空压机余热回收系统节能技术改造

宁建军

(陕西柴油机重工有限公司，陕西 兴平 713105)



空压机余热回收系统节能技术改造

宁建军

(陕西柴油机重工有限公司，陕西 兴平 713105)

介绍了空压机余热回收利用系统技术，分析了空压机余热回收利用系统的结构和工作原理，通过计算,得出空压机余热回收利用系统技术的应用所产生的经济效益，证明了空压机余热回收装置能达到余热利用、节能环保的目的。

空压机;热回收;回收装置;节能；技术改造

0 引言

空压机在运行过程中，机械做功压缩空气时会产生大量的热量，使得机体发热，降低压缩效率，因而必须通过风冷(或水冷)散热系统进行冷却，将热量排散出去，但空压机这种散热方式会造成热能的浪费和电能损耗。为了节约能耗，通过对空压机油气余热回收再利用的节能技术进行改造，把空压机产生的余热通过热交换，制取热水，供应淋浴、采暖、锅炉补水、工业热水等，以达到节能和环保的目的。

1 目前现状

现有7台寿力喷油螺杆空压机，其中4台LS25-350H(262 kW)，额定排气量44.6 m3/min；3台LS32-450H(336 kW)，额定排气量62.6 m3/min，设备的加载率在90%以上。这7台空压机工作时产生大量的热量通过风冷冷却，直接排向大气中。这样既对环境温度造成影响，又浪费产生的热量。

2 改造内容

(1)空压机余热回收系统替换原空压机散热系统，安装空压机余热回收器，与双螺杆空气压缩机联接，回收空压机的余热资源。

(2)采用自动化电气控制系统，实时显示系统温度、压力、水位等技术参数，并通过控制程序实现自动化运行。

(3)安装保温水箱，用于空压机回收热水的蓄能装置。

(4)采用恒压供水系统，供给需要的热水。

(5)在空压机余热回收系统中增加定时自动除垢功能，避免系统管路结垢，确保换热效率。

(6)所有热转换装置、传热系统、蓄热装置做保温措施，有效防止热量散失。

3 技术原理

3.1 原空压机冷却原理

喷油螺杆式空气压缩机在长期连续运行过程中，将电能转换为机械能，再将机械能转换为气压能。在空气压缩过程中，压缩空气体积减小，空气中的热能浓缩引起压缩空气温度骤升，同时压缩机螺杆的高速旋转产生摩擦热，这些热量随着空压机的润滑油气混合物排出机体。这部分高温油气流排出的热量相当于空压机功率的90%以上，其温度通常在80～100 ℃之间(冷却前的排气温度)。由于机器运行温度的控制要求，这些热量必须通过冷却系统(风冷的方式)排入大气中。原空压机冷却原理示意图如图1所示。

图1 原空压机冷却原理示意图

3.2 改造后空压机余热回收原理

空压机热回收就是利用热能转换原理，将空压机散发的热量回收转换到水里，水吸收热量升温使空压机运行温度降低，从而保障了空压机能够高效、正常运行。这种余热回收方法可以利用空压机废热制成的热水用于供热达到了废热回收利用的目的。

空压机余热回收技术在不消耗额外能源的情况下，将空压机的余热回收利用，不仅能使空压机在最佳工况下运行提高产气效率，同时能够减少原空压机散热系统的能耗，减少原加热能源的使用量，具有较好的节能减排效果。

4 空压机余热回收系统组成及作用

本系统由空压机余热回收器、供热系统、补水系统、电气控制系统、保温水箱等组成。改造后空压机余热回收原理示意图如图2所示。

图2 改造后空压机余热回收原理

(1)空压机余热回收器：采用圆管流道设计、高效热导材料、减小空气阻力等多项新技术，实现了水或油、水或气密封隔离，解决了水或油、水或气可能渗透的技术难题。

(2)供热系统：保温水箱储水达到一定量时，当需要用热水时，恒压供水水泵启动运行，由恒压供水系统，将热水加压后，供淋浴、采暖、锅炉补水、工业热水用。

(3)补水系统：余热回收器作为一个余热回收系统，在启动任意1台空压机时，联动电信号传送到余热回收器，同时检测该空压机油温。当油温满足条件时，同步启动热回收补水循环泵将自来水送进相应的余热回收器，进行热交换。

(4)电气控制系统：空压机余热回收系统配套自动化电气控制系统，可实现手动和自动控制方式。电气控制系统采用可编程控制器(简称PLC)为主要控制手段，操作及监视功能采用触控式人机界面。应用动态组态软件，实时显示系统进出水温度、压力、热水流量、空压机油温、水温、水位等技术参数，并通过控制程序实现自动化运行，不需要人工操作。空压机余热回收系统如图3所示。

(5)保温水箱：用来储存空压机余热回收产生的热水，保温水箱是以聚氨酯整体发泡做为芯层，以304不锈钢板材为内层，以普通不锈钢板材为外层。内、外不锈钢层与芯层进行优化组合，从而形成了不锈钢保温水箱。常温下24 h内使用聚氨酯整体发泡的不锈钢保温水箱降温在3°以内。

图3 空压机余热回收系统

5 余热回收系统工作原理

改造后，启动空压机时联动信号传送到余热回收器，同步启动热回收循环泵和余热回收机组，通过余热回收器进行高温润滑油、压缩空气和水的热交换，把空压机产生的余热回收后转换为55 ℃热水输送到保温水箱进行蓄热。当需要用热水时，恒压供水水泵启动运行，供热系统提供热水给用户端。

6 功能特点

(1)采用圆管流道设计、高效热导材料、减小空气阻力等多项新技术，使空压机油气余热双回收和水或油、水或气密封隔离，解决了水或油、水或气可能渗透的技术难题。

(2)空压机运行时，热回收设备回收空压机热能，空压机停止时关闭供水系统，自动停止换热，实现空压机运停和换热系统的联动。

(3)提升油温控制，使空压机温度在80～90 ℃最佳运行状态下运行。

(4)余热回收机组采用直热式空压机余热回收装置。从自来水管网通过循环水泵引3.5 kg/cm2以上压力的冷水进入空压机余热回收装置，冷水进水直热到设定温度出55 ℃热水，热水进入储水箱。系统还配置循环系统，当水箱水满后，会启动循环系统，让热水进入空压机余热回收器循环加热。

(5)空压机余热回收系统具有切换装置。系统维修时，若不使用空压机余热回收装置时可切换到原有的空压机运行系统状态，而不至于影响空压机的维修使用。

(6)余热回收系统中有定时自动除垢功能，使空压机热水机的使用寿命长达15 a。

(7)热回收效率高：空压机热回收效率可达到90%以上，可提高空压机的产气量8%～10%。

7 改造完成后的技术指标

(1)保证空压机的运行和技术状态不受影响。

(2)改造完成后，空压机机头运行温度控制在80～90 ℃。

(3) 油路、气路双回收，空压机热回收效率大于输入功率的90%。

(4)热回收加热方式为直热式，即5 ℃冷水经热回收器后一次性加热到55 ℃以上。

(5)空压机在额定工况加载运转情况下，冬季进水温度为5 ℃，出水温度为55 ℃(温升50 ℃)，336 kW余热回收器产水量不小于5.4 t/h，262 kW余热回收器产水量不小于4.19 t/h；262 kW余热回收器加热采暖循环水时，进水温度40 ℃，出水温度不小于60 ℃，回收热量不小于209.6 kW。

(6)压缩空气经热回收器后压降小于等于0.005 MPa，空压机热油经热回收器后回油压力高于0.35 MPa。

8 改造后节能量分析

对7台空压机进行了余热回收利用改造，改造后节能量按照《供暖通风设计手册》测算如下。

8.1 计算参数

(1)每小时可回收热能：

每台262 kW空压机每小时可回收热量：

Q1=P1Kj

式中：Q1为热量，kJ；P1为功率，P=262 kW；Kj为功热换系数，Kj=3.6×103kJ/h。

经计算，Q1=9.432×105kJ/h。

每台336 kW空压机每小时可回收热能：

Q2=P2Kj

式中：Q2为热量，kJ；P2为功率，P2=336 kW。

经计算，Q2=1.209 6×106kJ/h。

(2)开机时间：12 h

(3)运行台数：262 kW空压机4台和336 kW空压机3台。

8.2 每天可回收总热量计算

Q=Q1t1m1+Q2t2m2

式中：Q为每天可回收总热量，kJ；t1为226 kW空压机开机时间，t1=12 h；t2为336 kW空压机开机时间，t2=12 h；m1为运行226 kW空压机的台数，m1=4；m2为运行336 kW空压机的台数，m2=3。

经计算，Q=8.88 192×107kJ/h

8.3 进水温度5 ℃时每天可产生55 ℃的热水量

式中：T1为出水温度，T1=55 ℃；T2为进水温度，T2=5℃；C为水比热容，C=4.186 8 kJ/(kg·℃)；M为水量，kg。

经计算，M=424 282 kg。

8.4 天然气锅炉加热节能量计算

天然气锅炉热效率、蒸汽管路热损失、蒸汽加热效率、水箱热损失综合加热总效率约为60%。

(1)每天节约天然气量：

式中：L为天然气量，m3；η为热效率，η=60%；q为天然气热值，q=35 588 kJ/ m3。

经计算，L=4 160 m3。

(2)每年(按300天)节约天然气量L′：

L′=300L=1.248×106m3

9 结语

通过对7台寿力风冷式喷油螺杆空压机设备余热回收系统改造，提高了空压机的工作效率，利用了余热资源，年节约天然气1 248 000 m3，年节约资金385.632万元，折合年节标煤1 659.84 t，达到节约能源，降低生产成本的目的。

[1] 陆耀庆.供暖通风设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1987.

[2] 刘建民，陈建军.螺杆式空压机运行及维护技术问答[M].北京：中国电力出版社,2011.

2015-05-12

宁建军(1970—)，男，高级工程师，从事电站、电气系统设计、节能改造技术应用设计。

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