空壓機余熱利用在精密銅管生產(chǎn)中的應用

曾何生

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

銅管廣泛應用于電子、機械、建筑、制冷行業(yè)，銅管因制造特性主要生產(chǎn)方法有擠壓-拉拔法、軋制-拉拔法（既鑄軋法），而鑄軋法具有工藝流程短、能耗低、生產(chǎn)效率高、成本低等特點，所以被廣泛應用于精密銅盤管生產(chǎn)工藝［1］。為了避免無氟制冷劑帶來的高能耗、高污染等問題，內(nèi)螺紋銅管在空調(diào)和制冷行業(yè)應用不斷推廣［2］。鑄軋法生產(chǎn)精密銅盤管主要工藝包括水平連鑄、銑面、三輥行星軋制、三聯(lián)拉、盤拉、在線退火、成型、精整、成品退火等，在上述工序中大部分要應用壓縮空氣，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，為此空壓機是精密銅管生產(chǎn)中重要的輔助設備之一。

空壓機在實際運行中有效能源利用率僅為15%左右，隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，國家提出了一系列的節(jié)能、減排的政策，這對空壓機的余熱利用提出了新的要求。近年來，國內(nèi)外有許多學者對空壓機預熱利用做了深入的研究，楊林［3］等系統(tǒng)分析了空壓機余熱回收系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)中的應用及研究，并提出了相應措施，黃平安［4］對啤酒生產(chǎn)中的熱能回收與綜合利用進行了研究分析，張帆［5］對無油螺桿式空壓機的壓縮和冷卻過程進行分析計算,得出空壓機可供回收的熱量,結(jié)合熱用戶的用熱參數(shù)，設計出余熱回收系統(tǒng)，唐良剛［6］研究了用空氣壓縮機產(chǎn)生的余熱來替代天然氣為燙干池提供熱源。但是，對精密銅管生產(chǎn)系統(tǒng)空壓機的余熱利用研究太少，實際銅管生產(chǎn)中包裝材料還需要大量電來取暖烘烤木制品。

本文以JTLC公司連鑄連軋銅盤管生產(chǎn)線中的空壓機系統(tǒng)為研究對象，通過分析空壓機工作原理，結(jié)合木制品烘干系統(tǒng)進行余熱回收的系統(tǒng)設計。

2 工況特點

2.1 空壓機工況

JT L C公司有四條連鑄連軋銅盤管生產(chǎn)線，為了確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行空壓房共配有2臺阿特拉斯GA132工頻機空壓機、1臺阿特拉斯GA132WVSD水冷機空壓機，2臺柳富達LU160W工頻機空壓機，如圖1所示，裝機總功率約為716kW。五臺空壓機為四臺正常運行一臺備用，用氣量大時需全部開啟，整個空壓房空壓機的加載率約為90%。

圖1 空壓機工藝流程示意圖

空壓機轉(zhuǎn)子循環(huán)運動產(chǎn)生大量的熱量，需通過冷卻水和冷卻塔來循環(huán)降溫，空壓機自身產(chǎn)生的熱能沒有得到充分利用外還需通過相關(guān)設施進行降溫處置。

2.2 烘干系統(tǒng)工況

精密銅盤管根據(jù)客戶的需要對產(chǎn)品包裝有嚴格的要求，尤其是確保包裝的穩(wěn)定性，對包裝材料的濕度有明確的要求，包裝材料主要是定位木托、蓋板、木條等木制品。地處南方的JTTL公司控制包裝材料的干濕度就更難，尤其是雨水天氣，南方的精密銅管生產(chǎn)線均配備了專有的烘干房，JTLC公司配備了約600m2的烘干房，配有2臺56 kW抽濕機和2臺27.2kW抽濕機，供熱抽濕機總裝機功率約166.4kW。

2.3 空壓機與烘干系統(tǒng)用電成本

空壓機和烘干系統(tǒng)獨立運行，空壓機熱量散漫空氣中，烘干系統(tǒng)用電供暖，按照空壓機裝機總功率716kW、烘干系統(tǒng)裝機總功率166.4kW計算，全年電費約380余萬元。

3 熱回收系統(tǒng)設計

3.1 熱能回收原理

根據(jù)熱力學理論，流動空氣的絕對能量由焓、運動能和勢能組成。其中，運動能和勢能比較小以致基本可以忽略不計，而焓由內(nèi)能與傳遞能組成。所以，空氣流動過程中所具有的絕對能量可表示為：

空氣的絕對能量取決于空氣的質(zhì)量和溫度，與壓力無關(guān)。即使是大氣狀態(tài)的空氣，也含有大量的焓。

圖2 空壓機能量原理

假設比熱不變，如果壓縮機出口溫度與初始狀態(tài)的入口溫度相同，則壓縮空氣中的能量與壓縮前的能量相同。當壓縮空氣在用氣端被排出時,空氣發(fā)生膨脹并從環(huán)境中吸收熱量，這個過程會使得周邊范圍內(nèi)的環(huán)境溫度降低。

所以，能量回收系統(tǒng)事實上從環(huán)境中得到了能量，可以看作是100%回收電能，而得到免費的壓縮空氣。

3.2 余熱利用設計

將5臺空壓機運行產(chǎn)生的余熱通過全智能熱能回收控制主機收集到一個20t集熱循環(huán)保溫水箱，再通過相關(guān)管道及自動控制系統(tǒng)，將熱水傳送到木托烘干房的28臺熱交換機組，對4個木托烘干房進行加熱升溫，烘干房內(nèi)配備溫度、濕度自動檢測控制裝置，最終烘干房溫度可達到50～55℃、環(huán)境濕度≤30%、木托材料含水率≤8%的生產(chǎn)條件。

圖3 余熱利用工作示意圖

圖4 余熱回收系統(tǒng)流程圖

通過系統(tǒng)改造，將空壓機油冷卻系統(tǒng)納入交換模塊進行換熱，使回收的目標終端水箱的水溫控制在用戶生產(chǎn)工藝所需的溫度帶內(nèi)。而且會將全天和全月水箱溫度變化數(shù)據(jù)顯示和保存。控制系統(tǒng)完全智能化，無需人為操作，系統(tǒng)會根據(jù)用戶設置的各項數(shù)據(jù)來監(jiān)測循環(huán)水箱中溫度、水位的情況，及使用終端的工藝需求來做出判斷，自行決定換熱方式、供熱方式。空壓機原有冷卻系統(tǒng)完全保留。與能量回收系統(tǒng)是兩套完全獨立的系統(tǒng)，加裝后只是增加了空壓機二次降溫過程，使用企業(yè)不用擔心由于新增熱能回收系統(tǒng)的原因而影響空壓機的正常運行。在保證生產(chǎn)工藝上用熱的前提下，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的設定，自動將多余的熱水用于其它用途。考慮到工廠節(jié)假日、晚班用氣量變化，空壓機停機檢修、冬季氣溫下降等因素影響，使回收的熱量滿足不了生產(chǎn)工藝用熱時，系統(tǒng)將自動啟用輔助加熱設備來保證生產(chǎn)工藝用熱的持續(xù)性，使整個回收系統(tǒng)可在任何外部條件變化下自動為工藝點提供穩(wěn)定的熱源。

3.3 實施效果

空壓機余熱利用后，對包裝材料的烘干效果進行統(tǒng)計分析，如表1所示。購進包裝材料濕度均在20%左右，均通過烘干24h進行檢測，余熱利用前后烘干的包裝材料濕度均能達到≤8%，在5%左右，與僅用電烘干效果相當。

表1 余熱利用前后包裝材料烘干效果統(tǒng)計表

余熱利用后，電耗顯著下降，停用電加熱除濕機前兩個烘干房運行功率為166.4kW，實際功率為116.5kW，改后平均為12kW，按月運行28天，每天20小時計算，月節(jié)約電量為：（116.5-12）×28×20=58520kW·h，年 節(jié) 約 電 量 為：58520×12=702240kW·h。

4 結(jié)語

通過對連鑄連軋精密銅盤管生產(chǎn)線的空壓機系統(tǒng)、烘干房系統(tǒng)使用現(xiàn)狀進行分析，研究空壓機余熱利用的工作原理，設計余熱回收系統(tǒng)，大幅提升了空壓機的余熱利用，降低了烘干房的電耗。

空壓機余熱得到較好的利用，符合國家綠色發(fā)展理念，反復應用了熱能的快速交換和熱能的傳遞技術(shù)，同時烘干房溫度、濕度實現(xiàn)無級自動可調(diào)。