英格索兰空压机热回收解决方案

上海英格索兰压缩机有限公司 刘洋 唐勇 王文真

英格索兰空压机热回收解决方案

上海英格索兰压缩机有限公司 刘洋 唐勇 王文真

空压机在运行中产生大量压缩热，这些压缩热最终被冷却塔排放到环境中，造成了极大浪费。本文主要探讨对这些压缩热的回收方式，以提高能源利用率。

空压机；热回收；螺杆机；离心机

工业生产过程中存在各种热能转换设备、用能设备和化学反应设备，这些设备产生大量未被利用的余热。在我国工业企业中，余热资源占整个输入能源的7.3%，而余热资源回收利用率仅34.9%[1]。

压缩空气是工业生产中应用最广泛的动力源之一。由于其具有安全、无公害、调节性能好、输送方便等诸多优点，使其在现代工业领域中应用越来越广泛。但要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源，在大多数生产型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%—35%[2]。

根据行业调查分析，空压机系统5年的运行费用组成为：系统的初期设备投资及设备维护费用占到总费用的23%，而电能消耗（电费）占到77%，几乎所有的系统浪费最终都是体现在电费上[3]。

空压机系统在长期连续的运行过程中，输入功率的85%以上转化为热量，这些热量随未处理的空压机油/气蒸汽排出，这些被排放到外界的热量，其中有85%是可以被利用的，折合空压机轴功率的80%以上。在保证空压机稳定运行的前提下，充分利用空压机余热资源，全面提高能源利用率，具有重要的现实意义。

根据空压机种类的不同，英格索兰将空压机热回收系统分为两大类：螺杆式空压机的热回收和离心式空压机的热回收。

余热回收后，热量是以热水的形式存在的，热水可根据用户用热需求温度的不同用于锅炉补水、采暖、生活用水、RO纯水预热等，具体应用应遵循能量梯级利用的原理。图1给出了空压机热回收的一些应用。

图1空压机热回收的应用

1 螺杆式空压机的热回收

根据压缩空气过程中压缩腔中有无润滑油，螺杆式空压机又分为喷油螺杆式空压机和无油螺杆式空压机，因此，英格索兰对螺杆式空压机的热回收也分为了喷油螺杆式空压机热回收和无油螺杆式空压机热回收。

1.1 喷油螺杆式空压机热回收

（1）热回收原理

现有技术中，喷油螺杆式空压机的工作流程如下：空气通过吸气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离器，从而分别得到高温高压的油、气。由于机器工作温度的要求，这些高温高压的油、气必须送入各自的冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，最后送入压缩空气管网；而高温高压的润滑油经油冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环。

在上述过程中，高温高压的油、气所携带的热量大约相当于空压机轴功率的85%，油温通常在80℃—100℃之间。这些热量如果不及时排掉，可引起电机高温及排气高温，不但影响空压机的使用寿命，更影响压缩空气的质量。但直接通过冷却系统将热量排放，不但浪费了能源，更会造成热污染。因此，喷油螺杆机的热回收系统的主要功能是替换原有冷却系统，生产高温热水，同时带走空压机运行中润滑油的热量。

对于喷油螺杆式空压机而言，热回收的主要来源在于压缩机润滑油，喷油螺杆式空压机最常用的热能回收方法就是在油气分离器内装置一个热回收装置，利用油和空气中蕴含的热量将冷水加热，即把压缩空气中的热能转移到水中来完成热回收。

若用户用热量不足，热回收装置出口油温高于设计温度，润滑油还会经过原有油冷却器进一步冷却，保证空压机的正常运行。英格索兰喷油螺杆式空压机热回收装置示意图如图2。

（2）产品特点

英格索兰喷油螺杆式空压机热回收系统是安装在空压机外部的系统，通过油管以及连接件与空压机进行相连，可以对螺杆式空压机所产生的高温高压的润滑油进行冷却，不仅可以提高空压机的产气效率，而且可使企业获得生产和生活所需的热水，出水最高温度70℃以上（冬季出水温度可达50℃以上）。英格索兰喷油螺杆式空压机热回收系统覆盖了任何品牌的从55KW-350KW的喷油螺杆机，从而解决了企业生活热水的问题。

图2英格索兰喷油螺杆机热回收系统示意图

该热回收装置可以同时满足：

1)压缩机的正常的工作油温；

2)不破坏压缩机的正常工作；

3)整洁的外表，安全可靠的系统，保证系统的稳定运行；

4)余热利用，节能环保，减少温室气体排放，良好的经济和社会效益。

目前，市场上对于喷油螺杆式空压机的热回收，品牌众多，各个厂商发布了其喷油螺杆空压机热回收产品，可以说是“红海市场”，英格索兰认为，对于喷油螺杆式空压机热回收这个“红海市场”仍需要“蓝海创新”。对此，英格索兰发布了第三代喷油螺杆式空压机热回收系统—S系列喷油螺杆式空压机高效热能回收系统，S系列在秉承了英格索兰前两代喷油螺杆式空压机热回收系统高效、稳定、安全等优点的同时，根据市场需求，引入了PLC控制系统、更高效的换热元件等技术，并将喷油螺杆式空压机热回收控制接入到了空压机整机的控制系统中，可根据空压机的运行状态对热回收装置进行控制，将喷油螺杆式空压机热回收带入了数字化时代。

（3）项目案例

上海某传动设备公司共有7台160kW喷油螺杆式空压机，在运用了英格索兰喷油螺杆式空压机热回收系统后，每天可生产70℃的热水300t，相当于每年节约标准煤1000t，空压机热回收生产的热水可用于办公采暖、锅炉补水预加热、职工浴室热水等，获得了良好的节能效果。

1.2 无油螺杆式空压机热回收

（1）热回收原理

无油螺杆式空压机的工作原理与喷油螺杆式空压机是完全相同的，二者的最大不同点在于驱动方式：无油螺杆式空压机是通过电机或燃气轮机带动增速齿轮，再由增速齿轮来驱动两个螺杆，实现气体压缩的。而喷油螺杆式空压机是由电机或燃气轮机通过联轴器直接带动阳螺杆，然后由阳螺杆带动阴螺杆实现气体压缩的。这样两者润滑部位就不同。前者是在增速齿轮箱和轴承上，后者是在压缩机壳内和轴承上[4]。

驱动方式的不同决定了喷油螺杆式空压机在压缩过程中向机壳内喷入了少量的润滑油，油进入壳体内转化成油雾，然后与壳体内的压缩空气混合后在转子的齿槽间被有效地压缩。与喷油螺杆式空压机不同，无油螺杆与箱体之间，螺杆之间不接触，不需要内部的润滑，所以可以得到不含油分的清洁压缩空气。

无油螺杆式空压机压缩腔中由于没有润滑油的冷却，因此其压缩过程更加接近绝热压缩，换言之，其可回收压缩热更多，排气温度更高，热回收的效果会更好。

对于无油螺杆式空压机，热回收的来源是压缩过后的高温压缩空气，压缩空气经热回收装置冷却后，送至用气端；循环水经热回收装置和压缩空气进行热交换，升温后的循环水送至用热端完成循环。英格索兰无油螺杆式空压机热回收原理图如图3所示。

英格索兰无油螺杆式空压机热回收产品可以对90kW-300kW的任意品牌无油螺杆式空压机进行热回收，出水温度可达60℃以上，回收效率高达80%以上。

（2）项目案例

上海某精密复合铜管有限公司现有2台英格索兰ML250无油螺杆式空压机，供制取氮气用，一开一备。该公司生产工艺中需用到45-60℃的热水，原用电加热（90kW）方式解决需求。

经过热量计算，对1台无油螺杆式空压机进行热回收，其热量足以满足该道工序对热量的需求。经过改造后，电加热完全停用，年节约电费49.8万元，投资回报期18个月。

此外，该企业得到政府节能奖励20万元人民币。

2 离心式空压机热回收系统

2.1 热回收原理

图3英格索兰无油螺杆式空压机热回收原理图

图4离心式空压机热回收流程图

离心式空压机一般应用在大气量、用气需求稳定的场合，其工作原理是气体进入离心式空压机的叶轮后，在叶轮叶片的作用下，一边跟着叶轮作高速旋转，一边在旋转离心力的作用下向叶轮出口流动，并受到叶轮的扩压作用，其压力能和动能均得到提高，气体进入扩压器后，动能又进一步转化为压力能，气体再通过弯道、回流器流入下一级叶轮进一步压缩，从而使气体压力达到工艺所需的要求[5]。

对离心式空压机的热回收，是全级热回收，即对每级压缩热都进行热回收。离心式空压机热回收的同时兼顾离心式空压机的可靠性、运行性能、热回收效率这三大要求，英格索兰为离心式空压机设计了专用热回收系统，压缩机冷却系统，热量输送系统（成橇设计）。因此，离心式空压机的热回收主要内容包含压缩机改造，热量交换系统和热量输送系统。

图4是一台两级压缩的离心式空压机热回收系统流程图。对于两级压缩的离心式空压机，其第一级和第二级都设置了高效换热器，高效换热器是专为离心式空压机所设计的热回收装置，是离心机热回收的核心部件，其工作原理是将每级压缩后的空气和循环水进行热交换，回收压缩热的同时有效降低排气温度。

在确保离心式空压机全天连续稳定运行的前提下，英格索兰可以对90%的压缩机输入功率进行有效回收，生产出90℃的高品位热源水，以满足后端对不同温度热源的需求；同时确保压降损失控制在0.06-0.08bar左右；覆盖了从400kW—3500kW的任意品牌离心式空压机。通过该装置来对原有的内置冷却系统进行改造，采用高效热回收换热系统，实现如下热回收目标：

水侧：入水25-30℃，出水最高可达95℃

气侧：高温110-130℃，冷却后35-45℃

为确保系统稳定运行，热交换系统应使用软化水，以减轻结垢。

对于客户的用热端，要根据现场实际的负荷配比和应用的温度要求进行针对性设计。根据结构一般分为直通式换热或循环加热两种方式；根据控制方式一般可分为定温控制、定温差控制以及定流量控制等几种方式。

2.2 离心式空压机热回收控制系统

离心式空压机热回收控制系统主要可以实现下列功能：

（1）进/出水温度、压力就地仪表监测；

（2）95℃热水流量、温度显示，记录；

（3）PLC远程监控和异常报警；

（4）进/出水温度、压力PLC远程监测和异常报警；

（5）单位时间节能量统计和单位时间节省成本统计。

2.3 项目案例

国药集团山西某制药公司有5台英格索兰5CII离心式空压机，单机功率3500kW，四开一备。

现对这5台5CII空压机进行热回收，现场实测循环热功率达11.5Gcal/h，折合热功率13372kW，回收效率高达95%，出水温度90.1℃（进水23℃），水流量220m3/h，折合蒸汽16.6万t/a，可回收价值约1796万元/a。

3 结束语

随着生产的发展，压缩空气的用气量日益增大，压缩空气余热的利用也越来越被重视。英格索兰认为，在回收利用空压机压缩热时，必须保证空压机的正常运行，这是对空压机进行热回收的前提条件。

空压机热回收带来的节能潜力巨大，空压机的热能回收是提高压缩空气系统能源利用水平，提高客户生产力的必要手段。

[1]孟嘉.工业烟气余热回收利用方案优化研究[D].武汉:华中科技大学能源与动力学院，2008.

[2]潘志旸.压缩空气系统节能[J].压缩机. 2007，3.

[3]郭坤闪，刘新重.煤矿空压机余热利用节能技术的研究与应用[J].科技视野.2003，1.

[4]邢子文.螺杆压缩机[M].北京：机械工业出版社.2000.

[5]徐忠.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社.1990.

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（李忠东编译自www.dailymail.co.uk）

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