煤礦空壓機余熱回收利用項目設計

郭沖沖　張林兵　劉曉峰　崔明輝　崔楚陽

摘要：為了提高空壓機能量利用率，解決空壓機在夏季制冷效果差等問題，以新疆地區某煤礦空壓機改造工程為例，提出了一種余熱回收系統用以吸收空壓機產生的余熱。系統利用油水換熱器將空壓機產生的余熱經一次循環系統傳遞到高溫水箱，由高溫水箱加熱自來水制備洗浴熱水。研究數據表明，系統全年回收余熱相當于87 952 m天然氣所釋放的熱量，在冬季、夏季和春秋季利用這些余熱可制備的45 ℃洗浴用水量分別為51.5，58.9和55.7 t。此外，經濟性分析表明，系統的靜態投資回收期預計為2.5 a。因此所設計的空壓機余熱回收技術具有一定的經濟和使用價值，研究結果對礦區空壓機余熱回收系統的推廣具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：節能技術;余熱回收;空壓機;能量利用率;經濟性分析

中圖分類號：X706文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02011

Project design of waste heat recovery and utilization of coal mine air compressor

GUO Chongchong ZHANG Linbing LIU Xiaofeng CUI Minghui CUI Chuyang

（1.School of Architectural Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei? 056038，China）

Abstract：In order to improve the energy utilization efficiency of air compressor and solve the problem of poor refrigerating effect in summer，a waste heat recovery system was proposed in this paper to absorb the waste heat of air compressor based on the air compressor reconstruction project of a coal mine in Xinjiang.The oil-water heat exchanger was used to transfer the waste heat generated by the air compressor to the high temperature water tank through the primary circulation system in this system，and then the high temperature water tank was used to heat the tap water to prepare hot water for bathing.Research data indicates that the waste heat recovered by the system in the whole year is equivalent to the heat released by 87 952 mnatural gas，which can be used to prepare 51.5，58.9 and 55.7?t of bath water consumption at 45 ℃ in winter，summer and spring and autumn，respectively.And the static payback period of the project is expected to be 2.5 years through the economic analysis.The waste heat recovery technology of air compressor has certain economic and practical value，and the research results have important reference significance for the promotion of waste heat recovery system of air compressor in mining area.

Keywords： energy-saving technique;waste heat recovery;air compressor;energy utilization efficiency;economic analysis

空氣壓縮機是用于生產壓縮空氣的機械設備，其將電能轉化為機械能，通過壓縮做功的方式提高氣體的壓力[1-2]。隨著現代化工業的發展，壓縮空氣為人類生產和生活提供了很多動力，在煤礦企業挖掘中，空氣壓縮機是不可或缺的設備。但空壓機耗能大，在使用過程中除了產生用于做功的高壓氣體外，還產生大量的壓縮熱。據統計，僅有15%的能量轉換為空氣勢能用于做功，其余85%的能量直接轉換為熱能，這些熱能直接流失排放，在壓縮時，空壓機內部油氣混合物溫度能夠達到80～100 ℃[3-7]。為滿足空壓機正常運行溫度要求，經油氣分離器分離后的高溫潤滑油需經冷卻器冷卻散熱及過濾器過濾，完成下一個循環，這些熱量的流失導致能量利用率低[3]。目前，噴油螺桿空壓機余熱回收多采用一次余熱回收方式，這種余熱回收系統雖然換熱效率較高，但如果設備清理不及時則易出現結垢及換熱裝置泄露的情況。為克服一次余熱回收方式的弊端，可采用二次余熱回收的方式，該方式借助熱回收裝置通過兩次熱交換將熱量回收，不但提高了系統的換熱效率，也一定程度上加強了系統的穩定性[8-10]。無油螺桿空壓機理論上可達到100%余熱回收，但離心式空壓機需借助熱能換熱收集器回收余熱[11]。目前對空壓機余熱回收的研究相對較多，但對余熱回收后利用的設計研究及系統經濟性分析并不多。

本文以新疆地區某煤礦噴油螺桿空壓機為例，通過設計系統方案，[JP+1]采用二次余熱回收的方式，將空壓機產生的余熱回收利用作為洗浴水加熱熱源，并分析了該余熱回收系統的實用性和經濟性，為礦區空壓機余熱回收設計提供了理論和實例參考[11-12]。

1項目概況

以新疆地區某煤礦為例，利用礦區空壓機的余熱來制備洗浴熱水。該煤礦廠區內有4臺空壓機，其中，185 kW空壓機2臺，160 kW空壓機2臺。采用風冷系統，正常運行時啟動1臺185 kW的空壓機，其他空壓機為備用。這種傳統空壓機冷卻系統冷卻效果比較差，尤其夏季冷卻效果更差，長此以往不利于空壓機的穩定運行，大大縮短了空壓機的使用壽命，同時將空壓機的余熱散失到空氣當中，[JP2]造成能源浪費。本次改造利用4臺120 kW油-水換熱器空壓機余熱回收裝置進行余熱回收，用于制備45 ℃洗浴熱水，從而進一步減少洗浴用熱水的投資。

2項目方案設計

2.1項目設計原理

空壓機余熱回收利用設計如圖1所示。該系統的設計依據為《工業供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019—2015）、《建筑給水排水設計規范》（GB 50015—2003）、《全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力》（2009）、《全國民用建筑工程設計技術措施·給水排水》（2009）、《通風與空調工程施工質量驗收規范》（GB 50243—2002）等規范文件。整個空壓機余熱回收利用系統由一次循環系統、二次循環系統和補水系統組成[13]。系統運行時，擬回收空壓機60%的熱量用于洗浴用水的加熱。為了能夠更好地減少熱量損失，余熱回收的管道都做了保溫處理。

由圖1可知，從高溫保溫水箱出來的水在循環水泵的作用下通過油-水換熱器吸收空壓機60%的熱量，再流經高溫保溫水箱釋放熱量完成一次循環過程;自來水流經高溫水箱吸收釋放的那部分熱量以達到洗浴溫度，再由洗浴供水泵送到洗浴水箱完成二次循環過程。為保證一次循環系統壓力的穩定，礦井自來水經過軟化處理后在補水泵作用下對系統進行補水[14-15]。

2.2工藝核心技術

設計方案通過對空壓機余熱進行回收，保證空壓機正常運行并防止余熱系統結垢。采用二次閉式換熱技術及高效反沖逆流換熱技術，首先是90 ℃以上的高溫機油與一次閉式換熱機組的軟水互相閉式循環冷熱交換。由于從高溫熱油中提取的熱量是一定的，軟水在油水換熱器出口處溫度與流速有關，經計算出口處最高溫度可以達到60～70 ℃;然后一次換熱機組的軟水提取熱量后進入加熱保溫水箱的內置盤管中，直接對30 m帶內置防結垢換熱盤管的加熱保溫水箱內洗浴水進行加熱，當加熱保溫水箱液位和溫度達到系統設定值，自動通過洗浴供水泵輸入原有的洗浴保溫水箱供職工洗浴使用，整個系統實現了自動控制無人值守。

3余熱回收利用計算

一般余熱回收熱量為空壓機輸入功率60%～70%的熱量[14]，按照本礦區正常運行1臺功率為185 kW的空冷空壓機，回收效率為60%進行計算，可以回收111 kW的熱量，空壓機余熱回收系統按照每天運行24 h，根據式（1）計算。

Q=cmΔt， （1）

式中：Q為空壓機余熱回收總熱量，kJ;c為水的比熱容，kJ/（kg·℃）;m為每天制取熱水量，kg;Δt₁為洗浴用水溫差，℃。

考慮保溫水箱內換熱器效率，按照系統熱量最大損失10%計算，即熱轉化效率取90%。夏季以進水溫度10 ℃計算，制取45 ℃洗浴熱水，則夏季每日可制取58.9 t熱水;春秋季以進水溫度8 ℃計算，能夠制取45 ℃的熱水量，則春秋季每日可制取55.7 t熱水;冬季以進水溫度5 ℃計算，能夠制取45 ℃的熱水量，則冬季每日可制取51.5 t熱水。

4設備選型

1）油-水換熱器選型空壓機負荷為185 kW，回收率為60%，其運行負荷為111 kW，根據以上參數每個機組選擇1臺120 kW的油-水換熱器，共4臺。

2）循環水泵選型循環水泵流量依據式（2）計算。

G=0.86Q/Δt， （2）

式中：G為水泵流量，kg/h;Q為水系統的負荷，kW;Δt為系統設計水溫差，℃。

依據系統循環水量及環路阻力確定水泵流量及揚程，所選循環水泵均為一用一備。循環水泵揚程利用式（3）進行計算。

H=H+H+H， （3）

式中：H為循環水泵揚程，Pa;H為水系統總的揚程阻力損失，Pa;H為水系統總的局部阻力損失，Pa;H為設備阻力損失，Pa。

3）補水泵選型正常補水量為1%，但要考慮事故發生時的補水量，應不低于正常補水量的4%，故本系統采用6%。補水泵選用時要本著“一用一備”的原則，故本系統設計選用2臺補水泵，每臺水泵補3%。水泵參數如表1所示。

4）加熱保溫水箱選型根據煤礦職工洗浴需求規范，以及實際用水量情況，選取30 m不銹鋼保溫水箱一座[14]。

5）其他設備選型加熱保溫水箱內置盤管換熱器1套;低壓配電柜及PLC控制柜各1臺;反滲透純水（軟水）器1臺（流量1 t/h）。

主要設備選型如表2所示。

5經濟性分析

5.1初投資費用

本項目設備購置費用及安裝費用均采用詢價的方式進行計算，土建類工程按同類工程實際建設價格進行計算。工程安裝依據《煤炭建設機電安裝工程概算指標》，[JP2]并參照同類工程實際發生價格進行計算[14-16]，包括水泵、水箱、水管閥件等設備費，設備安裝費用以及稅費，總投資約為57.73萬元。

5.2運行費用

參照當地電價和燃氣價格，依據本項目系統實際運行時間，統計基本參數如表3所示。

浴室加熱系統全年運行，主要運行設備包括熱水循環水泵、洗浴水泵，由于補水泵運行時間較短，不做考慮。設備運行費用如表4所示。

5.3燃氣鍋爐費用

通過空壓機余熱回收利用計算得系統每小時可回收余熱111 kW，則全年回收余熱由式（4）計算。

Q=3.6 PT， （4）

式中：Q為全年余熱回收熱量，MJ;P為余熱回收功率，kW;T為系統運行時間，h。

由式（4）得全年可回收余熱3 500 496 MJ，相當于87 952 m天然氣所釋放的熱量，燃氣費用24.7萬元。

5.4投資回收期

該項目總投資費用為57.73萬元，空壓機余熱回收系統年運行費用為1.61萬元，采用空壓機余熱回收系統相較于燃氣鍋爐每年可節省費用23.09萬元，計算可得該項目靜態投資回收期約為2.5 a。

6結語

礦區空壓機余熱回收系統具有運行可靠性高、經濟性好、實用性強等優點，其利用余熱制備洗浴用水，提高了能量的利用率，同時余熱的回收也改善了空壓機冷卻在夏季應用效果不佳的情況，提升了空壓機的使用壽命，充分發揮了空壓機的優勢。研究主要結論如下：

1）本設計中一次換熱系統使用油-水換熱器可回收空壓機運行過程中產生的多余熱量;二次換熱系統采用帶內置防結垢換熱盤管的加熱保溫水箱實現了洗浴用水的加熱和保溫;

2） 該項目年可回收余熱為3 500 496 MJ，節約燃氣達87 952 m³，具有較強的節能性;

3）該項目年運行費用為1.61萬元，相較于燃氣鍋爐可節省23.09萬元，項目靜態投資回收期為2.5 a，具有很好的經濟性，是一套可實用的方案。

新疆某礦區空壓機余熱回收利用系統為其他礦區的余熱回收利用改造提供了參考。由于本項目空壓機數量較少，回收余熱量有限，對余熱的利用也較為單一。后續研究可針對大型煤礦及空壓機數目較多的工程設計相應的余熱回收系統，并將余熱應用于供暖季初末段的熱源及空調新風預熱等，從而進一步分析不同形式下的能量利用率，為礦區空壓機的余熱回收改造提供更有力的指導。

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