压缩空气系统能量回收节能研究

毕宁

摘 要：空压机用于增加空气势能所消耗的电能只占运行功率的15%左右，85%的电能转化为热能，通过空压机机壳和冷却器排放到大气中去，文章对空压机产生的余热进行回收进行分析研究。

关键词：空压机；压缩空气能耗；余热回收；节能

中图分类号：F426.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0091-03

Abstract： The electric energy consumed by air compressor for increasing air potential energy only accounts for about 15% of the operating power， 85% of the electric energy is converted into heat energy， which is discharged into the atmosphere through the air compressor housing and cooler. This paper analyzes and studies the recovery of the waste heat produced by the air compressor.

Keywords： air compressor； energy consumption of compressed air； waste heat recovery； energy saving

1 压缩空气能耗及费用分析

压缩空气是工业领域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15%左右。

（1）根据行业调查分析，空压机系统5年的运行费用组成：系统的初期设备投资及设备维护费用占到总费用的25%，而电能消耗（电费）占到75%，几乎所有的系统浪费最终都是体现在电费上。

（2）根据对各个行业的空气系统进行评估，可以发现：绝大多数的压缩空气系统，无论其新或旧，运行的效率都不理想-压缩空气泄漏、人为用气、不正确的使用和不适当的系统控制等等均会导致系统效率的下降，从而导致客户大量的能耗浪费。据统计，空气系统的存在的系统浪费约15-30%。这部分损失，是可以通过全面的系统解决方案来消除的。

（3）压缩机用于增加空气势能所消耗的电能只占运行功率的15%左右，85%的电能转化为热能，通过空压机机壳和冷却器排放到大气中去。

a.喷油螺杆空压机热能回收系统，在保证空压机稳定运行的情况下，回收空压机高温冷却油中的压缩热，并确保流回转子冷却油温度符合要求且稳定；回收的压缩热约占空压机输入功率的60%以上。

b.无油螺杆空压机热能回收系统，提高空压机冷却水排水温度至80℃，利用外部回收成橇回收其中的压缩热，并确保重新流回空压机中冷、后冷的冷却水温度符合要求且稳定；回收的压缩热约占空压机输入功率的70%。

c.离心空压机热能回收系统，在保证空压机稳定运行的情况下，可回收离心机空压机末级排气中的压缩热，回收的压缩热约占空压机输入功率的18%。

2 压缩空气系统余热分析

根据美国能源署统计压缩机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的電能，在总耗电量中只占很小的一部分，大约的电能转化为热量，通过风冷或者水冷的方式排放到空气中。这些“多余”热量被排放到空气中，这使得这些热量被浪费，对于这些被浪费的热量，其中有大多是可以被利用的。

空压机压缩过程动能与热能转换中产生的热量分析：100%的输入轴功率；约2%为辐射热量；约4%为留在空压机的热量；约94%为可回收的热量。

可回收的热量分析：100%的电能消耗，电机散热约为5%，润滑油带走热量约为75%；压缩空气带走热量约为10%；其他的损失为10%；可以回收的热量为85%。

3 压缩空气系统能量回收节能解决方案

空压机的工作流程：空气通过进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罐，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，最后送入使用系统；而高温高压的润滑油经冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环；根据计算在上述过程中，高温高压的油、气所携带的热量大约相当于空气压缩机功耗的85% 的转化热量，余热温度通常在80℃-100℃之间。空压机运行产生的余热，如果不交换掉，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；如直接由冷却系统将热量排放，不但浪费了能源，更会造成热污染。在提倡建设节约型社会的大趋势下，这种浪费无疑与我们的价值观念背道而驰，如何回收利用这些余热，成为本领域技术人员所急待解决的一个技术问题。

为了充分利用空压机所产生的余热，利用余热回收装置对空气压缩机所产生的高温高压的压缩机油进行冷却，不仅可以提高空气压缩机的产气效率，而且可使企业获得生产和生活所需的热水，从而有效降低工业企业单位制造成本和提高能源的利用率。

4 压缩空气系统热回收应用范围

（1）温度在～90℃可用于锅炉预热。

（2）温度在～70℃可用于工艺用水。

（3）温度在～60℃可用于卫生用水。

（4）温度在～50℃可用于楼宇采暖。

（5）温度在～50℃可用于RO纯水。

5 能量回收系统

下面只针对温度在～60℃用于卫生用水和温度在～50℃用于楼宇采暖做能量回收系统案例分析。

5.1 案例分析

现有110kW空压机4台，预计四台全开，每天运行24H，按照回收效率75%计算，每小时可节能：110kW*2.5*100%*75%=206kW

现计划将空压机余热进行热回收改造，回收热量用于员工洗浴用水加热，其余热量供给空调使用。

洗浴用热需求如表1。

供暖用热需求如表2。

空压机运行中产生的废热可以同时满足洗浴和空调用热需求，每年节约能耗如表3。

5.1.1 能量回收系统流程（见图1）

5.1.2 系统流程说明

该系统采用直热式能量回收系统，全天自动运行，完全实现无人值守。

（1）能量回收系统：单台空压机独立配置一台能量回收系统，开机后，系统自动判别油温，高于设定值给控制柜信号启动循环泵。

能量回收系统根据出水温度自动调节出水流量，温度高于设定值出水流量增大，反之出水流量减小。

（2）控制柜：控制柜检测闭式循环水压、水温及循环水箱温度、液位，控制循环泵、供暖泵等。

系统检测每天能量回收系统运行状态，任何一台油温超过设定值循环泵工作，系统进入换热状态：a.系统温度超过设定温度，系统待机。b.补水电磁阀：水位低于中水位补水，到高水位停止。c.二次侧循环泵：循环水箱水位高于低水位且换热器一次侧进水高于设备启动温度。d.供水泵：循环水箱温度高于送水温度、循环水箱液位高于中水位且保温水箱液位未满。e.供暖泵：自动/手动模式，自动模式下闭式循环水温高于启动温度时启动。

5.2 冬季空调+员工洗浴综合利用的热回收效益

4台110kW空压机，预计四台全开，每天运行24H，按照回收效率75%计算综合利用的热回收效益表4。

6 空壓机能量回收系统的综合优势

6.1 节能

6.1.1 即使使用现在比较节能的太阳能热水系统，但由于太阳能阴雨天不能使用和冬天阳光不充足的原因，也会在使用过程中要消耗一定的柴油资源并造成环境污染。

6.1.2 利用空压机热回收装置对客户热水系统进行改造后，将利用空压机余热加热热水，不再消耗其他能源，把原来浪费掉的热能进行回收利用可节省大量的电能。节约相对于电能、燃料等的使用量，节省大量成本（电费），减少碳排放社会效益明显。

6.2 降低空压机工作温度，减少故障延长寿命

使用空压机余热回收装置可降低维修成本，延长设备的更换期限。螺杆空气压缩机的主要运行费用是耗材的更换，如机油、机油滤芯、油/气分离器。

空压机余热回收装置可把空压机的运行温度降低至最佳范围之内，从而降低空压机的维护成本并相对提高空压机的使用寿命。

参考文献：

[1]GBJ29-90.压缩空气站设计规范[S].

[2]GB16409-1996.板式换热器[S].

[3]CBJ235-82.工业管道工程施工及验收规范金属管道篇[S].