煤礦空氣壓縮機余熱回收系統設計及應用

賀佳貝，劉文輝

(延安市禾草溝煤業有限公司，陜西 延安 717300)

0 引言

對于煤礦生產企業而言，空壓機是一種常見壓縮氣體的設備，其主要作用是將電能轉換為增加空氣壓力的勢能，以及增加機械做功形成的熱能[1]。當前，煤礦生產企業中，傳統空壓機在運行過程中，只能將極少部分的能源轉換為有用的空氣勢能，其余全部電能均轉化為熱能，并以水冷或風冷的形式，逐漸排放到空氣當中。產生的大量余熱被排放到大氣環境當中，造成對環境的嚴重破壞[2]。若對煤礦空壓機的余熱進行充分利用，不僅可以避免能源出現浪費，實現企業節能減排的可持續發展，更能夠提升企業的經濟效益。基于此，有必要開展對煤礦空壓機余熱回收系統的設計及應用研究。

1 硬件設計

1.1 換熱器選型

為滿足在煤礦生產過程中對空壓機產生的余熱進行回收的要求，選用板式結構換熱器作為系統中的重要硬件組成。選用KSD-27440型號，傳熱系數值在2 500～5 500 W/(m2·℃)范圍內的板式換熱器裝置。KSD-27440型號板式換熱器裝置總長度210 mm，總寬度約188 mm，下接口距為45.2 mm，上接口距為63.5 mm，工作壓力為0.8 MPa，最大處理流量為15 m3/h，重量為15.4 kg。該型號換熱器由于結構更加緊密，且體積相對較小，因此熱損失較低，設備本身不需要額外進行保溫；在該型號換熱器板片結構之間，裝有兩道密封結構，并布設多個信號孔，當出現泄漏問題時，通過密封結構可將氣流快速排除到換熱器的外部，放置在氣流的作用下，導致多種介質發生混合，以此也可以起到一定的安全報警效果[3-5]。KSD-27440型號板式換熱器裝置整體結構是通過多個沖壓薄板按照一定規則進行組合，周圍密封通過墊片結構實現，整體由框架以及壓緊螺旋相互連接。利用板片結構上布設的孔洞，使流進換熱器的空氣形成流體，并均勻分配到各個管道當中，將熱流體與冷流體分隔，使流體從板片結構的兩側流道流動，以此實現對熱的交換。

1.2 空壓機螺桿結構設計

傳統空壓機結構主要包括驅動裝置、機體本身和支撐底座3部分，為保證空壓機運行過程中形成一個緊湊的機組，對傳統空壓機增加螺桿結構。將螺旋桿上的2個螺旋轉子結構輪流嚙合，其中一個轉子的轉動速度比另一個轉子的轉動速度提高45%。將空壓機放入的空氣在螺桿結構轉子與外殼之間進行壓縮。通過增加精確定時齒輪，使轉子表面產生微小的細縫，保證壓縮轉子之間不會互相接觸，避免在空壓機運行過程中出現磨損。由于傳統空壓機并未安裝進氣閥和排氣閥，因此進氣只能通過調節閥的開啟或關閉進行調節，在進氣側吸氣口位置上，按照系統的運行需要進行設計，從而保證壓縮室可以進行更加充分的吸氣操作。當轉子結構進行旋轉運動時，主轉子會與副轉子之間形成較大的孔隙，并且在這一階段，齒槽空間中的氣體是可以自由流動的[6-8]。根據這一特點，在進行排氣時，可通過螺桿結構將齒槽中的空氣排除。待全部排除后，將新的空氣重新灌入到齒槽中，螺旋桿的運動會使齒槽內形成密閉空間，輔助空壓機完成吸氣過程。

2 軟件設計

2.1 換熱控制

為實現對煤礦空壓機余熱的回收，首先對其換熱進行控制，利用補水測得水泵變頻控制補水量。利用Pt150熱敏電阻對冷卻水的出水溫度進行檢測，再利用Pt150電阻輸出的微弱信號，通過溫度變送轉換器轉變為電壓信號。再通過中央處理器將所有采集到的溫度與設定的溫度范圍進行比較，利用生成樹協議中的控制算法對其溫度調節參數進行邏輯運算[9-10]。最后將計算結果發送到可編程邏輯控制器中，利用模擬量輸出模塊，將電壓信號轉換為電流信號，對進行補水的水泵頻率控制。控制流程如圖1所示。

圖1 換熱控制流程示意Fig.1 Heat exchange control process

利用溫度變送器將獲取到的溫度信號轉換為電壓信號傳輸到可編程邏輯控制模擬量輸入口，經過其內部的運算與處理，獲取到相應的控制量，以此改變水泵頻率，實現對水泵的供給量調節，對水量進行控制，進而控制空壓機換熱。

2.2 空壓機冷卻

空壓機的冷卻主要依靠水泵輸送的冷卻水，而輸送冷卻水的量直接影響空壓機的冷卻效果。由于水泵電機具有較強的耦合性和非線性，因此在冷卻過程中，通過傳統線性控制器很難達到最佳的控制性能。基于此，本文采用模糊控制技術，將線性控制與模糊控制結合，形成二維模糊控制模塊，將誤差的變化率及誤差設定為輸入值，假設誤差的變化率為γ，誤差值為t，積分修正系數為k。當達到不同γ和t時，通過調節線性控制參數進行調節[11-12]。當t值較大時，為了使系統響應速度加快，應將k取較大值，防止響應出現超調過大線性。當γ值和t值中等大小時，應當將k取較小值，使系統超調降低，保證系統響應速度。當t值偏小時，應當適當增加k值大小，保證系統穩態運行，以此控制空壓機的冷卻。

3 系統應用測試

選用某煤礦生產企業中常用熱水系統作為試驗對象，在生產過程中，每月熱水總用量約為1.3×105m3，該企業在未安裝余熱回收系統時，原始熱源是通過電廠余熱供應。為驗證提出的煤礦空壓機余熱回收系統的有效性，在沒有其他外部能源可以利用的情況下，利用新提出的余熱回收系統與傳統余熱回收系統為該生產企業提供熱源。為保證試驗結果的可靠性，另設置一臺電鍋爐對水進行加熱。測試時間為1年，分別將試驗過程中的數據進行記錄，并對比2種系統的節能效果，見表1。由表1可以看出，在滿足企業日常用水溫度所需的前提條件下，新設計的煤礦空壓機余熱回收系統與傳統系統相比回收熱量更多，可為企業節約更多的能源，對空壓機余熱進行循環利用，保證其熱量的高效利用。

表1 新設計系統與傳統系統節能效果對比

4 結語

選用板式結構換熱器作為礦井余熱回收系統空氣壓縮機中的重要硬件組成，并將所設計的煤礦空壓機余熱回收系統應用于實際，可以有效避免傳統空壓機耗能高的問題，充分利用廢熱，實現對余熱的二次利用。同時，對該系統進行應用推廣可以為煤礦企業節約更多的能耗，降低熱排放量，對減少企業碳排放具有積極的應用價值，實現企業節能減排和可持續發展。