空壓機(jī)余熱回收技術(shù)研究

中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 趙紅利

空壓機(jī)作為生產(chǎn)制造企業(yè)常見(jiàn)的設(shè)備，每年消耗大量的電能，并產(chǎn)生熱量排放到大自然中，造成了大量浪費(fèi)。如果能利用好這些余熱，不僅能減少對(duì)環(huán)境的影響，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，還可轉(zhuǎn)變?yōu)楣┥a(chǎn)和生活的熱量，為企業(yè)創(chuàng)造良好的效益。

1 空壓機(jī)改造原理

空壓機(jī)是一個(gè)能耗比較大的動(dòng)力設(shè)備，一般空壓機(jī)的輸入功率除了部分變成了壓縮空氣的勢(shì)能以外，也有一部分的能量以廢熱的形式被排放到空氣中浪費(fèi)掉。同時(shí)，為降低空壓機(jī)的油溫，還需要消耗電能開(kāi)動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)來(lái)冷卻，以保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行。充分利用這些浪費(fèi)的熱能，有利于節(jié)能減排，降低工廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)改善空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高約5-8%產(chǎn)氣量，節(jié)約空壓機(jī)的耗電費(fèi)用。

噴油螺桿空壓機(jī)工作原理為：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿機(jī)旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)過(guò)濾器，被吸入螺桿壓縮機(jī)中，壓縮成高壓空氣，并與循環(huán)油混合形成高壓高溫油氣混合氣體，再進(jìn)入油氣分離器。油氣混合氣被分離成油和氣后，壓縮空氣經(jīng)散熱后供給用戶(hù)；而循環(huán)油氣被分離并凝結(jié)成液態(tài)油后，經(jīng)散熱濾器后回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程。

余熱回收系統(tǒng)是一種利用壓縮機(jī)高溫油氣熱能通過(guò)復(fù)合列管式高效熱交換器，將熱能充分回收利用的專(zhuān)用節(jié)能設(shè)備。它通過(guò)能量交換收集空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱能，同時(shí)改善空壓機(jī)的運(yùn)行工況，是一種高效的余熱利用設(shè)備，其改造原理見(jiàn)圖1。

圖1 改造原理圖

空壓機(jī)余熱回收主機(jī)是將高溫循環(huán)油引入機(jī)組內(nèi)與水進(jìn)行熱交換，將回收的熱能產(chǎn)生活用熱水，給清洗池加熱，廢熱利用。空壓機(jī)油熱能回收達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)空壓機(jī)系統(tǒng)溫度降低，減少了機(jī)器的故障，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了維修成本，增大了空壓機(jī)機(jī)油、油/氣分離器更換時(shí)限，相應(yīng)延長(zhǎng)了設(shè)備的更換和維護(hù)期限。

2 實(shí)施方案

該株洲工廠(chǎng)需要加溫噴粉線(xiàn)、清洗線(xiàn)、噴漆線(xiàn)廠(chǎng)房分布情況如表1。

表1 廠(chǎng)房分布情況

目前使用2臺(tái)制熱量1.5MW（制熱消耗總功率320kW）、1臺(tái)制熱量0.8MW（制熱消耗總功率181kW）制熱機(jī)組給噴粉線(xiàn)、清洗線(xiàn)、噴漆線(xiàn)廠(chǎng)房供熱，冬季需求基本全開(kāi)。供/回水溫度為48/40℃，供暖系統(tǒng)循環(huán)水量為300.5t/h。

制熱機(jī)組裝機(jī)總功率：1.5MW×2＋0.8MW×1=3.8MW，電費(fèi)按0.7元/度，一天20h，一年冬季開(kāi)啟120天計(jì)算，運(yùn)行總費(fèi)用為（320kW×2+181kW）×0.7元/度×20h/天×120天/年=138萬(wàn)元/年。

空壓機(jī)配置情況：主站為10臺(tái)250kW螺桿空壓機(jī)，2號(hào)廠(chǎng)房為2臺(tái)250kW螺桿空壓機(jī)，4號(hào)廠(chǎng)房為2臺(tái)250kW螺桿空壓機(jī)，3臺(tái)200kW螺桿空壓機(jī)，其中2號(hào)廠(chǎng)房淡旺季全開(kāi)啟，淡季停1臺(tái)，主站10臺(tái)一般不停機(jī)。

根據(jù)該工廠(chǎng)空壓機(jī)的實(shí)際情況，可回收熱量計(jì)算如表2。

表2 工廠(chǎng)空壓機(jī)可回收熱量

根據(jù)上表可知，空壓機(jī)可回收的總熱量滿(mǎn)足該工廠(chǎng)的生產(chǎn)所需。

空壓機(jī)余熱利用布局見(jiàn)圖2，根據(jù)工藝要求，空壓機(jī)余熱改造可回收總功率1024kW，回收熱量可代替鍋爐加熱水溫或制熱機(jī)組制熱，減少原系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間降低成本。根據(jù)該工廠(chǎng)生產(chǎn)情況，選擇最優(yōu)代替方案，可隨時(shí)切換空壓機(jī)余熱熱量代替模式，從而達(dá)到最優(yōu)節(jié)省成本。

圖2 空壓機(jī)余熱利用布局圖

噴粉、噴漆、清洗線(xiàn)余熱改造原理見(jiàn)圖3，主空壓機(jī)房余熱回收改造示意見(jiàn)圖4。空壓機(jī)改造將高溫循環(huán)油引入H.R（余熱回收主機(jī)）內(nèi)與水進(jìn)行熱交換，將回收的熱能產(chǎn)熱水經(jīng)循環(huán)泵到清洗池各換熱器加熱，循環(huán)予以利用。

圖3 噴粉、噴漆、清洗線(xiàn)余熱改造原理圖

圖4 主空壓機(jī)房余熱回收改造示意圖

原噴粉、噴漆、清洗線(xiàn)水溫加熱是由鍋爐加熱循環(huán)，經(jīng)過(guò)原來(lái)的換熱器換熱到熱水洗、預(yù)脫脂、主脫脂工作區(qū)域進(jìn)行生產(chǎn)。空壓機(jī)余熱回收產(chǎn)出熱水經(jīng)過(guò)新裝換熱器循環(huán)，換熱器換熱端并聯(lián)到熱水洗、預(yù)脫脂、主脫脂工作區(qū)域，將空壓機(jī)熱量輸入清洗池，延長(zhǎng)鍋爐啟動(dòng)周期，使燃燒器啟動(dòng)頻率降低至原有60%-90%，甚至在非生產(chǎn)高峰期完全替代鍋爐供熱，使工作區(qū)域水溫達(dá)到生產(chǎn)要求。

原鍋爐加熱系統(tǒng)聯(lián)控改造，當(dāng)空壓機(jī)余熱熱量足夠時(shí)，鍋爐系統(tǒng)關(guān)閉，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)代替原有的鍋爐加熱系統(tǒng)，當(dāng)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)熱量不足時(shí)（空壓機(jī)卸載等外在因素），系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)工作區(qū)域水溫低于生產(chǎn)要求，觸發(fā)聯(lián)控閥門(mén)開(kāi)啟，原鍋爐系統(tǒng)輔助加熱。主要工程物料配置清單見(jiàn)表3。

表3 主要工程物料配置清單

3 復(fù)合列管式換熱系統(tǒng)

目前市場(chǎng)上空壓機(jī)余熱回收油路部分的換熱器大部分是采用釬焊板式換熱器，但其常見(jiàn)故障較多。

板式換熱器容易發(fā)生外漏、串液現(xiàn)象，由于板材選擇不當(dāng)（特別是薄壁的板片）導(dǎo)致板片腐蝕產(chǎn)生裂紋或穿孔。板片冷沖壓成型后的殘余應(yīng)力造成應(yīng)力腐蝕。板片泄漏槽處有輕微滲漏，造成介質(zhì)中有害物質(zhì)濃縮腐蝕板片。受空壓機(jī)的壓力及溫度變化影響，板片產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，也會(huì)造成應(yīng)力腐蝕，出現(xiàn)裂紋，形成串液。壓力較高一側(cè)的介質(zhì)串入壓力較低一側(cè)的介質(zhì)中，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)壓力和溫度的異常。如果介質(zhì)具有腐蝕性，還可能導(dǎo)致管路中其它設(shè)備的腐蝕。

板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的板片釬焊而成，板片與板片之間的距離只有2mm左右，造成板間流速過(guò)高而壓降偏大。板式換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，因板片表面結(jié)垢引起壓降過(guò)大。介質(zhì)進(jìn)、出口壓降超過(guò)設(shè)計(jì)要求，甚至高出設(shè)計(jì)值許多倍，嚴(yán)重影響系統(tǒng)對(duì)流量和溫度的要求。若熱側(cè)壓降過(guò)大，則一次側(cè)流量將嚴(yán)重不足，即熱源不夠，導(dǎo)致二次側(cè)出溫度不能滿(mǎn)足要求。對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行造成一定的影響。

本空壓機(jī)余熱回收采用復(fù)合列管式換熱系統(tǒng)，見(jiàn)圖5、圖6，該系統(tǒng)與結(jié)板式換熱器相比有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖6 外形結(jié)構(gòu)圖

管路接口全部留外，防止焊渣殘留而產(chǎn)生電位腐蝕；管路經(jīng)過(guò)200kN的壓力試驗(yàn)，不易發(fā)生泄漏；采用新型列管結(jié)構(gòu)，壓損微小，一般小于0.15kN；換熱管僅有1/3的水路高溫區(qū)，水的流速超過(guò)1.5m/s，且外拉螺紋，使得換熱管不易結(jié)垢；在換熱器進(jìn)出口處預(yù)留循環(huán)清洗口，方便清理局部的微結(jié)垢；不需循環(huán)水泵和循環(huán)水罐，具有占地面積小、安裝方便、控制簡(jiǎn)單、水泵功率低、故障降低等。

換熱器采用了316L不銹鋼三維內(nèi)肋管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不銹鋼代替以紫銅管為換熱器的傳統(tǒng)換熱器。換熱器是管套管列管式結(jié)構(gòu)，大管套小管之間形成的管壁，當(dāng)高溫油流過(guò)時(shí)形成紊流狀態(tài)，低溫小流量流體在殼程和管程流過(guò)，經(jīng)過(guò)折流板形成較長(zhǎng)的通道，具備了板換換熱效率高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一次性達(dá)到高溫流體的效果。復(fù)合列管式與板式換熱機(jī)組對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 復(fù)合列管式與板式換熱機(jī)組對(duì)比表

該實(shí)施方案使用復(fù)合列管式換熱系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯：

（1）復(fù)合列管式換熱系統(tǒng)改造方案具有熱穩(wěn)定性好，一旦設(shè)定產(chǎn)水溫度，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)備工作溫度均處于穩(wěn)定狀態(tài)；熱響應(yīng)強(qiáng)，產(chǎn)水溫度會(huì)隨空壓機(jī)工況變化，即油溫變化而變化；系統(tǒng)管理方便，由于各設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，管理人員容易掌控；余熱連續(xù)性被充分利用的優(yōu)點(diǎn)。

（2）該方案可實(shí)現(xiàn)油溫自動(dòng)調(diào)控功能，當(dāng)全負(fù)荷產(chǎn)水時(shí)，空壓機(jī)油全流量通過(guò)余熱回收系統(tǒng)；當(dāng)?shù)拓?fù)荷產(chǎn)水時(shí)，可根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)油量；當(dāng)空壓機(jī)卸載時(shí)余熱回收系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)油溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)最大出水溫度或停止出水；當(dāng)空壓機(jī)停機(jī)時(shí)余熱回收系統(tǒng)不工作且不通水。閉式循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)恒壓變頻改變系統(tǒng)循環(huán)量。

（3）安全可靠，當(dāng)空壓機(jī)全停時(shí)，工藝加熱系統(tǒng)同樣與原有系統(tǒng)運(yùn)行工況相同，無(wú)需切換。由于改造后工藝用水全天候需要吸收熱量，可與空壓機(jī)自身的散熱系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，因此可為目前處于高溫工作狀態(tài)的空壓機(jī)進(jìn)行降溫，延長(zhǎng)空壓機(jī)的保養(yǎng)周期，降低維護(hù)成本。

空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)成功改造后，將螺桿空壓機(jī)原本釋放到大氣的余熱利用換熱工藝原理循環(huán)加熱工藝用水，達(dá)到廢熱利用和節(jié)省能源的雙重效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年該工廠(chǎng)至少節(jié)約電費(fèi)約100萬(wàn)元。