離心式空壓機余熱回收系統設計分析

周翔，孔德文，宋榮志

（江蘇信息職業技術學院 智能工程學院，江蘇 無錫214153）

0 引 言

根據美國能源管理局數據統計，空氣壓縮機在正常運轉時，總耗電量中只有15%的電能，是有效利用于增大空氣勢能，而剩余的85%的耗電量最后都轉換為熱量，這些熱量最終都被通過加裝冷卻器的方式散失掉[1-3]。而離心式空壓機在其正常工作時，其消耗的電能主要轉化成另外兩種能量：一是用于增加空氣的壓力能；二是通過機械做功產生熱能。而其產生的熱能主要包含兩大部分：一種是不可回收熱能，即通過設備機殼散失掉的熱量，這部分能量約占輸入總電能的5%；第二種是可回收熱能，即通過離心式空壓機冷卻系統散失掉的熱量，這部分能量約占輸入總電能的80%。因此，對離心式空壓機進行余熱回收系統設計，在確保離心機可靠運行的前提下，回收離心機的可回收余熱，并將回收的熱能轉換為企業所需要的熱水供應，不僅能夠減少企業原先生產熱水造成的能源消耗，而且還能夠實現節能減排，創造社會效益[4-5]。

該項目是某發電企業離心式空壓機余熱回收系統改造，該公司空壓機房有2 臺C700 英格索蘭117 m3、670 kW及1臺C400英格索蘭67 m3、370 kW離心式空壓機，機組24 h連續運行，其中2臺C700離心機的氣閥平均開度為80%，1臺C400離心機氣閥平均開度為48%，運行時大量電能轉化為高溫廢熱通過循環水冷卻系統散熱排放。通過分析評估，該公司空壓機系統運行的特性具備良好的余熱回收利用的基礎。該項目擬針對離心式空壓機進行余熱回收系統改造，用來生產企業所需的清洗機用熱水，變廢為寶，達到節能減排的效果。該公司原有清洗機用熱水采用電加熱于加熱桶內，水溫80 ℃，總熱水用量為8 t/h。

本項目設計在不改變離心式空壓機原有工作狀態的前提下通過對其散熱系統進行改造，將離心式空壓機水冷系統的高溫水余熱和經過空壓機壓縮產生的高溫壓縮空氣余熱進行回收，其中高溫水余熱采用水水換熱器進行換熱，高溫壓縮空氣余熱采用氣水換熱器進行換熱，既達到安全工作狀態要求，同時可以生產企業所需的清洗機用熱水。

1 余熱回收利用系統方案設計

通過對該公司離心式空壓機系統進行分析，提出了一種針對該公司的離心式空壓機余熱回收系統設計方案，該系統主要回收利用了離心式空壓機冷卻前的高溫壓縮空氣余熱作為主熱源對自來水進行加熱，節省能耗。系統中的熱交換器采用復合列管式結構，具有不易結水垢、換熱性能高、不會產生氣通水現象和維護管理非常簡單等特點。系統的原理圖如圖1所示。

圖1 離心式空壓機余熱回收系統原理圖

離心式空壓機余熱回收系統原理是利用余熱回收機吸收空壓機的高溫氣體廢熱對自來水進行加熱[6-7]。自來水通過水泵進入空壓機余熱回收系統，由空壓機產生余熱提供熱源，先通過預加熱器吸收空壓機一級壓縮和二級壓縮的冷卻水余熱，再經過余熱回收機吸收三級壓縮產生的高溫壓縮空氣余熱[8-9]，通過水水換熱和氣水換熱進行熱交換而產生熱水，用戶可按使用需求設定恒溫產水，水溫在50～80 ℃范圍內可調，熱水通過保溫管道存到保溫水箱，當用戶需要用熱水時，熱水由儲水罐供熱水到車間清洗機使用。

2 余熱回收設計計算

通過對該公司離心式空壓機系統進行分析，該系統主要回收利用了離心式空壓機第二級及第三級余熱作為主熱源（余熱回收機作主換熱器）與水進行熱交換生產80℃以上的熱水。

2.1 冷卻水余熱回收

冷卻水余熱回收系統相關參數如表1所示。

表1 空壓機冷卻水回收系統相關參數

2.2 高溫壓縮空氣余熱回收

離心式空壓機壓縮空氣余熱回收系統相關參數如表2所示。

表2 壓縮空氣余熱回收系統相關參數

2.3 空壓機可回收熱量計算

空壓機總的可回收熱量如表3所示。

表3 離心式空壓機可回收熱量

2.4 產水量計算

通過余熱回收系統設計，可生產熱量產量如表4所示。

表4 空壓機余熱回收總產水量

3 經濟效益分析

3.1 投資費用

項目投資費用主要包括設備投資費用、管網安裝施工費用[2]。項目總投資約為80.3萬元。

3.2 運行費用

原來清洗機熱水采用電加熱方式獲得，因此按空壓機年工作300 d計算，每天24 h，得到電加熱產熱水成本如表5所示。

表5 對比電加熱可節約成本分析

另外，原來離心式空壓機的冷卻方式采用冷凍機進行冷卻，需要消耗電能，由表5可得空壓機系統可回收總功率為600 kW，冷凍機按COP（COP即能效比，是指額定制冷功率與耗電功率的比值）為4.5計，可為企業減負600/4.5=133.3 kW，折合全年節約66.2 萬元。因此，兩項合計每年可節約380 萬元。

3.3 經濟性評價

原清洗機用熱水電加熱成本約為313.8 萬元/a，冷凍機運行成本約為66.2 萬元/a，合計運行成本為380 萬元/a，空壓機余熱回收系統項目投入約為80.3 萬元，項目回收期為2.1個月，可見經濟性良好。

4 結 論

1）通過該項目案例可知，對離心式空壓機進行余熱回收改造，既不影響設備原先的運行狀態，又可實現節能減排。

2）該項目年可節約年運行費用350 萬元。項目資金回收期為2.1個月，經濟效益顯著，是一種切實可行的方案。