縮氣體時散失系統的熱能，空壓機的絕熱效率ηd僅有75%～90%，高性能電機的效率可達到92%以上，這里把Ws近似等于電機損耗與散失到系統的熱能之和，則系統的損耗功率Ws=W×(1-η)+W×(1-ηd)，η取0.92，ηd取0.88。

空壓機的可回收功率Wr計算：Wr=W-Ws-Wy-Wd，計算數據見表1。

通過表1、圖3可知，一臺空壓機可回收余熱功率Wr=168.846 kW，占總功率的67.5%，4臺運行的可回收余熱功率達675.384 kW，回收利用空間很大。

表1 某礦空壓機可回收功率計算

圖3 某礦空壓機可回收功率占比

2 可利用功率的計算與分析

主空壓機是礦井主要設備之一，增加的余熱回收系統(簡稱回收系統)代替了原空壓機的冷卻系統，所以改造后必須保證對原空壓機滿足以下3點要求：一是保證不破壞空壓機的正常工作，二是保證空壓機的正常油溫，三是保證系統安全可靠且運行穩定[8]。

空壓機的可回收功率被壓縮空氣與循環油帶走，由于液相的循環油比熱容大于空氣，試驗表明循環油包含75%左右熱能，壓縮空氣包含25%左右熱能。市面上的余熱回收機組有兩類，回收循環油熱能的單熱回收機組與油、氣熱能同時回收的雙熱回收機組，該礦可回收功率的25%是168.846 kW，壓縮空氣包含的熱能回收價值可觀，故建議使用雙熱回收機組。

圖4為某礦空壓機系統流程圖，圖5為采用雙熱回收的空壓機改造系統示意圖，為保證空壓機正常工作，根據該型號空壓機使用說明書要求，設備工作環境溫度范圍：1.7～46 ℃；排氣溫度不得超過120 ℃；保證循環油的流動性，油溫在70 ℃左右。礦井空壓機機組運行情況見表2，要提高可利用功率，回收系統回收后油溫接近70 ℃，排氣溫度接近壞境溫度時，這時的可利用功率最大，下面計算單臺可利用功率W′。

表2 某礦單臺空壓機組全年平均運行數據統計

壓縮空氣提供回收系統的功率Wq計算：由于壓縮空氣的容積流量43.0 m3/min是設備的固有參數，溫升Δt(℃)決定了可以提供回收系統的功率，計算結果見表3。11月—次年4月占可回收功率的14.8%，5月—10月占可回收功率的16.9%，以15%計算，則Wq=25.327 kW，壓縮空氣仍會帶走10%的可回收功率。

圖4 UD250A-8螺桿式空氣壓縮機系統流程圖

圖5 采用雙熱回收的空壓機改造系統示意圖

計算公式:Wq=60×γ×Δt×Q0/[(0.2～0.3)×860×(1-ηm)]壓縮空氣提供熱能:計算時間段壓縮空氣密度γ/(kg·L-1)比熱容c/(kcal·(kg·℃-1))回收系統進口溫度t1/℃回收系統出口溫度t2/℃溫差Δt/℃容積流量Q0/(L·min-1)轉換率ηm(0.2～0.3)計算值Wq/kW總回收功率占比/%11月—次年4月0.010 320.337096143.000.900.2524.92914.85月—10月0.010 320.3395257043.000.900.2528.6116.9

循環油提供回收系統的功率Wl計算：要讓循環油最大限度提供回收功率，即可回收功率的75%，Wlmax=126.635 kW，則回收系統的循環油的容積流量計算見表4，通過數據分析，Wl提供多少功率是由循環油的容積流量Ql和溫差Δt共同決定的，容積流量Ql與溫差Δt成反比，流量過大會導致出口油溫<70 ℃，流量過小會導致回收系統回收率低。為保證空壓機的正常運轉，提供回收系統的功率Wl最大且穩定，回收系統有隨溫差Δt變化的循環油流量調節裝置，調節范圍為1.601～3.735 L/min，這時可以達到循環油提供回收系統的功率最大。

表4 冷卻潤滑油的容積流量計算

3 回收功率的利用

回收系統回收功率一般會用在供暖和洗浴上，結合該礦實際，可利用回收功率的場所有4處，如圖6、表5，因空壓機間歇工作，導致制熱不穩定，故回收功率不能單獨供熱，需配合其它供熱系統共同制熱，選擇聯建樓內浴室及空氣加熱室利用回收功率符合要求。

圖6 回收功率利用場所位置及管道鋪設布置及長度

表5 路線選擇及管道長度

因熱余回收系統代替了原空壓機的冷卻散熱系統，為保證空壓機的安全運行，回收系統必須與空壓機運行時同步運行，即保證空壓機全年330 d的運行中，回收系統可以正常運轉，以達到給空壓機散熱的目的。且在與其它供熱系統對接時必須保證原系統的供熱穩定。

該礦聯建樓淋浴用配置空氣源熱泵機組5月—10月每天工作15 h；空氣加熱室機組為主、副斜井井口供熱，11月—次年4月每天工作16 h，假如使用DN 200管路直埋單管線供熱，以每輸送1 m管道散熱損失為0.1 kW計算[9]，通過表6可以看出，4臺空壓機運行回收的熱余功率滿足代替5臺熱源泵在5—10月為洗浴每天供熱8.45 h，滿足代替為主井口供熱的1臺空氣加熱機組在11月—次年4月為井口每天供熱8.45 h，回收系統既保證空壓機運行穩定也保證了全年余熱利用。

表6 回收系統熱余利用情況分析

4 結論

(1)保證不破壞空壓機的正常工作，即不破壞空壓機的傳動機構、控制系統、散熱效果等使空壓機不能正常運行；保證空壓機的正常油溫，即保證循環油的流動性；保證回收系統、對接的供熱系統可靠且運行穩定，回收系統提供的供熱量滿足要求。

(2)采用油、氣熱能同時回收的雙熱回收機組，可以提高15%的余熱利用功率。

(3)采用回收系統有隨溫差Δt變化的循環油流量調節裝置，可以提高循環油的余熱利用功率。

(4)合理選擇供熱場所，減短回收功率輸送距離。