礦用空氣壓縮機余熱系統應用分析

李 偉

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司，山西 大同 037031）

1 永定莊煤業公司礦用空氣壓縮機應用情況

目前晉能控股煤業集團永定莊煤業公司地面安裝了3 臺JN250-8 型空氣壓縮機和1 臺LGS100/8.5G螺桿式空氣壓縮機，其中JN250-8 型空氣壓縮機電機功率為250 kW，流量為46.55 m3/min，風包容積4 m3，加載壓力0.7 MPa，卸載壓力0.78 MPa，安全閥開啟壓力0.8 MPa，冷卻方式水冷；另1 臺為LGS100/8.5G型螺桿式空氣壓縮機，電機功率2×280 kW，雙電機帶動運轉，排風量為100 m3/min，額定電壓6000 V。

電源來自6 kV 開閉所210 和213 電源柜。監測監控系統主要對壓風機各部溫度、排氣、壓為、電壓、電流、冷卻系統及安全回路進行監測監控。冷卻方式采用水冷[1]。

根據礦用空氣壓縮機工作性質，所有壓縮機必須24 h 正常工作，由于壓縮機在正常運轉時會產生大量熱量，特別在夏季壓縮機產生熱量后會造成機身發熱現象，導致壓縮機出現停機報警故障，對此對空氣壓縮機安裝了1 套余熱回收系統，通過余熱回收系統將空氣壓縮機產生的熱量進行回收，將回收的熱量一部分對職工澡堂進行供熱，另一部分對井下進行供熱，同時降低了空氣壓縮機機身溫度，保證了壓縮機安全穩定運行。

2 空氣壓縮機控制系統

空氣壓縮機主要采用以PLC 為核心的自動控制系統，自動控制系統主要由控制系統和視頻監控系統兩大部分組成。空氣壓縮機采用的自動控制系統能夠實現對空氣壓縮機各項參數實時監測、在線控制以及各設備之間互通等，從而提高空氣壓縮機自動化控制水平，空氣壓縮機自動化控制系統工作原理如圖1 所示。

圖1 礦用空氣壓縮機自動控制系統控制原理

2.1 視頻監控系統部分

視頻監控系統主要包括攝像儀、傳感器、交換機、硬盤錄像機等部分組成，實時監測上位機運行參數等；通過監控系統可將空壓機運行狀態、工作壓力。機身溫度等數據實時上傳至交換機上，并通過顯示屏將信息集中顯示在控制平臺上，同時將數據信息存儲在硬盤錄像儀上。

2.2 控制系統部分

1）空氣壓縮機控制系統主要由PLC 控制柜、上位機、變頻器、低壓啟動柜以及傳感器組等部分組成，PLC 是空氣壓縮機核心部件，主要用于對空氣壓縮機各類參數進行收集、轉換以及發送等，收集信息主要包括空氣壓縮機運行狀態、設置參數、故障參數、水泵、風扇運行參數等[2]。

2）PLC 控制柜可將上位機下發的指令進行解析，然后對相關設備進行控制，如控制平臺啟動系統冷卻泵以及風扇時，PLC 控制柜接收指令后及時對設備開關進行聯鎖送電控制，從動冷卻水泵及風扇。

3）PLC 控制柜與上位機之間主要采用TCP 和IP兩種通信協議將收集的數據信息實時上傳至控制平臺內；PLC 控制柜與低壓啟動柜和變頻器之間主要采用CAN 總線通信進行數據交換。

4）傳感器組主要包括空氣壓縮機流量傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等，各類傳感器安裝在機身指定位置；PLC 控制柜周期性采集傳感器收集的數據，并通過A/D、濾波等進行轉換實現邏輯控制[3]。

5）PLC 控制柜對空氣壓縮機采用變頻控制模式，空氣壓縮機啟動后PLC 控制柜對壓力傳感器收集數據進行采集，與空氣壓縮機設定壓力值進行對比，并采用模糊PID 控制算法確保反饋值與設定值逼近，從而保證空氣壓縮機處于最佳工作狀態。

3 空氣壓縮機余熱回收系統

3.1 余熱回收系統結構組成

3.1.1 換熱器選型

1）換熱器是余熱回收系統中重要組成部分，采用型號為KSD－27440 的板式換熱器裝置，該裝置規格為長×寬=205 mm×184 mm，換熱器傳熱系數在2200～5400 W/（m2·℃）范圍內。換熱器工作時額定工作壓力為0.7 MPa，處理流量為8.5～14 m3/h。

2）KSD－27440 的板式換熱器體積及質量小，安裝空間小，結構相對緊密，所以在進行熱交換時熱量損失小；同時該裝置采用雙層密封結構且設置信號孔，一旦出現介質泄漏時可通過信號孔及時將熱量排除，起到安全報警作用。

3.1.2 空氣壓縮機螺桿

為了確保空氣壓縮機具有緊湊結構確保安裝余熱回收系統，對空氣壓縮機安裝了螺旋桿，有傳統空氣壓縮機未設置進排氣閥門，所以空壓機在進氣過程中只能通過調節閥開啟、關閉實現，若需安裝余熱回收系統時需對原空壓機進氣口進行優化改進；而通過安裝螺旋桿后螺旋桿上的2 個轉子在轉動過程中主副轉子之間產生空隙，在此過程中齒槽內氣體可自由流動，實現排氣動作；待所有氣體排出后新的空氣灌入齒槽中，螺桿在運動時形成封閉空間，從而輔助空壓機吸氣動作[4]。

3.2 余熱回收系統工作原理

1）補水原理：當空氣壓縮機余熱系統在工作過程中，內部控制器及時檢測保溫箱內的水位情況，若水位未達到設定位置時通過PLC 控制作用使電磁閥自動打開，直至保溫箱內水位達到指定位置，補水完成后再次通過PLC 控制作用使電磁閥斷開，補水工序完成。

2）循環加熱原理：當空氣壓縮機保溫箱內水位到達最低水位時，箱內控制器對保溫箱內水溫進行監測，控制器設定臨界動作溫度為45～60 ℃，當水溫低于45 ℃時空氣壓縮機內循環泵開始工作，對水箱水進行加熱；當水溫達到60 ℃時，內循環泵停止工作，停止加熱，同時通過控制作用打開電磁閥對水箱補水，直至到設定水位，如圖2 所示。

圖2 空氣壓縮機余熱回收系統工作原理

3.3 余熱回收系統控制特點

1）聯動控制作用：空氣壓縮機余熱回收系統無需獨立控制，當空氣壓縮機啟動后余熱回收系統及時運行，實現了聯動控制作用，降低了勞動作業強度，達到了全天候啟動及無人值守的目的。

2）實時監測：系統在運行過程中能夠實時對余熱回收系統各項物理參數進行監測，同時可對余熱回收系統進出口水溫、水箱內水位、補水電磁閥工況等進行實時監測，實現了自動化巡檢，無需人工干預，自動化水平高[5]。

3）系統保護功能：空氣壓縮機余熱系統具有完善的自我保護功能，當系統出現故障后及時發出警報，控制臺上故障報警燈亮起，當余熱回收系統出現故障后回收系統停止工作，但是空氣壓縮機會繼續正常運轉。

3.4 余熱回收系統功能特點

1）余熱回收系統中余熱回收機體積小、質量小且工作效率高、導熱性強等優點，同時系統中換熱器采用高錳鋼材質，強度高，具有很強的耐壓性能及抗腐蝕性。

2）余熱回收系統采用冷水直熱方式，且通過自動控制系統控制，能夠實時對系統運行過程中各項參數進行調節以及故障診斷等。

3）余熱回收系統安裝后無需安裝空氣壓縮機冷卻扇，杜絕了傳統冷卻扇冷卻時效率低、降溫差、故障率高等現象，實現了空氣壓縮機余熱回收利用的目的。

4）空氣壓縮機余熱回收系統在使用過程中只消耗部分電能，無需安裝其他輔助設備，投入成本費用低，而且余熱回收系統安裝后提高了空氣壓縮機使用效率。

5）余熱回收系統與壓縮機采用獨立的控制系統，該系統投入使用不會改變空氣壓縮機各項參數，如控制方式、工作特性以及操作模式等，而且當余熱回收系統停止運行后空氣壓縮機可繼續工作。

4 結論

1）余熱回收系統在回收熱能過程中可對空氣壓縮機進行降溫處理，有效解決了傳統冷卻風扇降溫時降溫效果差、能耗高以及冷卻系統故障率高等技術難題，可提高空氣壓縮機工作效率。

2）空氣壓縮機余熱回收系統回收后的熱量對職工澡堂、井下供暖，無需燃煤供暖，從而減少了燃煤過程中產生的有害氣體排放，同時降低了燃煤成本費用。

3）通過現場觀察發現，每臺空氣壓縮機余熱回收系統產生的熱水量達4.58 m3/h，每年可減少燃煤量達0.21 萬t，余熱回收系統工作時無需人工干預，從而減少了人工作業強度，全年可節約燃煤費用、人工費用達60 余萬元。