高寒隧道空压机房热能转换供洞外取暖的研究

张少兵

摘 要：雀儿山隧道地处高原高寒地区、环境极其恶劣，隧道进口海拔4366m，年极端最低温度-34.7℃。拌合站材料暖棚及拌合用水升温、钢筋加工棚、焊接车间、施工人员办公及宿舍等，都需要大量的热能。通过对空压机房热能的合理利用，减少了能源浪费、降低了施工成本、降低了环境污染。

关键词：空压机组；热能利用；节能；效益；環保

引言

隧道施工中开挖及支护都需要空压机为其提供稳定的高压供风。空压机在产生高压空气过程中会产生大量热能，合理有效的利用这些能源，既可为企业创造良好的收益，也保护了环境。热能转换系统充分利用空压机工作时的热量，冷热交换将循环水中的冷水升温至50-70℃的热水，通过温控及供水系统将热水供应到生产生活使用区。

1 空压机热能转换热水或热气工作原理

隧道空压机房热能转换原理：压缩机在工作过程中产生的热量中大部分被压缩后的油气混合物带走。这些油气混合物经过分离，分别在油冷却器和气冷却器中被冷却介质（水或空气）带走。通过配置热能转换系统，可以在高温机油管道未到达空压机散热器之前，串联接入热能转换油路，通过冷热交换将循环水中的冷水升温至50-70℃的热水，于此同时高温油路中的机油得以释放热能，经释放热能后的低温油路，进过空压机油冷却器降温系统后，进入空压机重新参与降温循环，经冷热转换升温的循环水，通过温控及供水系统将热水供应到生产生活使用区。理论上讲，除了2%的辐射热量不能回收外，几乎98%的热量均可以被回收利用。

当空气压缩机运行一段时间后，机体及冷却机油温度升高，当冷却机油温度升高到热交换器旁通阀的温度设定值时，阀门自动打开，冷却机油进入热交换器将热量传递给循环冷却水。当热能转换回收系统的热水暂时不需要或停止使用时，热交换器内不发生热量交换时，冷却机油仍然保持高温状态（通常大于油冷却器旁通阀的设定温度），于是冷却器油经油冷却器旁通阀进入油冷却器进行冷却后再进入空压机，保证空压机正常工作。空压机热能转换器就是通过介质吸收热能，达到空压机高温冷却油路降温的目的，同时使降温介质升温，达到热能利用的目的。

2 空压机房热能转换利用计算

雀儿山隧道供风选用艾唯特SG-132/8型螺杆空压机，排气压力为0.8MPa，排气量为22.7m3/min，电机功率为132kw。空压机房共计配置132kw空压机8台，7台使用1台备用。

空压机工作过程实际就是将电能转换成势能和热能及机械能的过程，真正在运行过程中用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占很小一部分，约10%，90%左右的电能被转换了热能，这部分热被机器本身的传热部件所带走或被风机散发到了空气中。所以我们通常可以见到空压机及空压机房都有大功率风机在工作，排出的是炽热的风，空压机正常运行时环境温度需要控制在40℃以下。以雀儿山隧道项目为例进行热能计算。

高原地区由于气压低，造成空压机有效功率仅为81%，以空压机有效功率90%电能转化为热能，采用油气双回收系统热能回收率93%计算热能回收总功率：

7台空压机有效总功率：132×7×0.81=748.44kw/h（一台备用）

电能转化热能总功率：748.44×0.9=673.6kw/h

热能回收总功率：673.6×0.93=626.5kw/h（每小时可利用热能）

其中：热能回收总功率62%即388.43kw/h被用于生产热水隧道外供暖。

热能回收总功率38%即238.07kw/h被用于生产热风隧道内供暖。

根据以上计算空压机房热能回收总功率62%为：388.43kw/h如能充分利用：

1吨（1000升）水升温1℃需要耗电量是1.16kw/h

需要将0℃的循环水升温至60℃温差为60℃

1吨（1000升）水升温60℃需要耗电量是69.6kw/h

以每天空压机房运行16小时计算：

V=（388.43×16）/69.6=89.3吨

结论：每天空压机房工作16小时，7台132kw/h空压机，所释放热能通过4台热能转换热水机，可将0℃的水升温至60℃总量89.3吨。

根据计算空压机房热能转换为60℃热水89.3吨，雀儿山隧道施工现场热水分配方式数量如下：

（1）洗澡用水：每人洗澡用水30L，水温50-60℃，现场施工及管理人员250人。

合计用循环热水：V=250×30/1000=7.5吨

（2）拌合站封闭式料仓车间18000m3，耗热量315kw/h，料库及洞口值班房、发电机房、监控室、制氧车间、吸氧室等合计4000m3，耗热量70kw/h。以每天供暖6小时，通过水暖气供暖方式，需要消耗热量2310kw。

合计用循环热水：V=2310/69.6=33.2吨

（3）宿舍及食堂等公共区域供暖面积4000m2，耗热量指标75w/m2，总耗热量300kw/h，以每天供暖8小时，通过水暖气供暖方式，需要消耗热量2400kw。

合计用循环热水：V=2400/69.6=34.5吨

（4）拌合站混凝土拌合用水，循环热水取暖用量以外用于混凝土拌合用量。

合计用循环热水：V=89.3-（7.5+33.2+34.5）=14吨

热能转换生产循环热水系统，在使用过程中应定期维修、保养，应配备修理工2名、电工1名，此3人属隧道施工配合班人员，进行日常检查维护保养。空压机房热能转换利用，需要在8台空压机的基础上，配套安装8套空压机热能转换机，20m2的保温水罐及相应的连接管道。

3 效益分析

通过不断的采用“新材料、新技术、新设备”完善隧道洞口配套设施施工环境升温及保温技术，提高混凝土拌合站及钢构件加工焊接车间环境温度确保工程质量、提高施工人员生产生活环境温度，优化施工环境，合理利用资源减少能源浪费。

雀儿山隧道施工中通常每循环打钻3小时，喷射混凝土5小时，每天两个循环供风16小时，每小时节约利用热能388.43kw，每天利用6215kw。经热能转换利用后，空压机房降温设施，每台空压机4台550w降温风扇，空压机房10台750w风扇停用，每小时耗能23kw被节约，以用电每千瓦时0.8元计算，每天热能利用4972元，节约用电294.4元，每年中半年冬季施工的利用升温可节约96.11万，4年5个冬季可节约481万元，热能转换系统2台空压机配一台热能转换热水机，4台热水机24万元，施工期间可节约457万元。

通过对空压机房热能转换利用，以及人员组织及机械配置，掌握了在极寒环境下隧道洞口配套设施供暖施工技术，充分了解隧道施工在高寒情况下的影响，采取合理的节能减排工艺，达到安全、经济的目的，对以后高海拔高寒地区隧道施工可起到指导作用。

参考文献

[1]钱斌江，任胎文，常家芳，等.简明传热手册[S].高等教育出版社，1983.

[2]供暖通风设计手册[S].中国建筑工业出版社，1987.