离心式空压机余热回收和水源热泵洗浴系统设计

张洁雄，穆永超，张昌建，2，罗景辉，2

（1.河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北省暖通空调技术创新中心，河北 邯郸 056038）

0 引 言

空压机是煤矿企业的大型设备之一，常年运转。空压机工作过程中消耗的大量电能只有15%的能量转换为空气势能，剩下85%的能量均转换为热能，通过风冷或水冷的方式排放到大气中，造成了能源的巨大浪费。因此，深度挖掘空压机余热资源，利用合适的解决方案，不仅可以提高能源的利用率、减少环境污染，也可以为企业创造经济效益。目前空压机余热回收系统多是喷油螺杆式空压机系统，离心式无油空压机余热回收系统改造还相对较少。本文以东庞矿为研究对象，利用离心式无油空压机余热回收+水源热泵系统制取热水。此次设计在不改变离心式无油空压机原有工作状态的条件下，对散热系统进行优化设计，既可以使空压机达到安全的工作状态，又可以解决东庞矿洗浴问题。

1 项目概况

东庞矿现有1 007 kW 的三级压缩离心式无油空压机5 台，其中2 台正常运行，3 台备用。空压机排气量为196 m3/min，空气经过一、二级压缩变成高温气体，温度达到100～120 ℃，三级压缩后气体的温度为90 ℃。原冷却系统是采用冷却塔进行冷却，冷却水经过一、二级冷却后出水温度为37.4 ℃，经过冷却塔冷却后温度为33 ℃，并返回一、二级冷却系统，三级高温气体热量未利用。通过评估分析，该矿区空压机系统运行特性具备良好的余热回收利用条件，利用空压机余热制取热水，作为职工洗浴热水的供水热源，经济、节能、环保。原有离心式无油空压机冷却系统如图1 所示。

图1 离心式无油空压机冷却系统Fig.1 Centrifugal oil Free air compressor cooling system

2 余热回收利用系统方案设计

通过对东庞矿区离心式空压机系统进行分析，以及现场测量，提出针对该矿区的离心式无油空压机余热回收+水源热泵洗浴热水系统设计方案。该系统主要对一、二级冷却高温空气的冷却水的热量以及三级高温空气的热量进行回收，并以冷却塔水池中水为热源，通过水源热泵机组来加热洗浴用水。该系统具有换热性能强、节能、维修简单、自动除垢等优点。系统工艺流程如图2 所示。

图2 系统工艺流程Fig.2 System process flow

（1）在现有的空压机房内安装3 套余热回收热水机组，在一级和二级冷却系统进水口添加调节阀，通过调节流量使出水口水温达到45 ℃，在空压机一级和二级冷却系统出水口及三级高温空气出气口处各增加3 个阀门，使余热回收热水机组一级和二级换热器与空压机的一级、二级的冷却系统出水口连接，三级换热器与三级高温气体出气口相连接，冷却水在余热回收热水机组换热后水温下降到40 ℃，返回冷却塔。

（2）将余热回收热水机组一级和二级换热器并联，然后与三级换热器串联，冷水箱的15 ℃自来水通过循环泵先进入一级和二级换热器进行换热，水温提升到35 ℃，再经三级换热器进行提温，水温提升至45 ℃，进入热水箱，供洗浴使用。

（3）添加1 台600 kW 水源热泵，热源端从冷却水池中吸取热量，提升热水箱中水的热量。冷水箱与热水箱通过阀门连接，当热水箱水温达到45 ℃，阀门打开，自来水进入热水箱，再由水源热泵进行提温至45 ℃，供洗浴使用。

3 余热回收设计计算

3.1 数据处理方法

制取洗浴热水所需热负荷为：

式中：Q 为制取洗浴热水所需热负荷，kW；cp为水的比热容，J/(kg·℃)；m 为水的质量流量，m3/h；t2为制取热水温度，℃；t1为进水温度，℃。

空压机可回收的热量为：

式中：Q 为空压机所制取的热量，kW；cp为空气的比热容，kJ/(kg·℃)；v 为空压机排气量，m3/min；ρ 为空压机排气温度下的空气质量密度，kg/m3；t3为换热前气体温度，℃；t4为换热后气体温度，℃。

空气的比热容为：

式中：cp为空气冷却前后比热容的均值，kJ/(kg·℃)；cp1为压缩空气冷却前温度下的比热容，kJ/(kg·℃)；cp2为压缩空气冷却后温度下的比热容，kJ/(kg·℃)。

3.2 数据分析

3.2.1 洗浴热水所需热负荷

经现场累积测算及东庞矿所提供资料分析，矿区职工洗浴用水量约600 t/d。自来水温度为15 ℃，洗浴热水温度为45 ℃，经上式计算，制取洗浴热水所需热负荷为872.25 kW，考虑热损失为10%，总热负荷为959 kW。此负荷作为该项目设计依据。

3.2.2 空压机可回收热量

经现场测试，一级和二级压缩后的排气温度均为110℃，经冷却水降温后空气温度降至48 ℃。三级压缩后的排气温度为90 ℃，经热水机组的三级换热器换热后温度降为50 ℃，供矿井使用。空压机可回收热量见表1。

表1 空压机可回收的热量Table 1 Recoverable heat of air compressor

系统冷却水端进入空压机一级和二级冷却系统流量为17 m3/h，45 ℃冷却水经换热器降温至40℃；由冷水箱流出的自来水进入余热回收热水机组流量为8 m3/h，自来水经一级和二级换热器水温从15 ℃升温至35 ℃，换热器内流量为4 m3/h，经三级换热器水温从35 ℃升温至45 ℃。经计算，1 台空压机利用热水机组可回收热量为279 kW，热水机组总回收热量为558 kW。

4 系统设备选型

系统主要由热水机组、水源热泵机组、冷水箱、热水箱、潜水泵、循环水泵、洗浴供水泵、硅磷晶罐等设备组成。具体参数见表2。

表2 主要设备参数Table 2 Main equipment parameters

5 经济效益分析

5.1 投资费用

项目投资费用主要包括设计费用、设备投资费用、管网安装施工费，总投资约320 万元。

5.2 系统运行费用

东庞矿职工工作班制为三班，每班8 h，洗浴热水需要全天24 h 供给，矿区电价为0.6 元/（kW·h），离心式无油空压机的余热回收系统在矿区全年投入使用，主要运行设备有热水机组、水源热泵机组、水泵等，设备运行费用见表3。

表3 系统运行费用Table 3 System operating costs

由表3 系统运行费用可知，电费共计62.11 万元，运行期间每年所需的人工费用为3 万元/人，共1 人，总运行费用65.11 万元。

5.3 原系统运行费用

东庞矿目前由电厂蒸汽加热洗浴热水，全年用于制取洗浴热水所需蒸汽量为14 292 t，现蒸汽费用为180 元/t，全年蒸汽费用为257.3 万元。另需人工费用9 万元，总运行费用为266.3 万元。

5.4 经济性评价

本系统全年运行费用为65.11 万元，原有蒸汽系统运行费用为246.5 万元，节约运行费用201.19万元；项目投资需要320 万元，投资回收期为1.59 a，经济效益显著。

6 结 论

（1）本文根据东庞矿实际情况和需要，设计了一种新型的离心式无油空压机余热回收+水源热泵系统用于加热洗浴热水，替代原有蒸汽加热系统。

（2）该系统利用离心式无油空压机+水源热泵系统解决了矿区600 t/d 热水的需求，即不影响原有系统的正常运行，又提高了能源的利用率，节能减排效果显著。

（3）该项目每年可以节约运行费用201.19 万元，投资回收期1.59 a，投资回收期短，经济效益良好。