螺杆式空压机余热利用研究

邵振栋

上海烟草集团有限责任公司

0 引言

人类社会的生存离不开能源，社会的发展与能源息息相关。工业领域常使用的能源有电能、压缩空气、燃煤、燃气等。压缩空气具有安全、调节性能好、无公害、输送方便等优点，在现代工业中得到广泛应用。随着生产经验的积累和研究的深入，人们发现生产压缩空气是一种效率低下的方式，而生产压缩空气的空压机，因占有能源消耗全部电力消耗的10%～35%，成为众多科研工作者和企业迫切改良的对象。

在《Compressed Air》期刊，美国作者威莱姆弗·麦克雷斯详细介绍了有关空气压缩机余热回收的相关原理。福鲁德埃公司将新型三散热器型高效风冷热交换器配置在T05型系列滑片式节能压缩机上，这一设计充分利用了余热资源，降低压缩机的运转费用约50%[1]。在土耳其的轻工业领域，空压机余热回收也逐渐加以重视，采用了多种回收方法节约能源[2]。徐树风[3]分析了阿特拉斯·科普柯喷油螺杆压缩机在工作过程中的能量转换，若按70%计算能量回收率，一台常规喷油螺杆压缩机每小时可回收的能量相当可观，每天节省的电费多达1 400元。李勇[4]对夏店矿的风冷式喷油螺杆空压机系统的管网和装置进行了部分改造，增加了板式换热器和水箱等设备，加热水箱的水所需热量由空压机润滑油提供，从而节约了煤炭资源。通过对5台SA-250A-6K型空压机进行改造，配备2套余热利用系统，使用空压机余热回收系统可减少3个锅炉操作工，节约薪金支出12．66万元，每年可节省燃煤消耗124t，按每t标准煤价格940元计算，共节约燃料费11．656万元，合计节约24．316万元。同时减轻了燃煤引起的有害气体的排放和空压机的热源污染。上海氯碱化工有限公司的陈勇[5]对一台英格索兰C135MX3离心式压缩机进行了系统改造，利用压缩机的排气热量用于加热工人生活淋浴用水；同时加装传感器对冷却水循环进行控制，实现系统无人值守，经过改造，每天可节约标准煤1．39t。

空压机的余热可通过各种热利用装置和设备回收利用，回收的热量可以被应用于生活、生产、采暖等场所，既能节能又可减少污染物的排放。

1 螺杆空压机余热回收的理论可行性

空气的热力学参数会在空气压缩过程中发生变化，如图1所示。理论上存在两种极限压缩过程：一种过程进行的速度极快，气体与外界的换热忽略不计，即1－2S过程，该压缩过程可视为绝热过程；另一种即1－2T定温压缩过程。在实际的空气压缩过程是介于两种极限过程之间的多变过程[6,7]，即图中的的1－2n过程，既有热量传出，空气温度也会上升。

图1 空气压缩过程的T-S图

如果把空气作为理想气体[8]，这时，我们认为其比热是定值，可以得到几种状态下理论耗功：

可逆绝热压缩

可逆定温压缩

可逆多变压缩

根据上述各式：

若要求压缩空气品质相同，则绝热压缩、多变压缩、定温压缩分别使压缩功耗由多到少。需要指出的是，多变指数n变大，多变过程的功耗也会增多。与此同时，绝热压缩后，压缩空气温度常常跃升，气体的比体积较大，给空压机的正常运转带来隐患。通过分析可知，当下诸多研究都侧重于降低生产过程中的多变指数n，使压缩过程与定温过程更接近。

热力学第一定律指出，定温压缩过程中消耗的压缩功全部转变为放热量。即：

因此，理想气体的热力学能和焓都随温度变化。

在实际工作过程中，空气压气机消耗电能，压缩空气，但大部分电能转变成热量（多达70%，甚至更高）后，大部分被压缩后的油气混合物带走。如图2所示，电动机全功率输入，回收难度较大，有热辐射损失热量、压缩气体带走热量以及电机带走热量，但这些占比较少，剩余能量（约占总功率的85%）均可通过设置一定的装置进行回收。

实际生产中，通过大量数据对比，可以得知初期设备投资和维护费用仅占总费用的20%～30%，而电费则高达70%～80%，即空压机的后期运行费用中75%×85%=63．75%，超过60%被浪费。因此，关注空压机余热回收的节能十分必要。

图2 压缩机能量转换分布图

2 喷油螺杆空压机的回收余热装置

2.1 喷油螺杆空压机工作原理

喷油螺杆式空压机有以下部件组成，分别是电动机、联轴器、压缩机、进气系统、喷油系统、冷却系统、控制系统、电气系统、传动系统等。按油泵配置，喷油螺杆式压缩机的油路系统可分为无油泵系统、带油泵系统和联合系统。在无油泵系统中，润滑油通过压缩机排气压力和喷油口处的压力差实现自动循环流动。该系统需要的构建数量较少，可长时间稳定运行，目前在喷油螺杆式空压机中广泛应用，其工作原理见图3。

图3 喷油螺杆空压机系统流程图

润滑油从压缩室吸收压缩气体的热量后，温度升高，经油气罐，通过热控阀，在油冷却器冷却，经油过滤器去除杂质颗粒后分为两路：大部分润滑油由机体下端进入压缩室。该部分润滑油连通至吸气口与过滤后的空气一同进入压缩室，参与压缩过程。随后混有润滑油的压缩空气首先通入油气罐，绝大部分的油在油气桶内直接沉降于底部分离出来，进入冷却系统降温，以备再次循环。另一部分注入机体前后端润滑轴承组。

2.2 喷油空压机余热利用原理及影响因素

图4为喷油螺杆空压机余热回收流程。由图4可见，润滑油和空气在压缩室内被压缩，随后产生高温高压油气混合物，混合物进入油气罐中被分离。通过对油气罐出油管路进行改造，将高温油引入油余热回收系统，将压缩空气引入高效压缩空气余热回收器，由加压水泵将冷水泵入余热回收系统，先与压缩空气进行换热，提高冷水温度，然后泵入到油余热回收系统中再次进行热交换，二次换热后的热水已达到生活用水所需的温度，可以作用于生活热水空调采暖、锅炉进水预热、工艺用热水等。

图4 喷油螺杆式空压机余热回收流程

喷油螺杆式空压机余热利用效率的高低，其主要的影响因素有：压缩空气的排气温度、进入压缩室的喷油温度和喷油量等。

喷油螺杆式空压机允许的排气温度较高时，所需的冷却用油量较少，油冷却器容量可小一些。但考虑到润滑油在高温下的不利影响，喷油螺杆式空压机设定的最高排气温度一般不高于100℃。喷油螺杆式空压机的排气温度同样不能太低，以防止出现冷凝水，造成润滑油的油质恶化降低轴承寿命。

通常情况下，采用热控阀控制喷油温度以保证机头排气温度高于压力露点。刚开机时热控阀支路开启，主回路关闭，此时油温较低，润滑油不经冷却器直接喷入机头。随着机器的运转，润滑油温度升高后热控阀开始闭合。润滑油分为两路分别从冷却器和支路流过，当油温超过70℃之后，热控阀彻底关闭，润滑油全部通过冷却器冷却降温后再喷入机头。

因喷油量的影响，其润滑油对螺杆式空气压缩机的正常可靠运转起着举足轻重的作用。它在主副转子之间形成油膜，使主转子直接驱动副转子旋转，无需使用昂贵的高精度同步齿轮，简化了复杂的机械结构。润滑油与空气直接接触可带走大量的压缩热，起到良好的降温作用。喷入空压机的润滑油主要有润滑、冷却、密封和降噪四个功能。

2.3 水冷余热利用系统

水冷余热利用系统是将空压机的余热以水为载体，送至用热的场所。这种余热利用系统水温和润滑油温度易控制，可使空压机运行温度控制在85℃以内，减少空压机原有冷却设备的运行时间。空压机额定的每分钟产气量是在80℃的温度下测量定准的，实际工况下，空压机不可能保持在80℃的稳定标准状态下工作，产气量也会随着运行温度的变化而改变。即：空压机运行温度每上升1℃，压缩空气产量就降低0．5%。采用风冷散热的空压机一般运行温度为88℃～96℃，其产气量下降幅度达4%～8%，夏天情况更为严重。在空压机组上加装水冷余热利用系统后，能将其运行温度控制在80℃～85℃之间，提高压缩空气产量8%～10%，大大提升空压机的运行效率。空压机在80℃～85℃之间运行，可防止机油乳化、减少积碳发生，延长机油、机油隔、油气分离器等部件的更换和清洗周期。与系统改造前比较，可延长耗材的使用周期35%左右。此系统制取的热水应用形式多样，目前工程中大多采用此系统。按是否新增换热设备，水冷余热利用系统可分为水冷直接式余热利用系统和水冷间接式余热利用系统。

1）水冷直接式余热利用系统

空压机水冷直接式余热利用系统将水冷空压机的冷却水直接送至用热设备，冷却水水质较差，一般仅用于低温热水采暖系统。受空压机原有冷却器性能的制约，冷却水进口温度应低于33℃，出水温度应低于40℃。当冷却水出水温度高于40℃，对空压机的正常工作会造成较大的隐患，甚至会发生故障停机。但采暖系统末端设备要求进水温度不能太低，否则会使末端设备过于庞大，增加初投资，同时也会影响采暖效果。因此，要同时保证空压机在冬季安全运行和室内采暖温度合格，需要对空压机的出水温度进行严格控制。

以图5所示水冷直接式空压机余热利用系统为例，在夏季，关闭采暖系统支路，通过空压机原有的冷却系统冷却设备运行产生的热量。在冬季，启用采暖系统支路，空压机运行产生的高温冷却水一部分通过原有冷却系统冷却，一部分进入采暖系统。

图5 水冷直接式空压机余热利用系统图

根据空压机的回水温度调节三通阀E的开度，当回水温度过高时提高原冷却系统D支路的流量，降低采暖系统C支路的流量；水温过低时降低原冷却系统D支路的流量，提高采暖系统C支路的流量；始终控制空压机的回水温度在允许范围内。

空压机的出水温度通过冷却水泵的变频控制。水温过高时，B点的水温控制器与冷却水泵连锁，将水泵变频至大流量状态，流速增加，使水温降低；水温过低时，B点的水温控制器与冷却水泵连锁，将水泵变频至小流量状态，流速减少，使水温升高。

此系统空压机的冷却水直接引入供热系统，参与全部冷却及供暖循环，水质较差并易受污染，因此实际生产中较少使用此方法。

2）水冷间接式余热利用系统

空压机水冷间接式余热利用系统是通过在空压机原有的冷却回路中增加换热器、水泵、温控阀等设备和控制系统，将高温的润滑油管路和压缩空气管路接入换热器，利用水与空压机的高温油气换热来实现余热利用，同时通过控制系统保证空压机正常工作。由于采用换热器进行换热，不再受空压机原有冷却器的性能制约，换热器的进水温度可以很低，一般可以直接利用自然水源；供水温度可以很高，一般可以达到55℃以上，使余热可以作为更广泛的热源应用。此类余热利用系统应用前景更为广阔。

以图6所示空压机余热利用系统为例，空压机运行时，如果润滑油回油温度高于设定温度时，通过温控三通阀关闭原冷却系统油路1，开启油路2，用水泵将水箱中的低温冷却水抽入换热器中，与高温润滑油进行热量交换。当水温上升到预定的上限后，换热器无法再对润滑油进行充分的冷却。此时，通过温控三通阀开启油路1，关闭油路2，空压机原冷却系统开始工作，保证系统在安全温度下运行。

图6 水冷间接式空压机余热利用系统

2.4 风冷余热利用系统

空压机的风冷冷却系统主要包括空压机内置油冷却器、气冷却器及排风扇换热器。从空压机排出的冷却热风直接用于冬季采暖或工艺用热。空压机冷却采用冷却空气强制对流的方式，冷却空气排风温度一般高于进风温度10℃～15℃。设计空气压缩机站时，冷却后的热风通常直接通过风管排放到室外。最常用的余热直接利用方式是将热风集中回收后经风管送至需加热的场所，如厂区车间等。

热风用于车间的冬季辅助加热。如图7所示。在车间无采暖设施、但冬季气温又较低的中东部地区，为提高室温、提高工作环境的舒适度，通过排风管道，从空压机排放的冷却热空气直接连接到车间，用于车间的辅助加热取暖。在冬季，调整入口出口，对车间进行补充加热，其中空压机站冷却进风来自厂房内，热排风排至车间；在夏季，当车间不需要额外热量时，调节进气口让冷却空气来自外部，同时，调节排风口，冷却热空气排放到室外，保证空气压缩机的正常运行。该余热利用系统设计简单、投资少，仅需常用的施工建材即可完成，但由于系统简单，所以受制于季节变化，应用范围有限。

图7 风冷式空压机余热回收利用

热风用于特殊房间的工艺加热：在工厂的车间，将空压机冷却热风经保温风管接至工作时间和空压机运行时间同步的常年用热的场所，如烘干房、烤漆房等。这种余热利用系统不受季节因素的影响，设计简便。然而，当用热地点相对较远时，为确保冷却热风的足够温度，需要增加送风装置，也需要对排风管进行严格的隔热保温处理。

3 空压机余热回收节能效益分析

以某厂回收空压机余热用于工业用温水提供低温热源的方案为例，空压机余热回收的节能效益是双重的：一方面空压机的余热替代了大部分蒸汽对纯水原水进行加热，大幅减少了纯水加热的过程中蒸汽使用量；另一方面使用纯水原水直接冷却空压机，可以减少制冷机组的冷负荷、减少制冷站的能耗。节约能耗的具体数量可通过以下方式计算：

首先，计算用空压机余热代替蒸汽给纯水加热所节约的蒸汽量：

1t水升高1℃需要的热量为：

Q=4.19k J/k g×1000k g=4190k J

式中，

Q——物体吸收的热量（kJ）；

m——物体的质量（kg）；

c——物体的质量热熔（kJ/kg·K）；水的比热容为4．19 kJ/kg·K

每t 0．3MPa(133．5℃)的蒸汽可以产生的热量Q1为：

式中，

Q显——蒸汽由于温度变化产生的热量（kJ）

Q潜——水的汽化热=2 260 kJ/kg

c—— 物体的质量热熔（kJ/kg·K）；蒸汽的比热为2．1 kJ/kg·K

由以上计算可以得出1t水升高1℃需要的蒸汽量为：

Q/Q1=4190kJ÷2330350kJ/t=1．879kg

此外，节约蒸汽的同时也减少了制冷站的能耗，之前的计算可以得出1t水升高1℃产生了4 190kJ的热量，即为1kcal，如果这些热量未被热回收系统利用，为了保障空压机设备的正常运行，则这些热量需要被冷机带走，冷机需要的耗电量可以通过如下的计算获得：

已知，1千卡/小时（kcal/h）=1．163瓦（w），以1匹（735．5W）的制冷量 2．5kW来计算，1kCal需要1．163/2500匹花费一小时带走。则带走1kCal热量所用的冷机耗电量为：

1．163÷2500w×735．5w×1h=0．3422kWh。

以工厂2015年能耗使用数据为例计算，如进行节能改造后可以节约能耗。表1为全年用水量和水温。

由水温数据可以看出，若只对水温低于19℃时进行加热到22℃，5月-10月不必启动余热回收系统，其他月份节能的效果见表2。

表1 全年用水量和水温

表2 各月份用水量及节能效果

4 结论

喷油螺杆空压机的几种典型余热回收系统，包括水冷直接、水冷间接式及风冷余热利用系统，在实际运营中通过余热利用途径降低能源费用的同时，可减少环境污染，达到节能目的。

工业用温水的低温热源由空压机回收的余热来提供，在解决了空压机冷却能耗高的同时，对废热充分利用，节约了一次能源，可以应用到大部分工厂。在不增加企业用于改造费用的前提下采用合同能源管理模式进行改造，一次投资、长期收益，对减少工厂的碳排放有积极的应用价值，对空压机余热回收具有广阔的市场空间和推广价值。

黄浦区出台上海首部区级层面“重点用能单位节能管理办法”

近日，黄浦区为加强重点用能单位的节能管理，提高能源利用效率，控制能源消费总量，促进生态文明建设，出台了《黄浦区重点用能单位节能管理办法》。

《黄浦区重点用能单位节能管理办法》（以下简称“管理办法”）包括总则、评价考核、管理措施、奖惩措施、附则等五个部分共三十二条。“管理办法”明确了重点用能单位的范围和基本义务，以及各相关部门的职责分工。“管理办法”要求重点用能单位建立节能目标责任制、能源管理体系，加强能源计量和能源统计、配套节能专项资金，并开展能力建设、淘汰落后产能、落实固定资产投资节能审查、开展对标达标等。“管理办法”并提出了对考核结果优秀的重点用能单位或个人给予表彰和奖励等奖惩措施。