空压机余热回收利用系统设计

孙守孝 卢进南

1.山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司

2.辽宁工程技术大学机械工程学院

0 引言

山西煤炭进出口左云韩家洼煤业有限公司现有空压机7台，其中空压机房SCR340-J型螺杆空压机3台，每台功率为250 kW，散热风扇总功率10 kW；注氮车间GA160-8.5型螺杆空压机4台，每台功率160 kW，散热风扇总功率7 kW，冷却方式均为空冷。

韩家洼煤矿空压机主要为矿井开采提供动力，空压机全天连续运行。空压机在工作过程中产生的大量热量由散热风扇排入大气。7台空压机连续运行过程中，出现了5次非机械故障停机，其中一次故障发生在冬季，其余故障均出现在夏季。由故障信息可知，5次故障均为空压机温度超过上限，最高温度出现在夏季，达到127℃。针对由散热效率低而使空压机温升快，导致空压机停机的工程实际问题，孟全采用水冷方式[1]，利用水泵、板式换热器和PLC控制技术，对淮泸煤电有限公司丁集煤矿3台C950MX3HP型英格索兰离心式空压机进行余热回收利用，年节约费用约200万元；魏莹，罗景辉等利用水循环系统，对邢台某煤矿空压机进行余热回收利用，虽然该系统的年运行成本约10万元，但节约成本高达40余万元[2]。

现场考察和分析韩家洼煤业有限公司现有空压机运行情况，得知造成空压机非机械故障停机的主要原因是运行空间小，散热风扇效率不高。在夏季，极易造成热量集中。

因此，采用水冷与电加热相结合的余热回收方式，运用模糊PID控制技术，对空压机余热进行回收和利用。

1 余热回收和利用总体方案

1.1 空压机工作原理

螺杆空压机的工作过程分为吸气、压缩、排气三个过程。空压机通过进气过滤吸进空气，进入压缩主机内，阴阳转子通过啮合运动改变腔内容积，腔内连续喷油用于润滑、冷却螺杆，该过程产生大量受热的油气混合物[3]。与此同时，机械螺杆的高速旋转和摩擦所产生的高热由油气混合物带出[4]。油气混合物通过单向排气阀进入油气分离器，使主机腔内的油与压缩空气进行分离，经冷却后回到主机循环工作。

图1 空压机余热回收利用原理

1.2 回收利用原理

空压机余热回收利用原理：电动机连接空气压缩机，通过电动机转动带动螺杆旋转挤压空气和润滑油，产生高温高压油气混合体。将两者输送到气油分离机，将混合气体分为高温压缩空气和高温油气，由润滑油管路和压缩空气管路分别将高温压缩空气和高温油气传入板式换热器。通过水泵输送来自水箱的冷水送入换热器，换热器对冷水与高温油、高温空气进行换热处理，将冷却后的冷油气传回油气桶，冷空气传入地下。经过换热器的冷水转换为热水，使其流回水箱，经过不断循环，水箱中的水被加热，进而实现热水供应。本项目采用多输入多输出的模拟控制方法，实现淋浴间热水供应的安全优化控制。

空压机余热回收利用原理见图1。

相关操作流程如下：

（1）电动机、空压机、换热器及各种传感器通电启动，准备工作结束；

（2）打开阀门 P1、P2、P3、P4、P5、P6。阀门P7、P8处于关闭状态，水箱1中的冷水通过水泵B1流入换热系统进行换热，经过连续循环，水箱中的水被加热，水温上升；

（3）当水箱1的温度达到设定值时，关闭阀门P5、P6，打开阀门P7、P8，水箱2中的冷水进入换热系统进行换热；打开阀门P11、P12，在白天提供热水；当水箱2中的水温达到设定值时，关闭阀门P7、P8，打开阀门P5、P6及冷水供水管的阀门，当水箱1中水位达到设定值后关闭供水阀门，继续循环加热水箱1。

（4）通过温度传感器T4测得经过换热的冷油温度，当温度低于空压机润滑油正常工作范围，关闭阀门P1、P2，当出油口温度达到设定值时，重新开启阀门P1和P2。

（5）当需要给淋浴间提供热水时，打开阀门P11、P12，通过水泵B3将水箱1的热水输送到淋浴间；当水箱1水位下降到设定值时，开启阀门P10，通过泵B2将水箱2的水流入水箱1；如果水箱2的水温没有达到预设温度，将阀门P13、P14、P15打开，通过水泵B5的作用将水箱2的水流入电炉，经过电炉加热后的热水通过泵B4流入水箱1，从而保证淋浴间供水充足；当水箱1的水满足洗浴需求时，关闭阀门P10、P14、P15，通过冷水供水口将水箱1和水箱2中水补充到设定值，重复以上循环过程。模糊PID控制原理见图2。

1.3 可回收热能计算

韩家洼煤矿每天洗浴人数约200人，按每人每天平均用水量60 L计算，则需耗水量12 m3左右。因此需要加热一个15 t左右的水箱供员工洗澡。煤矿共有空压机7台，正常情况下运行两台，SCR340-J型（250 kW）和GA160-8.5型（160 kW）各一台。载率按照100%计算，空压机有80%的热量可以全部回收，由热工手册，每1 kWh电量产生的热量为860 kcal，得出：每天可回收的热量（按每天空压机运行24小时计算）

图2 模糊PID控制原理

考虑到加热洗澡用水过程中约有40%的热量损耗，因此用来加热的总热量约为：

1 t水温度上升1℃需1 kcal热量，全年进水温度平均按18℃计算，加热至48℃。每天可加热48℃的热水量：

空压机余热回收系统每天回收热量可加热48℃热水135 t（〉15 t）因此每天两台空压机的余热利用资源可满足矿井淋浴需要，技术可行。

2 模糊系统设计

2.1 模糊PID控制方法

模糊PID控制包括参数模糊化、模糊规则推理、参数去模糊化和PID控制器等几个重要部分组成[5,6]。模糊PID控制方法具有逼近任意连续有界非线性函数的能力，可有效地应用于非线性系统和不确定系统，较PID控制而言具有更快的实时性和更好的适应能力[7]。

PID控制器将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制[8]。但是传统的温度控制需要掌握受控对象的数学模型，很难确定PID的3个参数。因此本系统采用模糊PID算法控制传感器的温度。由于模糊PID不需要控制对象的数学模型而是通过实时测量的温度值与设置温度值的差值作为控制量的大小，使不同的控制对象都能得到最佳PID调整[9]。图3是模糊自适应PID控制器结构框图。

图3 模糊自适应PID控制结构框图

模糊PID控制器以温度变化e和温度变化率ec作为控制输入量，以PID输出量得到其调整值Δkp、Δki、Δkd，并实时调整PID的参数值，具体关系式如式（4）所示。

式中：e为温度变化；ec为温度变化率；kp、ki、kd分别为比例参数、积分参数、微分参数；f1、f2、f3分别为对比例参数、积分参数、微分参数进行实时调整[10]。

2.2 余热回收控制系统

2.2.1 水箱温度为设定值和参变量

首先测出水箱出水温度，将弱信号转换为标准量程的电压信号，通过CPU将所采集到的温度与根据要求设定的温度范围进行比较，采用PID控制算法进行逻辑运算，将运算结果送给PLC的模拟量输出模块，经DA转换后变为电流信号,用来调节三通阀的开度，实现冷却水与自来水的混水，最终实现冷却水温度的闭环控制。基于PLC的冷却水水温控制系统的框图见图4。

图4 基于PLC的冷却水水温控制系统方框图

2.2.2 变频水泵的转速为被控对象

通过控制自来水补水侧的水泵频率来控制补水水量。其中在闭环水温控制系统中，控制补水水泵的频率，调节板换自来水侧的水量，使自来水换热温度达到设计值，当自来水温度高于设定范围时增大水泵运行的频率，当自来水温度低于设定值时，减少水泵运行的频率，最终实现温度的闭环控制。基于PLC的换热控制系统方框图见图5。

图5 基于PLC的换热控制系统方框图

3 节能效益分析

3.1 经济效益

目前韩家洼煤业有限公司空压机房和注氮车间各有一台空压机全天运行，空压机功率分别为250 kW和160 kW，空压机冷却出口的风冷风机功率分别为10 kW和7 kW，两台空压机的冷却出口温度保持在70～80℃，两台空压机出口流量分别为43 m3/min和28.92 m3/min，两台空压机出口压力为0.8 MPa。该条件下空压机出口高压空气的比热容为 1.406 7 kJ/（kg·℃），定比热容为0.719 kJ/（kg·℃），密度为0.67 kg/m3，利用公式（5）

由于空压机和供暖设备均是全天工作，则通过本项目研究，每年可节约能耗为630 720 kWh，则节约电费约为30万元/年。除节约空压机因空冷而消耗的电能之外，本项目的空压机余热回收利用另一个目的是优化现有厂内供暖系统，实现供暖系统的优化控制。因此，本项目实施后，可降低服务于现有供暖系统工人数量，每年可节约劳务费用约22万元；优化后的供暖系统采用电加热方式，且电加热方式仅作为空压机余热回收利用系统的辅助手段。因此，本项目实施后，每年可节约煤炭成本约33万元；由于本项目采用的是电加热方式，则现有供暖设备的去硫灰化辅助设备已无存在意义，每年可节约能耗和维护等费用约为20万元。节能效果见表1。

表1 节能效果

3.2 社会效益

本项目制定的空压机余热利用系统总体方案及技术路线，有效地解决了空压机冷却耗能高的问题，充分利用了废热，节约一次能源，为企业节约了能耗成本的同时减少了热排放，提高了环境质量。采用合同能源管理模式进行改造可以在不增加企业用于改造的负担前提下，一次性投资长期收益，对减少工厂的碳排放有积极的应用价值。本项目的研究成果具有广阔的市场价值和社会效益。

4 结论

（1）通过对空压机能量转换应用，解决了空压机运行过程中冷却器出口温度超标的问题，避免了空压机在运行过程中出现严重事故，提高了生产效率。

（2）制定余热回收利用方案，引入能源互换模式，在节约能源和节能减排方面具有重大突破。

（3）该系统的应用，不仅减少了加热锅炉所耗能源，而且从根本上解决了空压机因温度过高而无法正常运行的问题，提高了空压机的工作效率。同时运用节约的能源加热洗澡水，以便矿工洗浴，具有良好的经济效益和社会效益。

（4）空压机余热利用系统符合当今社会的发展，与国家制定的节能减排国策相呼应，值得推广。