大型离心式空压机及余热回收系统在矿井生产的应用

娄 方，魏浩然，张纪飞，陈 虎，赵 磊

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500）

大型离心式空压机及余热回收系统在矿井生产的应用

娄 方，魏浩然，张纪飞，陈 虎，赵 磊

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500）

矿井空压机是固定大型机械设备和重要机房，为主井、副井、运输及采掘等矿井生产提供风源动力。本文重点介绍了东滩煤矿空压机系统应用英格索兰离心空压机及余热回收系统运行后所起到的重要作用和取得的经济效益，为矿井的安全生产和企业的节能降耗创造了良好条件。

离心机；合同能源；高效换热器；节能降耗

0 概述

东滩煤矿是年产750万吨特大型矿井，1989年12月投产，原设产400万吨，2000经过增容改造达到目前产量，是目前兖矿本部支柱型矿井。为矿井配套设计建造的空压机是大型固定机械设备，为主井、副井、运输及采掘等矿井生产一线提供风源动力，是主要机电设备机房，在矿井生产中具有重要地位。

1 现状分析

目前系统在用二台寿力40m3/min螺杆机组（小机组）已运行13年，六台复盛60m3/min螺杆机组（大机组）运行均在8年以上，设备机头等部件磨损老化性能效率下降。由于矿井采掘工作面延伸较远，目前有东西南北翼四个采区，最远干线20公里。另外风动设备用量增加，例如风钻、风泵、气动吊梁、风动道岔、自动风门等风动机具数量增加，矿井需求供风量每分钟320—380m3/min。因此日常开机“四大二小”或“五大二小”；特别是夏季空气湿度增加导致收缩比较大，需多开一台60m3/min螺杆机设备，一旦机组出现故障就无法满足生产需要，供风持续紧张局面，这样系统升级改造势在必行。经过多方调研并结合企业目前状况，了解到英格索兰离心式空压机技术成熟、流量大、性能稳定，决定采用合同能源管理的办法实施该项目，根据运行效益和能源回收比例分期付款双方利益共享。首先满足矿井生产需要，缓解供风紧张局面；其次达到环保节能标准要求回收利用离心机产生的热量，同时依据设备性能节约工业电能。

改造前东滩煤矿空压机房设备在用情况详情

改造方案中目标离心机数据详情：

由以上表格对比可知东滩煤矿压风机站房空气压缩系统有巨大的节能空间，具备使用离心式空压机升级替换的节能空间。通过使用一台离心式空气压缩机替换若干台原有螺杆式空压机运行，达到高气电比运行效率，从而达到节能效果。

2 项目实施

该工程含离心式压缩机的设备到货验收，安装就位，基础固定，进气管线、排气管线的铺设，内、外循环冷却水与高效换热器管线的铺设，相配套的软起动柜、热回收装置、流量计、超管和热回收系统所需附件等工作。机组投入使用后，每分钟为矿井压风系统可提供218m³/min。（0.65MPa）的压缩气体。

2.1 设备安装

（1）拆除一台螺杆式空压机，在原基础上安装一台离心式空压机，拆卸下来的螺杆机拆散作为其他螺杆机组的备品备件。

（2）压缩机的基础采用连续无缝的混凝土或钢结构件作基础，不平坦的表面或者热膨胀会导致机器偏，经过校核该基础可以满足承重离心机组重量和振动系数要求。

（3）设计进气管道与排放管道要考虑保证整个管线平稳畅通的流动性、最小的压降和均匀的流速，安装与启动之前必须检查管道是否清洁，任何压缩机管道中进入异物，都会影响或降低性能，进气管道应短而直，管道压差小于0.3psi，管道均应水平安装，以便管道中的冷凝液从压缩机流出。根据现场实际情况，东滩矿采用优质不锈钢进气管道，并在进气阀前端安装不锈钢软连接装置，进一步缓解主叶轮受到的振动，从而保护设备的安全稳定运行。

（4）进气过滤器如位于压缩机所在厂房之外，则进气罩至少应在地面或房顶上方2.4-3m，且距墙边1.8m。此要求根据压风机房现场条件，东滩矿将其放置在压风机房北侧的风包棚下，并在吸气口侧安装不锈钢过滤网，延长空气滤芯的使用寿命。

（5）进气管道安设时，从压缩机法兰到长半径弯管间的水平直管距离至少要有4个管径长，旁通消音器/管道为8个管径长。目前我单位安装的进气管道严格按照设计规范要求施工，务必确保机组的安全稳定运行。

（6）排气管道的空气管尺寸要与压缩机出口接口尺寸相同，在所有的压缩机上都必须装有短管，以便于压缩机部件的拆卸时配管不处在维修通道上，维修时出口管要装截止阀将压缩机隔离，在此管路安装时，安装人员或所有者应负责该设备机组的配管及工程质量。

（7）水系统管道的设计必须考虑2.4bar的最小水压与10bar的最大水压，无论使用何种冷却系统，水供应管线中均应安装滤网。根据现场实际情况，水压可满足需要，鉴于东滩矿压缩机冷却水系统多年来均采用软化水，故安装管线时没有另行加入滤网。

（8）电气驱动的压缩机不配备电气断开设备，主线路断开开关必须由用户安装在输入管线上。客户负责设计和安装断开、过压、短路与过载保护装置。该项目由矿方负责实施完成配电柜的安装工作，确保压缩机的安全运行。

2.2 设备调试

（1）仪表空气的配备是英格索兰离心机启动的前提，需配备5.6-6.8bar的稳定、干燥、清洁的空气动力源，该管路须在机组开机前配备完毕。

（2）辅助油泵在完成电源接线、仪表空气配备后即可启动，为方便于在低温下启动和关闭，离心机启动前必须确保辅助油泵的正常运转，始终保持润滑油加热器电源处于开的状态。

（3）连接控制回路接线，确保高低压电源的畅通。

（4）联接装置在连接之前必须检查驱动器旋转，使用压缩机轮毂外围上的刻度盘指示器，使变速箱联轴节轮毂与压缩机连轴节轮毂水平对齐。

（5）油温不低于35℃时，检查进气阀与旁通阀是否打开，打开排气管线的隔断阀，排放冷凝液，按压控制面板的启动按钮。

（6）观察设备的油压、振动及压缩机壳的供给油压，油温应介于40-46℃，供水温度不高于35℃。

（7）在低油压、油温高低、排气高温、高振动等情况下，机组保护会自动关机。

（8）按下压缩机停止按钮，30分钟后关闭辅助油泵。

2.3 运转记录

该运转记录仅代表C100075MX3EHD型在山东兖矿集团东滩煤矿所进行的试车报告，室内工作，相对湿度≤95%，25℃，地震烈度：7度，水平加速度0.2g，垂直加速度0.1g。记录报表仅作为该机型试车参考作为检修依据，不具备代表英格索兰所有机型的数据对比效力，为同等工况条件下的该机型试车提供理论参考。

（1）仪表设定

报警跳车报警跳车1级温度49 52 2级温度49 52 3级温度140 150 4级温度——5级温度——润滑油高温度49 52润滑油压力1.24 1.10润滑油低温度35 32 1级振动1.06 1.26 2级振动0.90 0.98 3级振动0.90 0.98 4级振动——电机定子温度A——5级振动——电机定子温度B——电机定子温度C——电机轴承温度前——电机轴承温度后 ——电机轴承油压前——电机轴承油压后 ——进气阀卸载开度31喘振敏感度9.2启动时间/惯性运转时间45 240电流互感器比率60冷却水压差/温度1.2 27.2进气/润滑油过滤器压差其 他——

（2）开机记录

注：表格中未填写项无需检测.工程单位：1bar（巴）=0.1MPa（兆帕）1Psi = 0.00689Mpa 1Mpa = 145Psi，其中pounds per square inch，gauge 磅/平方英寸（表压）1 mils = 0.00254 cm

3 运行中存在问题及完善措施

在东滩矿调试运行期间，离心式空压机设备存在一些关键性问题，影响设备启动和正常运行，结合现场情况采取有效措施，逐步进行改进，直到完善该系统，从而满足生产需要。

（1）进气过滤器自动清洁装置未正常使用，无法读取进气过滤器差，一旦进气精度大于2μm，直接影响机组性能，严重时机组跳机。东滩矿及时恢复了该装置运行，并在滤清器下方吸气口安设滤网等装置，实现粗过滤，延长空气滤芯使用寿命。

（2）煤矿安全规程及技术协议均要求该机组能实现断油、断水保护，目前该机组无法实现断水保护，而断油保护是通过断油后排气高温保护跳机间接实现的。

（3）在高效换热器及板式交换器的进、出风（水）管路上各加装温度表，以便监测离心机排出的高温气体是否得到冷却及冷却水系统是否正常工作。

（4）机组的冷凝托盘旁通阀位于机组的底部，检修时需将其打开，启动时将其关闭。但目前该机组安装空间狭窄，不利于维护人员操作该阀，需重新铺设两路软管，将其引自机组外侧，减少维护人员触碰高温管路的可能。

（5）仪表气体（机组动力气源）是该离心机安全运行的所有前提与必要条件。目前采用的风源为风包内压风，无法提供稳定的气源作为密封气时，会导致辅助油泵停运，严重影响机组安全。建议从主干管重新铺设管路取风压或安设稳定氮气源。

（6）机组运行时，高压意外跳机是允许的，低压掉电是严禁出现的，因此建议增加380V不间断UPS电源，以便在高压意外停机时，低压油泵持续运行不低于二十分钟，保护轴封等关键部位的润滑及散热。

（7）排风管道目前是DN150普通管路上安装两个DN100管路，输送压风至DN150超管，建议全部改成DN150超管。

（8）排风管路上的流量表应外接一个二次流量显示仪，放置在便于抄表位置。

4 效益对比

4.1 能耗对比及效益分析

项目运行模式气电比预计年节能量预计年节约备品备件费用kWh/m3 RMB/year RMB/year改造前状态4台60 m3/min，2台40m3/min螺杆机0.1328改造后状态1台218m3/min英格索兰离心式压缩机0.0955 309万40万备注：1.螺杆机气电比计算采用东滩煤矿实测数据。2.离心机气电比计算采用英格索兰现有客户实测数据，并增加冷却水泵功率（40kW）修正。3.离心机气量参数采用在保证排气压力在6.5bar（g）时，机组排气量为218m³/ min（春冬季：进气温度10℃，夏秋季：进气温度32℃）。4.备品备件费用以现东滩煤矿每年120万备件费用，降低到50万每年。5.年预计节能量计算公式：（0.1328-0.0955）kWh/ m3*8600h*217 m³/ min*60min/h*0.74RMB/kWh以上计算值采用全年平均值。

4.2 热回收系统

离心机余热系统包括机组内部改造、离心机专用热回收组块及管路并网安装三个组成部分，循环水在离心机的高效换热器内进行第一次热交换，使压缩空气从122℃降至35℃左右，被加热的循环水通过密闭管道在矿澡堂处进行二次热交换，热水供职工洗浴，冷水回流至高效换热器，反复循环。

（1）机组内部改造：C1000型离心机出厂设置为三级冷却系统，分别对分级压缩的空气进行水冷，其中大部分的热量集中在第三级冷却器中，为回收利用该热量，对机组进行改造将第三级冷却器拆除，在机组外侧加装一台高效换热器，通过水、气的热交换回收利用该热能。

（2）专用热回收组块：该组块主要包括进水温度控制、高温水热交换板、打压泵等设备，确保热能的高效回收。

（3）管路并网：当热回收循环水系统意外停机时，离心机排出的高温气体会直接进入管网，严重影响供风系统的安全运行，因此增设一套内循环（来自压风机房冷却水）冷却水系统，以便当外循环（来自热回收循环水）系统出现故障或检修时，不影响离心机的正常供风。

5 结语

通过增设一台高效离心式空压机，确保了矿井满负荷运转时的供风需求。选用低噪音异步电动机，配置联轴器与大齿轮直接连接，确保了高效平稳安全运行。配备了国内领先的热回收设备，高效换热器290m2使出风温度降至35℃，热量回收用于供职工澡堂淋浴水加热。同时气电比由0.1328降至0.0955kWh/m3，每年节约电能309万元，节约备件费用40万元，同时确保了矿井压风系统的安全平稳运行，在同类型矿井中具有推广价值。