摘要：空压机系统存在的大量电能转化为热量，从而造成能源浪费现象，通过对空压机余热回收系统将原有空压机压缩系统进行改造，不仅可以充分利用废热，而且降低了其他燃料的消耗，保护了环境，实现了节能的目标，带来了良好的经济效益和社会环境效益，在目前乃至未来都有着良好的市场前景。
关键词：空气压缩机；余热再利用；研究；应用
1 空压机余热回收必要性分析
现代工业领域，由于压缩空气具有安全、无公害、调节性能好以及输送方便等特点，故压缩空气成为安全生产使用最广泛的动力源之一，但要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源。在工程机械企业中，压缩空气的能源消耗最高可能占全部电力消耗的45%。据统计，在压缩机运行的过程中，输入电能的85%变成热量消耗，真正用于增加空气势能所消耗的电能，只占15%，其余变成热量，在压缩后的油气混合物经过油冷却器和气冷却器后，大部分热量被被冷却水和空气带走，热量白白浪费。在实际使用中，螺杆空压机温度每上升1℃，产气量下降0.5%，即温度每升高10℃，产气量下降5%。一般风冷散热的空压机运行温度都在80～100℃，这样的话产气量降幅为4%～8%，因此增加空压机余热回收系统，可以使空压机油温降低，提高产气量，进而提高空压机的运行效率。
2 空压机余热回收原理及实施方案
2.1余热回收原理
热回收系统包含两个组成部分。一是空压机内部油路改造，二是外部加装余热回收机组。空气通过进气过滤器将大气中的杂质和灰尘滤除后，由进气控制阀被吸入螺杆空压机，在压缩过程中与循环油混合形成高压高温油气混合气体，进入油气分离器。油气混合气体经压缩腔排入油气分离罐，之后被分离得到高压油气和空气，再送入各自的冷却系统，其中高温高压的润滑油经冷却器冷却后，凝结成液态，再经前冷却器散热及过滤器过滤，回到压缩机，完成一个循环过程。高温高压的油气所携带的热量大致相当于空气压缩机功率的3/4，其中温度通常在80～100℃。
2.2油温控制
空压机开机运行后，内部润滑油温度会逐渐上升，当上升到热水机设定值时，热水机自动开启水泵，使循环水箱和热水机内的水进行循环换热。当热水消耗量小于产生量时，热水机停止工作，空压机油温升高。当升至空压机自身设定温度，一般为85℃（此温度为空压机出厂设定温度，节能改造不需在空压机上加装任何温控装置），空压机本身的冷却系统自动启动，防止油温过高，可保证空压机的正常工作。空压机停止工作后，内部润滑油温度下降，低于热水机温度设定值时，自动停止水泵工作，循环换热停止。
3工程概况
某煤矿现有7台M200-2S固定回转式螺杆空压机，4台供井下使用（3用1备），其中1台24h正常开启，另外两台每天开20h。3台供洗煤厂使用，每天平均正常开启18h。某公司拟投资建设煤矿空压机余热回收再利用系统，设计在空压机房西侧施工1个90t储热水箱，通过DN110mm的PPR高密度聚氨酯整体发泡保温管与矿井现有的130m3水池连接起来。系统设计两台补水泵（1用1备）为热交换机组提供软化后的自来水，热交换机组串联在空压机的油气桶至温控阀之间的油管路中，高温油经过换热机组时与水进行热能交换，油与水往返运行，使水温逐步上升。当水池水位达到设置溢水水位时，供热水水泵停止工作，当余热回收系统储热水箱（90t）也达到设定溢水水位时，余热回收系统停止工作，此时压风机高温油经过温控阀回到压风机散热器。
4系统运行情况分析
4.1空压机运行情况
目前，矿井井下生产使用的空压机每天消耗电量为200kW×24h×2台+200kW×10h×1台=11600kW·h，洗煤厂使用的空压机每天消耗电量为200kW×18h×3台=10800kW·h。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆矿井每天理论耗电量为11600+10800=22400kW·h，矿井小时用电功率933.3kW。
4.2热量回收预测
润滑油流量2.96L/S，入口温度84℃，出口温度55℃，润滑油密度0.875kg/L，润滑油比热2030j/kg℃=480kcal/T℃，1kW电的热值=860kcal=3600kJ。润滑油重量：2.96×3600×0.875/1000=9.324t/h，润滑油温升：84℃-55℃=29℃，根据公式：Q=cm△t，润滑油侧热量：9.324×29×2030/3600=152.4kW，P=152.4/200≈76.2%，即空压机用于发热的功率约占输入功率的76%。余热回收实指润滑油侧的热量，通过油/水能量交换。每天回收的热量：22400kW·h×76%回收率×860kW·h的热值×90%平均负载率=13176576kcal/d。
4.3生产热水量预测
根据季节变化及进水水温的不同，计算不同季节产水量。春季进水温度为8℃，出水温度为50℃，空压机24h可生产50℃热水量为13176576/42000=313t/d。夏季进水温度为20℃，出水温度为50℃，空压机24h可生产50℃热水量为13176576/30000=439t/d。秋季进水温度为12℃，出水温度为50℃，空压机24h可生产50℃热水量为13176576/38000=346t/d。冬季进水温度为5℃，出水温度为50℃，空压机24h可生产50℃热水量为13176576/45000=292t/d，全年预计回收热量Q=13176576×365=4809450000kcal，空压机一年可产50℃热水为：（313+439+346+292）×91=125580t/a。
5预期收益
5.1运行成本分析
（1）系统产生热水预计节省的费用：矿井年需要洗浴热水量25.55万t,总费用201.2万元。余热利用系统运行后理论年产50℃洗浴热水量12.558万t，年预计节省费用125580t×7.87元/t=98.83万元。
（2）系统运行成本分析：
预计地源热泵运行费用：（25.55-12.558）×7.87=102.24万元。取消空压机散热风扇节省费用：风扇功率11kW，全年24h开启，电费0.6元/度，用电费用为：11kW×5台×50%×24h/d×365d/a×0.6元/kW·h=14.5万元。
两台5.5kW的供水泵费用：平均运行时间8h/d，全年运行费用为5.5kW×8h/d×0.6元/度×365d/a=0.9490万元/a。电子除垢仪功率50W，每年运行费用：263元，硅磷晶消耗费用：每1000t至1300t水消耗硅磷晶1kg。年需要约120kg硅磷晶。约2400元/a，加之设备维修费用，水泵年运行费用约1.2万元左右。
5.2预期收益
洗浴成本预计费用为90.13万元，矿井预期收益为201.2-90.13=111.0万元/a，余热再利用系统预计产生热水量12.5580万t/a，矿井洗浴用水单位成本由余热再利用系统运行前的7.87元/t下降到（201.2-111）×10000/255500=3.53元/t，减少了4.34元/t。
结束语
空压机在工作过程中将常压空气进行高压压缩，在此过程中将有大量的热量散发，此热量主要来源于空气压缩做功发热以及螺杆在缸内高速旋转运动产生的热量。据有关能源单位统计，空压机真正用于压缩空气的电能只占总耗电量的20%左右，其余80%都转换为以上热量随机体、风扇散发到周围空气中。如果可以将这部分损失的热量通过技术手段结合企业实际情况加以利用，这便可以变废为宝，达到节能减排要求。
参考文献：
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[2]马利珍.空压机余热回收与设备节能减排技术[J].民营科技,2017(08):5.
[3]莫臻峰.空压机余热利用方案设计与经济性分析[J].应用能源技术,2017(04):1-4.
论文作者:姚卫凤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/27
标签：空压机论文; 余热论文; 热量论文; 温度论文; 万元论文; 系统论文; 热水论文; 《防护工程》2018年第22期论文;