煤礦空壓機余熱回收利用系統的研究與設計

石建光，張錦龍，張立忠

(1.國能包頭能源有限責任公司煤炭洗選中心，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000;2.北京中礦博能節能科技有限公司，北京市朝陽區，100102)

根據國家統計局公布的數據，2021年煤炭在我國一次能源消耗中的占比為56%，提高能源利用效率是我國當前能源結構下控制能源消費總量、推進“雙碳”目標實現的重要手段之一[1-2]。

以空壓機余熱作為能源循環再利用技術，已在煤炭行業得到了較為廣泛的應用，在回收空壓機余熱的同時，還能夠起到冷卻空壓機的作用。雖然空壓機余熱可回收熱量相對礦區生產、生活供熱總量較小，但利用空壓機余熱來制取職工洗浴用熱水，既可以實現空壓機余熱回收及利用、降低能源消耗，又可以減少污染物的排放，產生較好的環境、經濟及社會效益[3]。以夏季為例，在自來水溫度為20 ℃的情況下，利用空壓機余熱制取1 t溫度為50 ℃的洗浴熱水，其系統循環泵耗電僅為1.86 kW·h。利用1臺軸功率為250 kW的螺桿式空壓機運行時的回收余熱量來制取洗浴用熱水，可減少燃煤供熱鍋爐用煤583標t/a。

筆者以國能包頭能源有限責任公司李家壕煤礦(以下簡稱“李家壕煤礦”)空壓機余熱利用項目為例，通過分析利用空壓機余熱制取洗浴熱水在實際工程中的應用，以期為空壓機余熱利用技術的推廣和工程設計提供參考。

1 工程概況

李家壕煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市東勝區，主要產品為不黏煤和長焰煤，設計生產能力12 Mt/a。礦區選煤廠因生產需要使用高壓空氣，因此在空壓機房安裝了風冷螺桿式空壓機，在供給高壓空氣的同時還有大量余熱排放至空氣中，造成熱能資源浪費。李家壕煤礦采用太陽能熱水器配以輔助電加熱制取洗浴熱水，以解決本礦區職工洗浴熱水的用熱需求。本工程設計改造了空壓機的潤滑油冷卻系統，并安裝了空壓機余熱回收機組，在空壓機工作時回收潤滑油中的熱量制取洗浴熱水，并根據空壓機余熱特點，結合礦區職工洗浴熱水制熱負荷的變化規律，配套設計洗浴熱水換熱系統和智能控制系統，以保障空壓機的安全運行和穩定供熱。

2 空壓機余熱回收利用系統設計參數

2.1 余熱資源

李家壕煤礦現有8臺空壓機，自動循環投切運行，實時運行情況為2用6備，空壓機軸功率為250 kW。根據多項關于空壓機工作效率及余熱資源的研究[3-5]，空壓機軸功率中僅有10%～35%的能量轉化為壓縮空氣勢能，而其余能量均以熱量形式進入導熱油或其他形式的媒介中，并最終以風冷或水冷方式散失，這些能量均可作為余熱資源予以回收。取平均熱能回收比例80%，則可回收余熱達400 kW。

壓風機可回收余熱總量的計算見式(1)：

Qy=N×n×k

(1)

式中：Qy——壓風機可回收余熱總量，kW；

N——壓風機單機軸功率，kW；

n——日常運行臺數，臺；

k——熱回收率， %。

2.2 回收系統參數

目前設計的8 臺空壓機余熱回收機組與空壓機一一對應并連鎖運行，其中單臺機組最大回收余熱功率為220 kW；空壓機油氣分離器潤滑油出油溫度為90 ℃，壓力為0.6 MPa，熱量回收后壓縮機潤滑油的回油溫度設為65 ℃。空壓機余熱回收機組油側壓力損失不超過 0.05 MPa。

2.3 熱用戶端參數

根據項目要求，利用回收的空壓機余熱每天(按18 h計)制取50 ℃洗浴熱水應不少于170 t，同時作為太陽能熱水制備系統的補充，要求其出水溫度及流量連續可調。

根據實地溫度測量結果，李家壕煤礦夏季自來水的平均溫度為24 ℃，冬季自來水的平均溫度為4 ℃，春秋兩季的自來水平均溫度為15 ℃。按照全年洗浴熱水溫度50 ℃、補充自來水溫度15 ℃計算，回收的余熱資源可制取熱水的量為177.2 t/d。

回收余熱資源制取熱水量的計算見式(2)：

式中：Qh——回收的余熱資源熱水制取量，t/d；

t——日均運行小時數，h/d；

T1——出水溫度, ℃；

T0——回水溫度, ℃。

由此可見，本設計參數可以滿足項目的用水溫度及用量等各項要求。

3 空壓機余熱回收利用系統設計

3.1 系統設計原則

本項目采用的是回收空壓機潤滑油中的熱量以制取礦區職工洗浴用熱水，因此需要對每臺空壓機的潤滑油冷卻系統進行改造。在設計系統時應堅持以下原則。

(1)安全穩定。保證原有空壓機系統的安全穩定運行是整個系統最重要的前提，在設計油路系統改造方案時，既要保證其便于接入熱回收系統，還要把對原有系統的影響降到最小；在設計熱水系統時采用間接換熱，避免因換熱器泄露而造成油路或洗浴熱水污染，從而影響空壓機的運行安全和洗浴熱水的使用安全；在設備選型選材時，應充分考慮防腐、阻垢等因素，并設計足夠冗余度以保證在特殊情況下能將多余的熱量移出，防止出現影響空壓機系統安全運行的情況。

(2)靈活高效。保留空壓機原有風冷系統，控制系統能根據需要，隨時將余熱回收換熱模式切至原風冷換熱系統，從而控制壓縮機回油溫度恒定；安裝各種計量設備，實時在線收集回收的熱量、用水量等數據，統計分析系統運行效果[6-8]，以此作為調整控制參數的依據，使系統保持最優運行效果。

(3)智能便捷。以空壓機潤滑油溫度、蓄水箱水位等為關鍵跟蹤控制指標，實現智能化控制、遠程監控和數據采集，支持多終端操作；實現故障實時自檢和自動啟停控制、閉鎖和自動切換(輪換)。

3.2 潤滑油系統改造設計

空壓機潤滑油冷卻系統改造前應先切斷電源，待機組冷卻后從油氣分離器放油口處將機組內潤滑油放出，參照空壓機的說明書核對油氣管路或咨詢生產廠家技術人員，確認油氣管路和油路的三通溫度調節閥的位置，找到三通溫度調節閥至油冷卻器的油管，選擇安裝空壓機油路分油器方式確定系統改造方案。高壓氣管采用的是鋼管，潤滑油路通常采用的是高壓鋼絲膠管或不銹鋼管，改造時選用空壓機同種規格形式的潤滑油管道，額定工作壓力為1.6 MPa，便于安裝操作和后期系統維護。空壓機油路分離器安裝示意如圖1所示。

圖1 空壓機油路分離器安裝示意

高壓鋼絲膠管接口一般有2種方式，一為法蘭螺栓連接，二為絲接。當空壓機潤滑油管使用的是高壓鋼絲膠管時，則采用空壓機油路分離器外置安裝方式(圖1(a))，油路分油器有3個閥門和4個接口，拆下三通溫度調節閥至油冷卻器調節閥一端的油管，將閥門1進口同三通溫度調節閥連接，閥門2的出口接到余熱回收機組的進油口，閥門3的進口接至余熱回收機組的出油口，閥門1出口接空壓機原油冷卻器的油管。回收空壓機余熱時，關閉閥門1，打開閥門2和閥門3，潤滑油經過余熱回收機組回收余熱后再流回空壓機原冷卻循環系統。如余熱回收系統停用，則打開閥門1，關閉閥門2和閥門3，斷開余熱回收系統，切換回空壓機原潤滑油冷卻系統。

當空壓機使用鋼制油管時，則進行空壓機機殼內部油路分油改造，即油路分油器內置安裝方式(圖1(b))，根據空壓機內部空間結構，在三通溫度調節閥至油冷卻器的油管上便于改造安裝和后期維護的位置，斷開油管，安裝閥門1，在閥門1兩端開口接入閥門2和閥門3。在空壓機內部改造時，要對新加入的油路分油器或閥門做好支撐和固定，避免機器運行時的震動對空壓機造成損傷，在潤滑油路上加裝的閥門設計采用1.6 MPa不銹鋼法蘭球閥，方便安裝和檢修，因為潤滑油滲透性強，采用法蘭螺栓連接，緊固壓力大，便于止漏。

3.3 熱水系統設計

每臺空壓機設計1臺空壓機余熱回收機組，取熱時將空壓機油冷卻系統改造后引出的油管接至余熱回收機組對應的油路接口上。供熱側設置一次側循環泵，通過管道連接空壓機余熱回收機組和洗浴熱水換熱器熱媒側，加注軟化水，構成閉式中間循環系統；設置二次側循環泵，通過管道連接洗浴熱水換熱器供熱側和蓄熱水箱，組成開放式(常壓)蓄熱系統；系統設計變頻給水泵，把蓄熱水箱中的熱水送到職工浴室或其他用水單位。空壓機余熱利用系統流程如圖2所示。

圖2 空壓機余熱利用系統流程

供熱側每臺空壓機余熱回收機組并聯安裝，進出水口安裝電動閥門，閥門的開啟與空壓機余熱回收機組工作同步，工作時打開，停止時關閉，避免水路的無效循環。系統中水泵設計均為“一用一備”，便于循環檢修和故障切換；洗浴熱水換熱器二次側僅是對自來水進行加熱，并不是軟化水，因此需要定期檢修清洗，為保證系統不間斷供熱，也為“一用一備”設計，并在備用期間進行檢修清洗。

由于洗浴熱水是自來水加熱后供生活熱水使用的，因此洗浴熱水的水質也要符合生活用水的水質標準。但我國大部分地區的水質硬度較高，特別是自來水以地下水作為水源時，水質的不穩定性易造成設備管道的腐蝕和結垢。為防止二次蓄熱循環系統的板式熱器和管道內結垢，在水質較差地區，要在給水管道上加裝食品級硅磷晶阻垢劑；在水質相對較好的地區，要加裝電磁類阻垢裝置以減緩設備管道結垢，延長保養清洗周期。為防止管道腐蝕，二次蓄熱循環系統管道設計采用鍍鋅管或PPR熱水管。在空壓機余熱回收機組和板式換熱器之間閉式循環系統的主管道上加裝超聲波熱量計，計量系統熱回收量；在自來水補水管上加裝水表，計量用水量，便于統計分析系統運行效果[7-10]。空壓機余熱回收洗浴熱水制取系統總配電功率為53.50 kW，最大運行功率和備用功率均為26.75 kW，空壓機余熱回收系統配電負荷見表1。

表1 空壓機余熱回收系統配電負荷

3.4 控制系統設計

空壓機余熱回收系統運行時，控制系統可實現以下功能：一是智能化控制，以實現遠程監控、數據采集、多終端操作等；二是空壓機安全穩定運行，在洗浴熱水系統的負荷有波動時，可保障空壓機潤滑油回油溫度恒定；三是洗浴熱水供水溫度恒定，不會出現蓄熱水箱因自來水的補充和熱損失造成的洗浴熱水供水溫度變化。

控制系統設置1套PLC集中控制站，設置工控機、網絡交換機等設備，對整個系統所有環節的相關參數進行監測，并對系統設備進行自動控制。實現無人值守，遠程手機App、小程序、公眾號、PC機均可監控；設備廠家能夠提供異地調試、遠程診斷服務；整個系統設備可自動順序啟停控制及閉鎖；備用泵的故障自動投切與自動輪換工作功能；實時檢測顯示每個測點參數及系統運行狀態，故障時發出聲光及智能語音報警；實時直觀動態顯示系統動態流程圖、設備工況、工藝及電量參數等，進行相應的數據處理、記錄和存儲。現場通過5G無線路由器接入云平臺，然后連通云公網IP接至云服務器，運維中心安裝軟件到對應的云服務器當中，在運維中心大屏端與VPN網絡連通，控制室終端也可接入VPN網絡，實現公司內部和項目現場的遠程控制。根據項目位置來選擇當地信號比較好的網絡供應商，配置5G無線路由器，辦理接入直接配置連通至VPN網絡。利用云服務器，采用BGP技術，上行路由與下行路由選擇最優的路徑，實現高速的單IP高速訪問，還可以冗余備份、消除環路，具有擴展性，在現場和外地任何一個地方鏈接，不需要另外申請專線，可避免斷電和線路導致的不穩定問題。

空壓機的安全運行是整個系統的重中之重[11-15]。基于洗浴熱水系統的特點，洗浴熱水負荷會隨著洗浴熱水用量的變化而波動，當出現用水量減少而造成蓄熱水箱熱水儲滿時，空壓機余熱無法回收會造成空壓機潤滑油回油溫度升高，此時系統會檢測潤滑油的回油溫度，啟動空壓機原風冷系統進行潤滑油再冷卻，以保障空壓機安全運行。每臺空壓機余熱回收機組水路換熱系統均配置電動閥門，電動開關閥的啟停信號取自空壓機本身，空壓機的啟動是根據高壓空氣的壓力自動啟停。當空壓機啟動時，信號傳輸至控制系統，余熱回收機組的電動閥門開啟，自來水進入余熱回收機組進行換熱；當空壓機關閉時，電動閥門也關閉并切斷水路，余熱回收機組不進行換熱工作。

洗浴熱水系統向用熱單位供水時，蓄熱水箱液位下降，自來水會跟據水箱液位控制補水電動閥自動補充進來，因為自來水溫度較低會對蓄熱水箱內熱水溫度產生影響，因此在水箱內根據液位和水的溫度設置了聯動雙控，設定低液位時補水、高液位時停止補水，水溫大于設定值時補水、低于設定值時停止補水，液位和溫度同時滿足補水條件時，才能打開補水電動閥補水。熱水給水采用變頻泵供水，并根據管道給水壓力自動調控給水流量。

3.5 空壓機余熱回收系統的特點

(1)保證空壓機安全穩定運行。采用間接換熱、高效蓄熱水箱和空冷系統-余熱回收系統自動切換裝置的設計，使余熱系統的運行與原有空壓機系統絕對隔離，余熱回收裝置即使遇到管道破裂、水泵故障等意外情況，也不會影響空壓機的安全和正常工作。

(2)改善空壓機油冷系統工作狀態。螺桿空壓機的機油溫度要求為65～95 ℃，最佳溫度是75～85 ℃。本系統根據空壓機工作所要求的條件設計，采用高溫循環水泵和水變頻電機，通過控制水泵的供水量，得以動態調節空壓機油冷系統的回油溫度，使其在不同季節、溫度和工況條件下均能維持在最佳工作溫度，以降低空壓機維修成本，提高使用壽命。

(3)智能控制水平優化潛力巨大。本系統實時采集運行數據，通過云平臺接入云服務器，實現自動控制和遠程監控，不但大大提高了現有空壓機-余熱回收系統無人值守的操作控制水平，也為未來的用戶端需求預測-空壓機工況控制-余熱回收裝置調控的聯動聯控水平優化，提供了巨大的潛力和可能性。

4 結語

筆者以李家壕煤礦空壓機余熱回收利用應用工程為例，全面介紹了空壓機的潤滑油冷卻系統改造、洗浴熱水制取、系統的防腐防垢及智能化控制等方面的設計要點，并提出利用空壓機余熱回收系統制取洗浴熱水，其主要特點是在冷卻空壓機的同時回收熱量，獲取免費的余熱制取洗浴熱水，以保障空壓機的安全穩定運行。

煤礦空壓機余熱利用技術既是節能降耗、發展循環經濟的重要手段，同時還符合智慧礦山建設的要求，可以進一步地促進煤炭企業可再生能源的循環再利用，為煤炭企業空壓機余熱利用技術的推廣和工程設計提供參考。