离心式空压机余热回收系统设计分析

周翔，孔德文，宋荣志

（江苏信息职业技术学院 智能工程学院，江苏 无锡214153）

0 引 言

根据美国能源管理局数据统计，空气压缩机在正常运转时，总耗电量中只有15%的电能，是有效利用于增大空气势能，而剩余的85%的耗电量最后都转换为热量，这些热量最终都被通过加装冷却器的方式散失掉[1-3]。而离心式空压机在其正常工作时，其消耗的电能主要转化成另外两种能量：一是用于增加空气的压力能；二是通过机械做功产生热能。而其产生的热能主要包含两大部分：一种是不可回收热能，即通过设备机壳散失掉的热量，这部分能量约占输入总电能的5%；第二种是可回收热能，即通过离心式空压机冷却系统散失掉的热量，这部分能量约占输入总电能的80%。因此，对离心式空压机进行余热回收系统设计，在确保离心机可靠运行的前提下，回收离心机的可回收余热，并将回收的热能转换为企业所需要的热水供应，不仅能够减少企业原先生产热水造成的能源消耗，而且还能够实现节能减排，创造社会效益[4-5]。

该项目是某发电企业离心式空压机余热回收系统改造，该公司空压机房有2 台C700 英格索兰117 m3、670 kW及1台C400英格索兰67 m3、370 kW离心式空压机，机组24 h连续运行，其中2台C700离心机的气阀平均开度为80%，1台C400离心机气阀平均开度为48%，运行时大量电能转化为高温废热通过循环水冷却系统散热排放。通过分析评估，该公司空压机系统运行的特性具备良好的余热回收利用的基础。该项目拟针对离心式空压机进行余热回收系统改造，用来生产企业所需的清洗机用热水，变废为宝，达到节能减排的效果。该公司原有清洗机用热水采用电加热于加热桶内，水温80 ℃，总热水用量为8 t/h。

本项目设计在不改变离心式空压机原有工作状态的前提下通过对其散热系统进行改造，将离心式空压机水冷系统的高温水余热和经过空压机压缩产生的高温压缩空气余热进行回收，其中高温水余热采用水水换热器进行换热，高温压缩空气余热采用气水换热器进行换热，既达到安全工作状态要求，同时可以生产企业所需的清洗机用热水。

1 余热回收利用系统方案设计

通过对该公司离心式空压机系统进行分析，提出了一种针对该公司的离心式空压机余热回收系统设计方案，该系统主要回收利用了离心式空压机冷却前的高温压缩空气余热作为主热源对自来水进行加热，节省能耗。系统中的热交换器采用复合列管式结构，具有不易结水垢、换热性能高、不会产生气通水现象和维护管理非常简单等特点。系统的原理图如图1所示。

图1 离心式空压机余热回收系统原理图

离心式空压机余热回收系统原理是利用余热回收机吸收空压机的高温气体废热对自来水进行加热[6-7]。自来水通过水泵进入空压机余热回收系统，由空压机产生余热提供热源，先通过预加热器吸收空压机一级压缩和二级压缩的冷却水余热，再经过余热回收机吸收三级压缩产生的高温压缩空气余热[8-9]，通过水水换热和气水换热进行热交换而产生热水，用户可按使用需求设定恒温产水，水温在50～80 ℃范围内可调，热水通过保温管道存到保温水箱，当用户需要用热水时，热水由储水罐供热水到车间清洗机使用。

2 余热回收设计计算

通过对该公司离心式空压机系统进行分析，该系统主要回收利用了离心式空压机第二级及第三级余热作为主热源（余热回收机作主换热器）与水进行热交换生产80℃以上的热水。

2.1 冷却水余热回收

冷却水余热回收系统相关参数如表1所示。

表1 空压机冷却水回收系统相关参数

2.2 高温压缩空气余热回收

离心式空压机压缩空气余热回收系统相关参数如表2所示。

表2 压缩空气余热回收系统相关参数

2.3 空压机可回收热量计算

空压机总的可回收热量如表3所示。

表3 离心式空压机可回收热量

2.4 产水量计算

通过余热回收系统设计，可生产热量产量如表4所示。

表4 空压机余热回收总产水量

3 经济效益分析

3.1 投资费用

项目投资费用主要包括设备投资费用、管网安装施工费用[2]。项目总投资约为80.3万元。

3.2 运行费用

原来清洗机热水采用电加热方式获得，因此按空压机年工作300 d计算，每天24 h，得到电加热产热水成本如表5所示。

表5 对比电加热可节约成本分析

另外，原来离心式空压机的冷却方式采用冷冻机进行冷却，需要消耗电能，由表5可得空压机系统可回收总功率为600 kW，冷冻机按COP（COP即能效比，是指额定制冷功率与耗电功率的比值）为4.5计，可为企业减负600/4.5=133.3 kW，折合全年节约66.2 万元。因此，两项合计每年可节约380 万元。

3.3 经济性评价

原清洗机用热水电加热成本约为313.8 万元/a，冷冻机运行成本约为66.2 万元/a，合计运行成本为380 万元/a，空压机余热回收系统项目投入约为80.3 万元，项目回收期为2.1个月，可见经济性良好。

4 结 论

1）通过该项目案例可知，对离心式空压机进行余热回收改造，既不影响设备原先的运行状态，又可实现节能减排。

2）该项目年可节约年运行费用350 万元。项目资金回收期为2.1个月，经济效益显著，是一种切实可行的方案。