一種空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)的研究

劉明軍 蘇盈賀 姜 金 曲豐遠(yuǎn) 黃明碩

（松下制冷（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

空壓機(jī)廣泛應(yīng)用于空分、化學(xué)合成、氣體輸送以及食品、藥品等工業(yè)領(lǐng)域，空壓機(jī)工作過(guò)程中消耗的大量電能只有15%的能量可以轉(zhuǎn)換為空氣勢(shì)能，剩下85%的能量只能轉(zhuǎn)換為熱能，最終通過(guò)風(fēng)冷或水冷的方式交換到大氣中，造成了能源的浪費(fèi)。本文對(duì)空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)進(jìn)行研究，深度挖掘空壓機(jī)余熱資源，積極推進(jìn)余熱技術(shù)利用，采取適合的解決方案，實(shí)現(xiàn)了余熱資源的有效利用，希望為今后的余熱深度回收利用及節(jié)能減排工作提供參考。

1 空壓機(jī)市場(chǎng)調(diào)研

1.1 空壓機(jī)的主要應(yīng)用范圍

空壓機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，但是不同的行業(yè)對(duì)于空壓機(jī)的要求各不相同。空壓機(jī)的主要應(yīng)用范圍如表1所示。

表1 空壓機(jī)的主要應(yīng)用范圍

1.2 空壓機(jī)余熱調(diào)查

根據(jù)行業(yè)調(diào)查分析，空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用占比如圖1所示。系統(tǒng)的初期設(shè)備投資及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用占總費(fèi)用的23%，電能消耗（電費(fèi)）占77%。

圖1 空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用占比

根據(jù)空壓機(jī)的特性，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱，壓縮熱消耗的能量占機(jī)組運(yùn)行功率的85%，壓縮空氣勢(shì)能占15%，如圖2所示。通常這部分能量會(huì)通過(guò)機(jī)組的風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)交換到大氣中，因此，壓縮機(jī)的熱回收是持續(xù)降低空氣系統(tǒng)損耗，提高客戶(hù)生產(chǎn)力的必要手段。

1.3 不同種類(lèi)空壓機(jī)的應(yīng)用情況及其余熱分析

不同種類(lèi)空壓機(jī)的應(yīng)用情況及其余熱分析如表2所示。

1.4 不同種類(lèi)空壓機(jī)的工藝流程介紹

（1）噴油螺桿空壓機(jī)：油冷卻熱量、后冷卻熱量較大，可進(jìn)行回收，回收率達(dá)85%，其工藝流程如圖3所示。

圖2 空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)空氣勢(shì)能和熱能能量占比

圖3 噴油螺桿空壓機(jī)工藝流程

表2 不同種類(lèi)空壓機(jī)的應(yīng)用情況及其余熱分析

（2）無(wú)油螺桿空壓機(jī)：兩級(jí)冷卻熱量都可進(jìn)行回收，回收率達(dá)93%，其工藝流程如圖4所示。

（3）離心空壓機(jī)：三級(jí)冷卻熱量都可進(jìn)行回收，回收率達(dá)91%，其工藝流程如圖5所示。

（4）軸流空壓機(jī)：冷卻熱量可進(jìn)行回收，回收率達(dá)85%，其工藝流程如圖6所示。

2 技術(shù)方案

為解決現(xiàn)有空壓機(jī)系統(tǒng)能源消耗大、運(yùn)行成本高、污染環(huán)境等問(wèn)題，提出一種空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)，空壓機(jī)的余熱熱源裝置與余熱深度回收利用系統(tǒng)雙向連接。余熱深度回收利用系統(tǒng)包括余熱取熱裝置、吸收式熱泵及輔助換熱器。余熱熱源裝置經(jīng)余熱取熱裝置取出熱量并轉(zhuǎn)化為高溫余熱水。制冷工況下，余熱水接入吸收式熱泵，用作吸收式熱泵驅(qū)動(dòng)熱源制取冷水，經(jīng)輔助換熱器的低溫側(cè)輸出生活熱水；供暖工況下，余熱水接入吸收式熱泵，用作吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源，經(jīng)輔助換熱器的高溫側(cè)進(jìn)入吸收式熱泵降溫后回到余熱取熱裝置，供暖水經(jīng)輔助換熱器換熱及吸收式熱泵升溫后輸出。空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)余熱進(jìn)行深度回收，實(shí)現(xiàn)了余熱資源的有效利用。

圖4 無(wú)油螺桿空壓機(jī)工藝流程

圖5 離心空壓機(jī)工藝流程

圖6 軸流空壓機(jī)工藝流程

2.1 噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收方案

采用余熱取熱裝置和溴化鋰吸收式機(jī)組相結(jié)合的方式，回收噴油螺桿空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的油冷卻熱量和后冷卻熱量，回收的余熱可用于夏季制冷、冬季供暖，實(shí)現(xiàn)了余熱資源的有效利用，提高了空壓機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)省了制冷、供暖的能源消耗。噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收方案如圖7所示。

2.2 離心空壓機(jī)余熱回收方案

采用余熱取熱裝置與余熱回收機(jī)組最佳匹配的方式，對(duì)離心式空壓機(jī)的各級(jí)壓縮熱量進(jìn)行分段回收，這種余熱回收方式能夠?qū)崿F(xiàn)能源的最大化利用，為國(guó)家的節(jié)能減排做出了突出的貢獻(xiàn)。離心空壓機(jī)余熱回收方案（夏季制冷/冬季供暖）如圖8、圖9所示。

3 空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)技術(shù)原理

制冷工況下，余熱取熱裝置的余熱水入口連接發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源入口，發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源出口連接輔助換熱器的高溫側(cè)入口，輔助換熱器的高溫側(cè)出口連接余熱水出口，輔助換熱器的低溫側(cè)入口與生活熱水入口管路連接，輔助換熱器的低溫側(cè)出口與生活熱水出口管路連接，吸收器及冷凝器中設(shè)置有冷卻水管路，蒸發(fā)器中設(shè)置有冷水管路。

供暖工況下，余熱取熱裝置的余熱水入口連接發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源入口，發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源出口連接輔助換熱器的高溫側(cè)入口，輔助換熱器的高溫側(cè)出口連接蒸發(fā)器的冷水入口管路，蒸發(fā)器的冷水出口管路連接余熱水出口，吸收器及冷凝器中設(shè)置有冷卻水管路，供暖熱水的一條支路連接輔助換熱器的低溫側(cè)入口，另一條支路連接冷卻水入口管路，冷卻水出口管路及輔助換熱器的低溫側(cè)出口管路匯流后連接供暖熱水出口管路。

圖7 噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收方案

圖8 離心空壓機(jī)余熱回收方案（夏季制冷）

圖9 離心空壓機(jī)余熱回收方案（冬季供暖）

空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)有制冷工況、供暖工況可供選擇，夏季制冷工況運(yùn)行時(shí)，可制取7～20 ℃的冷水及45～60 ℃的生活熱水，冬季供暖工況運(yùn)行時(shí)可制取45～60 ℃的熱水，因此，不論夏季還是冬季均可實(shí)現(xiàn)余熱側(cè)大溫差換熱，回收的余熱可用于制冷、制熱、制取生活熱水，實(shí)現(xiàn)了余熱資源的有效利用。

4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

下文以某空壓機(jī)站為例，對(duì)噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

（1）冬季供暖節(jié)省天然氣費(fèi)用。采用空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)代替原有真空鍋爐，可提供供熱量400 kW（344 000 kcal），原有真空鍋爐供熱效率0.937，天然氣熱值8 500 kcal/Nm3，年供暖150天，每天運(yùn)轉(zhuǎn)24 h，天然氣價(jià)格3.7元/Nm3，年節(jié)省天然氣耗量=供熱量÷鍋爐效率÷天然氣熱值×運(yùn)行時(shí)間=344 000÷0.937÷8 500×150×24≈155 490 Nm3，年節(jié)省天然氣費(fèi)用：155 490×3.7=575 313元。

（2）夏季制冷節(jié)省電費(fèi)。采用空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)代替原有電制冷機(jī)組，可提供制冷量300 kW，原電制冷機(jī)組COP 為5.0，年制冷150天，每天運(yùn)行16 h，電價(jià)0.8元/kWh，年降低耗電量=制冷量÷機(jī)組能效×運(yùn)行時(shí)間=300÷5.0×150×16=144 000 kWh，年節(jié)省電費(fèi)：144 000×0.8=115 200元。

（3）采用空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)后增加的電費(fèi)。水泵耗電3.5 kWh，吸收式機(jī)組耗電3.6 kWh，年耗電量：3.5×（150×24+150×16）+3.6×150×16=29 640 kWh，年增加電費(fèi)：29 640×0.8=23 712元。

（4）改造后年增加收益 ：575 313 +115 200 -23 712=666 801元。

（5）投資回收期。空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)投資包括油冷卻回收器、溴化鋰機(jī)組及系統(tǒng)，預(yù)計(jì)費(fèi)用為125萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，實(shí)施改造投資回收期不到2年，經(jīng)濟(jì)可行性高。

5 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益評(píng)價(jià)

空壓機(jī)廣泛應(yīng)用于空分、化學(xué)合成、氣體輸送以及食品、藥品、工業(yè)等領(lǐng)域，空壓機(jī)工作過(guò)程中消耗的大量電能絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，最終通過(guò)機(jī)組的風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)交換到大氣當(dāng)中，可回收熱能的能量占機(jī)組運(yùn)行功率的85%以上。

某制藥公司有6臺(tái)離心式空壓機(jī)，總功率為7 200 kW，原散熱方式為水冷式散熱。改造安裝6套空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)及配套空壓機(jī)余熱回收專(zhuān)用制冷機(jī)組后，回收的余熱用于夏季制冷、冬季供暖。年回收余熱相當(dāng)于標(biāo)煤節(jié)省2 160 t，CO2減排5 280 t，SO2減排158 t，NOx減排79 t，年節(jié)省電費(fèi)207萬(wàn)元。離心空壓機(jī)余熱回收案例如圖10所示。

圖10 離心空壓機(jī)余熱回收案例

某公司空壓機(jī)站有噴油螺桿空壓機(jī)17臺(tái)，每臺(tái)空壓機(jī)功率為250 kW，總功率為4 250 kW，原散熱方式為水冷式散熱。改造安裝17套空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)及配套專(zhuān)用制冷機(jī)組后，其中13臺(tái)空壓機(jī)的熱水量即可滿(mǎn)足制冷工藝需求，其余4臺(tái)空壓機(jī)作為備用。回收的余熱用于夏季制冷，年回收余熱相當(dāng)于標(biāo)煤節(jié)省2 688 t，CO2減排6 570 t，SO2減排197 t，NOx減排98 t，年節(jié)省電費(fèi)136萬(wàn)元。噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收案例如圖11所示。水

圖11 噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收案例

6 市場(chǎng)前景

在我國(guó)大力發(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”的大趨勢(shì)下，能源的消費(fèi)日益增長(zhǎng)，能源節(jié)能性產(chǎn)品也日益受到關(guān)注，而在諸多領(lǐng)域空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)可以充分地利用空壓機(jī)余熱作為熱源，滿(mǎn)足建筑制冷、供暖及工廠工藝的需求，既節(jié)省了能源，又符合國(guó)家環(huán)保健康、可持續(xù)發(fā)展的能源政策的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

采用空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)，一方面可將空壓機(jī)余熱進(jìn)行回收利用，提高能源利用率；另一方面回收的余熱可用于夏季制冷、冬季供暖，夏季節(jié)省電力消耗，冬季節(jié)省天然氣消耗。本文通過(guò)對(duì)空壓機(jī)余熱深度回收利用系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)余熱資源的深度挖掘和有效利用，為今后的余熱深度回收利用及節(jié)能減排等方面的工作提供了參考。