余熱回收電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效益分析

傅文杰

（湖南湘安新能源科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

0.前言

空壓機(jī)作為礦山主要四大件之一，是主要的動(dòng)力源設(shè)備，在企業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮著重大的作用。螺桿式空氣壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠和操作方便、節(jié)能、安全環(huán)保、管理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。在空壓機(jī)使用壽命內(nèi)的成本核算中可以看出，空壓機(jī)的采購(gòu)成本只占到5%，維護(hù)成本占比5%，而占使用成本最大塊的是能耗，達(dá)到90%。空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱資源如果無(wú)法充分利用。往往會(huì)造成大量的能耗損失。如何結(jié)合我礦現(xiàn)有加熱方式把這部分熱資源利用起來(lái)，及利用這部分熱資源后又產(chǎn)生了多少效益，正是本文所探究的課題。

1.系統(tǒng)的組成

1.1 余熱回收系統(tǒng)組成

整個(gè)余熱回收系統(tǒng)由機(jī)組冷卻循環(huán)系統(tǒng)、回水系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、內(nèi)壓保護(hù)系統(tǒng)等組成。

1.2 電控系統(tǒng)組成

我礦自行設(shè)計(jì)的余熱回收電控系統(tǒng)主要由溫度控制器、水位控制器、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、溫度傳感器、水位傳感器、電磁閥等組成。

2.原理論述

2.1 余熱回收系統(tǒng)原理

螺桿式空氣壓縮機(jī)在長(zhǎng)期而又連續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，首先把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣的內(nèi)能。在機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣內(nèi)能的過(guò)程中，空氣被強(qiáng)烈壓縮后溫度急劇上升，而空壓機(jī)機(jī)頭的雙螺桿在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也產(chǎn)生了大量熱量。這兩部分熱量疊加后經(jīng)油氣混合物帶出機(jī)頭進(jìn)入油氣筒，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣的動(dòng)能。在機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣動(dòng)能過(guò)程中，空壓機(jī)機(jī)頭的雙螺桿在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生了含有大量熱量的油氣混合物，經(jīng)油氣分離后，高溫的潤(rùn)滑油最后以風(fēng)冷的形式把熱量散發(fā)出去。螺桿式空壓機(jī)的潤(rùn)滑油溫度通常在85℃（冬季）－98℃（夏季），這些熱能都通過(guò)空壓機(jī)的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)作為廢熱排放到環(huán)境中去。

螺桿式空壓機(jī)余熱回收節(jié)能設(shè)備，采用熱交換器的冷熱交換、同程截流的原理，將高溫潤(rùn)滑油的熱量把20℃的冷水轉(zhuǎn)換為45℃～72℃的熱水，從而解除了企業(yè)為解決員工生活熱水及供暖系統(tǒng)所長(zhǎng)期承受的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。空氣壓縮機(jī)在工作過(guò)程中所耗電能轉(zhuǎn)變熱量后大部分被壓縮后的油氣混合物帶走，這些混合物經(jīng)過(guò)分離，分別在各自的冷卻器（油冷卻和氣冷卻）中被冷卻介質(zhì)（水或空氣）帶走，白白浪費(fèi)了。從理論上來(lái)看，除了4%的熱輻射和6%被氣體帶走的熱量外，還有高達(dá)90%的熱量可以被回收利用[1]。

空壓機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，溫度開(kāi)始升高，當(dāng)潤(rùn)滑油溫度升高到70℃時(shí)，此時(shí)油路的閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，潤(rùn)滑油進(jìn)入熱交換器將熱量傳遞給循環(huán)桶里的冷水，將冷水的溫度加熱至45℃以上，然后進(jìn)入下一流程。如果經(jīng)過(guò)熱交換器后潤(rùn)滑油的溫度仍然低于油冷卻器旁通閥設(shè)定值，則不進(jìn)入油冷卻器而直接進(jìn)入空壓機(jī)油氣桶循環(huán)，以防止?jié)櫥蜏囟冗^(guò)低于在空壓機(jī)工作腔內(nèi)產(chǎn)生冷凝水。水溫不斷加熱至72℃或以上時(shí)，余熱回收熱交換器內(nèi)不再發(fā)生熱量的交換。當(dāng)潤(rùn)滑油的溫度升高到85℃以上時(shí)，此時(shí)余熱回收裝置會(huì)自動(dòng)切換到原有的風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，通過(guò)風(fēng)冷對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行降溫冷卻，以保證空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 電控系統(tǒng)原理

余熱回收系統(tǒng)隨著空壓機(jī)運(yùn)行而啟動(dòng)后，循環(huán)桶里的冷水經(jīng)余熱回收的熱交換機(jī)不斷加熱，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的溫度（42℃）時(shí)，若熱泵儲(chǔ)水桶的水位傳感器檢測(cè)到水位不足，則抽熱水泵的電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，開(kāi)始往儲(chǔ)水桶加熱水。當(dāng)熱泵儲(chǔ)水桶水位達(dá)最高點(diǎn)或循環(huán)桶水位達(dá)最低點(diǎn)又或是循環(huán)桶水溫下降至下限設(shè)定溫度（37℃）時(shí)，抽熱水泵的電機(jī)自動(dòng)停止，完成熱水輸送的過(guò)程。

當(dāng)循環(huán)桶的水位下降到設(shè)定點(diǎn)，同時(shí)水井的水位傳感器檢測(cè)到水位充足時(shí)，抽冷水泵的電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，開(kāi)始往循環(huán)桶補(bǔ)充冷水，直到循環(huán)桶的水位達(dá)最高點(diǎn)或水井的水位達(dá)最低點(diǎn)，抽冷水泵的電機(jī)自動(dòng)停止，完成補(bǔ)充冷水的過(guò)程。

兩個(gè)循環(huán)桶有各自裝有水位傳感器和溫度傳感器，通過(guò)各自的控制器進(jìn)行控制水位和水溫。同時(shí)各自的進(jìn)水端和出水端均安裝有電磁閥，通過(guò)補(bǔ)充冷水和輸送熱水的接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)控制電磁閥的開(kāi)閉，能各自完成輸送熱水和補(bǔ)充冷水，互不影響。

2.3 電氣原理圖

圖1中：QX為缺相保護(hù)器的常開(kāi)觸點(diǎn)，缺相保護(hù)器的QX觸點(diǎn)在無(wú)電源時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，在三相電源正常時(shí)處于閉合狀態(tài)，接通控制回路。當(dāng)三相電源發(fā)生缺相故障時(shí)，缺相保護(hù)器動(dòng)作，自動(dòng)斷開(kāi)QX，控制回路隨之?dāng)嚯姡Ｗo(hù)三相電機(jī)避免因缺相運(yùn)行而燒壞[2]。

圖1 電氣原理圖

K1、K2分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制補(bǔ)充冷水的水位控制器的常開(kāi)觸點(diǎn)，它們與控制1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶的冷水補(bǔ)充泵的接觸器KM1、KM2的線(xiàn)圈串聯(lián)形成回路。當(dāng)兩個(gè)循環(huán)桶的水位不足時(shí)，水位控制器動(dòng)作，K1、K2相應(yīng)閉合接通回路，接觸器KM1、KM2相應(yīng)吸合，補(bǔ)充冷水的水泵工作。當(dāng)循環(huán)桶的水位達(dá)到最高點(diǎn)或者水井的水位達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，水位控制器的K1、K2觸點(diǎn)斷開(kāi)，補(bǔ)充冷水的水泵停止工作。

K5為熱泵儲(chǔ)水桶水位控制器的常開(kāi)觸點(diǎn)，當(dāng)澡堂樓頂上的熱泵儲(chǔ)水桶的水位到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，K5閉合，為接觸器KM3、KM4線(xiàn)圈的接通作前提條件。

K3、K4分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制輸送熱水的水位控制器的常開(kāi)觸點(diǎn)，它們分別與1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶溫度控制器的常開(kāi)觸點(diǎn)T1、T2串聯(lián)，再與熱水泵的接觸器KM3、KM4的線(xiàn)圈串聯(lián)形成回路。

因此，輸送熱水的水泵電機(jī)的啟動(dòng)需要具備以下3個(gè)條件：（1）澡堂樓頂上的熱泵儲(chǔ)水桶的水位到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，即K5閉合。（2）1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶的水位高于最低點(diǎn)，即K3或K4閉合。（3）1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶的溫度大于設(shè)定值（42℃）時(shí)，即T1或T2閉合。

D1、D2分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制補(bǔ)充冷水的電磁閥，它們隨冷水泵的啟停而開(kāi)閉。D3、D4分別為1#循環(huán)桶和2#循環(huán)桶控制輸送熱水的電磁閥，它們隨熱水泵的啟停而開(kāi)閉。

3.余熱回收電控系統(tǒng)產(chǎn)生的效益分析

自安裝了余熱回收電控系統(tǒng)以來(lái)，我礦機(jī)電值班技術(shù)員對(duì)余熱回收每天產(chǎn)生的熱水噸數(shù)均有記錄。通過(guò)對(duì)記錄的測(cè)算，平均每天產(chǎn)生熱水的噸數(shù)為30t。

3.1 余熱回收系統(tǒng)對(duì)冷水加熱產(chǎn)生的效益（按等效電耗計(jì)算）

年電耗1=年工作日×（余熱產(chǎn)生平均溫度-進(jìn)水平均溫度）×1噸水每溫升1℃需耗電量×每天平均產(chǎn)生熱水噸數(shù)=320d×(45℃ -20℃ )×1.16kW·h/t·℃ ×30t=278400kW·h。

3.2 停掉空壓機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的效益（按電耗計(jì)算）

年電耗2=年工作日×每天開(kāi)機(jī)時(shí)間×電機(jī)功率×臺(tái)數(shù)=320d×6h×4.4kW×3=25344kW·h。

3.3 余熱回收電控系統(tǒng)一年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益總和

節(jié)省電費(fèi)總和=（年電耗1+年電耗2）×平均電價(jià)=（278400+25344）kW·h×0.66元=200471.04元，約為20萬(wàn)元。

經(jīng)計(jì)算，我礦三套余熱回收系統(tǒng)一年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益總和為20萬(wàn)元。因余熱回收系統(tǒng)故障率低，在相比用空氣源熱水泵的情況下，每年還可節(jié)省約5萬(wàn)元的維護(hù)費(fèi)用（間接經(jīng)濟(jì)效益）。同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的原始參數(shù)，來(lái)決定風(fēng)機(jī)冷卻的時(shí)機(jī)。空壓機(jī)的高溫潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)余熱回收系統(tǒng)的熱交換器與冷水交換熱量后，潤(rùn)滑油的溫度已降到空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)所允許的范圍內(nèi)，沒(méi)有必要再經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)冷卻，這時(shí)就可以使原空壓機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)散熱轉(zhuǎn)變?yōu)閭溆蒙嵯到y(tǒng)，減少風(fēng)機(jī)的使用率，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)電的節(jié)能效果。

4.結(jié)語(yǔ)

余熱回收系統(tǒng)不僅有利于空壓機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，且可以充分利用空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱能資源，生產(chǎn)熱水用于職工澡堂的熱水供應(yīng)，還可以使空壓機(jī)的運(yùn)行溫度得到有效改善，尤其減少空壓機(jī)在夏季頻繁因“高溫故障跳機(jī)”而引起空壓機(jī)大故障，減少影響生產(chǎn)的不良因素，空氣壓縮機(jī)的產(chǎn)氣率也提高了5%～8%[3]。由此可見(jiàn)，余熱回收系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，不僅產(chǎn)生了非常可觀的直接及間接的經(jīng)濟(jì)效益，而且在企業(yè)節(jié)能降耗的環(huán)節(jié)中占有重要的一席之地。