空壓機余熱利用案例及影響系統運行問題探討

賈 玲 吳勇生

（太原煤炭氣化集團（有限）責任公司 山西太原 030024）

引言

壓縮空氣是工業領域中應用最廣泛的動力源,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%，是煤礦施工過程中的主要動力源之一。根據GB19153-2009《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中噴油螺桿空氣壓縮機能效值（風冷）計算，輸功效率最高值為63% 最低值為31% ?？諌簷C在運行時，真正用于增加空氣勢能所消耗的電能只占50%左右，其余的50%轉化為熱能，通過水冷或風冷設備降溫，存在很大浪費。空壓機余熱回收系統利用熱能轉換原理，把空壓機散發的熱量回收轉換到水里，降低空壓機組的運行溫度，延長潤滑油使用壽命，回收的熱水可用于員工洗澡、采暖等，從而提高電能利用效率，節約供熱成本。

1 空壓機余熱回收系統工作原理

空壓機余熱回收系統有兩級換熱：一級油水換熱 在空壓機原油路系統的出口分別加裝三通電磁閥，將機油引出后通過換熱器實現換熱。為了提高安全系數，保留原有風冷系統，即空壓機余熱回收系統與原有冷卻系統并聯。經油氣分離后，分離出的高溫氣直接通往原有的氣冷卻系統，分離出的高溫油則經三通溫控比例調節閥內的感溫元件檢測其溫度,若高溫油溫度低于60℃，則不用進行熱交換，直接通過過濾器通往油路循環系統，若高溫油溫度高于60℃，則在進行熱交換后再進入油路循環系統。該油-水換熱系統中的水選用軟水,防止因腐蝕或積垢造成對空壓機的影響。二級水水換熱 通過板式換熱器將油-水換熱系統中加熱的軟水和自來水進行二次換熱，得到45℃的熱水供澡堂洗浴。

2 煤礦澡堂供熱應用案例

2.1 應用背景及條件

爐峪口煤礦有兩臺250kW 壓縮機，一開一備，工作壓力0.7MPa，3 級能效，每年消耗電量208 萬kWh 左右。根據螺桿空壓機能效指標值輸功效率，空壓機運行的輸功效率為48.1%，51.9%的電能轉化為熱能浪費掉了，為防止空壓機過熱，使用風冷設備（22kW）降溫，風冷設備年消耗電量19 萬kWh，空壓機系統電能有效利用率不到45%，存在很大浪費。

爐峪口煤礦澡堂共設洗浴池7 個，淋浴頭58 組，每天洗浴人數約500 人。經實際測算澡堂換水頻率，洗浴池共計蓄水量58.12m3,正常使用情況下每天換兩次水，需水量為116.24 m3，淋浴需要50 m3，每日用水量為166.24 m3。煤礦以一臺4 噸蒸汽鍋爐對澡堂用水加熱，日耗煤量7.5 噸左右，按照目前市場價格計算，運行、人工日消耗費用需2660.8 元，一年的運行費用大約108.6 萬元(不含水費)，二氧化硫排放量44.4 噸，煙塵排放量13.32 噸。根據政府要求，爐峪口煤礦必須在2017 年6 月底前拆除現燃煤鍋爐，并在10 月31 日前完成清潔能源的替代工作。目前市場上采用最多的清潔能源供熱方式有電鍋爐、燃氣鍋爐和空氣源熱泵等方式，經調研確定采用最經濟高效的空壓機余熱利用系統給澡堂供熱，不足部分用空氣能熱泵補充。

2.2 改造方案確定

改造方案按每日提供170 m3熱水制定，供水溫度定為45℃，冷水管路水溫按冬季最低溫度5℃計算,根據熱量計算公式每日供熱設備需提供熱量為：

一臺250kW 空壓機滿負荷運行24 小時總消耗折算熱量為5160000 kcal，輸功效率為48.1%，平均加載率95%，空壓機余熱回收系統工作效率95%，空壓機余熱回收系統可回收總熱量為：5160000 kcal×（1-48.1%）×95%×95%=2416931 kcal利用空壓機余熱每日可提供熱水量：

注：C：水的比熱，1kcal/kg·℃

t1、t2：出水溫度、進水溫度

通過以上計算可以得出，空壓機余熱回收一天至少可生產60.4 噸45℃洗浴用水，剩余109.6 m3，由空氣源熱泵提供。

單臺25 匹空氣能熱泵小時可產生熱水量為2 m3，根據日需補充水量=單臺機小時生產水量×臺數×工作小時，計算所需空氣源熱泵臺數為：109.6/2/8=6.85（臺），選用7 臺空氣源熱泵來補充澡堂用水。

2.3 節能效益對比

（1）改造后洗浴熱水年能源消費量及費用如下：我礦對改造后的澡堂供熱系統加裝電表計量，2017 年12 月至2018 年11 月共耗電1017600kWh，其中空壓機余熱回收系統只有一臺3kW循環泵24 小時運行，耗電26280 kWh，按爐峪口煤礦平均電價0.68 元/kWh 計算，其余991320 kWh 是空氣源熱泵消耗。因空氣源熱泵是在晚間低谷電價運行，電價0.28 元/kWh，加上分攤容量費0.1 元/kWh，合計電價0.38 元/kWh，年運行費用：26280×0.68+991320×0.38=39.46 萬元

（2）如采用電鍋爐供熱，每日運行8 小時提供170 m3熱水（熱量6800000 kcal），則需配備一臺1.05MW 的電鍋爐，15kW 給水泵，1.1kW 補水泵各一臺，年耗電量311.4 萬kWh，費用211.75萬元（電價0.68 元/kWh）。

（3）如采用燃氣鍋爐供熱，每日運行8 小時提供170 m3熱水（熱量6800000 kcal），則需配備一臺1.5 噸的燃氣鍋爐（105 m3/h），15kW 給水泵，1.1kW 補水泵各一臺。年耗燃氣量：30.66 萬m3，電量：4.8 萬kWh。燃氣按5 元/ m3計算，使用燃氣鍋爐系統供熱年運行費用：30.66 ×5+4.8×0.68=156.56 萬元。

表1 能耗及運行費用對比

通過以上四種供熱方式對比，采用空壓機余熱利用及空氣能熱泵聯合給澡堂供熱的方式能耗和運行費用遠低于其他三種方式。

3 系統運行存在的問題及解決辦法

系統自2017 年11 月投入使用以來運行正常，達到了預期的節能效果，且維護檢修量很低，運行費用只有原來燃煤鍋爐的三分之一，經濟效益顯著。在運行過程中出現了兩個問題，煤礦制定了解決辦法。

3.1 板換結垢換熱效率降低

在系統投入運行兩個月后換熱效率降低，產生熱水量明顯下降，空壓機熱量散不走，排氣溫度達120℃，空壓機溫度保護動作無法開機。經檢查發現由于煤礦水質較硬導致換熱器結垢嚴重，拆開清理了里邊的水垢后系統運行恢復正常。

解決辦法：（1）在水箱自來水進水口安裝硅磷晶罐大大緩解了結垢問題；（2）每兩個月清理一次換熱器水垢。

采取以上措施后，空壓機和換熱系統運行正常，再未發生同類故障。

3.2 冬季極端天氣空氣能泵效率低

煤礦處北方丘陵地區，冬季最低溫度零下二十度左右，在冬季極端天氣，空氣能泵效率下降，熱水產量少。而澡堂洗浴池因散熱快，熱水需求量加大，供熱不足。

解決辦法：采取定時供熱水。根據工人洗澡時間和用水量，由24小時供水改為一天分四個時間段集中供水，每次供水每個洗浴池水位比原來降低10cm，這樣即減少了供水量又保證了洗浴溫度。

結語

通過爐峪口煤礦空壓機余熱利用及空氣能熱泵聯合給澡堂提供熱水的實際案例可以看出，空壓機余熱利用是減少能源浪費、提高能源利用率最有效的手段，且投資少、見效快，值得大力推廣應用。