大型離心式空壓機(jī)及余熱回收系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)的應(yīng)用

婁 方，魏浩然，張紀(jì)飛，陳 虎，趙 磊

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

大型離心式空壓機(jī)及余熱回收系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)的應(yīng)用

婁 方，魏浩然，張紀(jì)飛，陳 虎，趙 磊

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

礦井空壓機(jī)是固定大型機(jī)械設(shè)備和重要機(jī)房，為主井、副井、運輸及采掘等礦井生產(chǎn)提供風(fēng)源動力。本文重點介紹了東灘煤礦空壓機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用英格索蘭離心空壓機(jī)及余熱回收系統(tǒng)運行后所起到的重要作用和取得的經(jīng)濟(jì)效益，為礦井的安全生產(chǎn)和企業(yè)的節(jié)能降耗創(chuàng)造了良好條件。

離心機(jī)；合同能源；高效換熱器；節(jié)能降耗

0 概述

東灘煤礦是年產(chǎn)750萬噸特大型礦井，1989年12月投產(chǎn)，原設(shè)產(chǎn)400萬噸，2000經(jīng)過增容改造達(dá)到目前產(chǎn)量，是目前兗礦本部支柱型礦井。為礦井配套設(shè)計建造的空壓機(jī)是大型固定機(jī)械設(shè)備，為主井、副井、運輸及采掘等礦井生產(chǎn)一線提供風(fēng)源動力，是主要機(jī)電設(shè)備機(jī)房，在礦井生產(chǎn)中具有重要地位。

1 現(xiàn)狀分析

目前系統(tǒng)在用二臺壽力40m3/min螺桿機(jī)組（小機(jī)組）已運行13年，六臺復(fù)盛60m3/min螺桿機(jī)組（大機(jī)組）運行均在8年以上，設(shè)備機(jī)頭等部件磨損老化性能效率下降。由于礦井采掘工作面延伸較遠(yuǎn)，目前有東西南北翼四個采區(qū)，最遠(yuǎn)干線20公里。另外風(fēng)動設(shè)備用量增加，例如風(fēng)鉆、風(fēng)泵、氣動吊梁、風(fēng)動道岔、自動風(fēng)門等風(fēng)動機(jī)具數(shù)量增加，礦井需求供風(fēng)量每分鐘320—380m3/min。因此日常開機(jī)“四大二小”或“五大二小”；特別是夏季空氣濕度增加導(dǎo)致收縮比較大，需多開一臺60m3/min螺桿機(jī)設(shè)備，一旦機(jī)組出現(xiàn)故障就無法滿足生產(chǎn)需要，供風(fēng)持續(xù)緊張局面，這樣系統(tǒng)升級改造勢在必行。經(jīng)過多方調(diào)研并結(jié)合企業(yè)目前狀況，了解到英格索蘭離心式空壓機(jī)技術(shù)成熟、流量大、性能穩(wěn)定，決定采用合同能源管理的辦法實施該項目，根據(jù)運行效益和能源回收比例分期付款雙方利益共享。首先滿足礦井生產(chǎn)需要，緩解供風(fēng)緊張局面；其次達(dá)到環(huán)保節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求回收利用離心機(jī)產(chǎn)生的熱量，同時依據(jù)設(shè)備性能節(jié)約工業(yè)電能。

改造前東灘煤礦空壓機(jī)房設(shè)備在用情況詳情

改造方案中目標(biāo)離心機(jī)數(shù)據(jù)詳情：

由以上表格對比可知東灘煤礦壓風(fēng)機(jī)站房空氣壓縮系統(tǒng)有巨大的節(jié)能空間，具備使用離心式空壓機(jī)升級替換的節(jié)能空間。通過使用一臺離心式空氣壓縮機(jī)替換若干臺原有螺桿式空壓機(jī)運行，達(dá)到高氣電比運行效率，從而達(dá)到節(jié)能效果。

2 項目實施

該工程含離心式壓縮機(jī)的設(shè)備到貨驗收，安裝就位，基礎(chǔ)固定，進(jìn)氣管線、排氣管線的鋪設(shè)，內(nèi)、外循環(huán)冷卻水與高效換熱器管線的鋪設(shè)，相配套的軟起動柜、熱回收裝置、流量計、超管和熱回收系統(tǒng)所需附件等工作。機(jī)組投入使用后，每分鐘為礦井壓風(fēng)系統(tǒng)可提供218m3/min。（0.65MPa）的壓縮氣體。

2.1 設(shè)備安裝

（1）拆除一臺螺桿式空壓機(jī)，在原基礎(chǔ)上安裝一臺離心式空壓機(jī)，拆卸下來的螺桿機(jī)拆散作為其他螺桿機(jī)組的備品備件。

（2）壓縮機(jī)的基礎(chǔ)采用連續(xù)無縫的混凝土或鋼結(jié)構(gòu)件作基礎(chǔ)，不平坦的表面或者熱膨脹會導(dǎo)致機(jī)器偏，經(jīng)過校核該基礎(chǔ)可以滿足承重離心機(jī)組重量和振動系數(shù)要求。

（3）設(shè)計進(jìn)氣管道與排放管道要考慮保證整個管線平穩(wěn)暢通的流動性、最小的壓降和均勻的流速，安裝與啟動之前必須檢查管道是否清潔，任何壓縮機(jī)管道中進(jìn)入異物，都會影響或降低性能，進(jìn)氣管道應(yīng)短而直，管道壓差小于0.3psi，管道均應(yīng)水平安裝，以便管道中的冷凝液從壓縮機(jī)流出。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，東灘礦采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼進(jìn)氣管道，并在進(jìn)氣閥前端安裝不銹鋼軟連接裝置，進(jìn)一步緩解主葉輪受到的振動，從而保護(hù)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

（4）進(jìn)氣過濾器如位于壓縮機(jī)所在廠房之外，則進(jìn)氣罩至少應(yīng)在地面或房頂上方2.4-3m，且距墻邊1.8m。此要求根據(jù)壓風(fēng)機(jī)房現(xiàn)場條件，東灘礦將其放置在壓風(fēng)機(jī)房北側(cè)的風(fēng)包棚下，并在吸氣口側(cè)安裝不銹鋼過濾網(wǎng)，延長空氣濾芯的使用壽命。

（5）進(jìn)氣管道安設(shè)時，從壓縮機(jī)法蘭到長半徑彎管間的水平直管距離至少要有4個管徑長，旁通消音器/管道為8個管徑長。目前我單位安裝的進(jìn)氣管道嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范要求施工，務(wù)必確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

（6）排氣管道的空氣管尺寸要與壓縮機(jī)出口接口尺寸相同，在所有的壓縮機(jī)上都必須裝有短管，以便于壓縮機(jī)部件的拆卸時配管不處在維修通道上，維修時出口管要裝截止閥將壓縮機(jī)隔離，在此管路安裝時，安裝人員或所有者應(yīng)負(fù)責(zé)該設(shè)備機(jī)組的配管及工程質(zhì)量。

（7）水系統(tǒng)管道的設(shè)計必須考慮2.4bar的最小水壓與10bar的最大水壓，無論使用何種冷卻系統(tǒng)，水供應(yīng)管線中均應(yīng)安裝濾網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，水壓可滿足需要，鑒于東灘礦壓縮機(jī)冷卻水系統(tǒng)多年來均采用軟化水，故安裝管線時沒有另行加入濾網(wǎng)。

（8）電氣驅(qū)動的壓縮機(jī)不配備電氣斷開設(shè)備，主線路斷開開關(guān)必須由用戶安裝在輸入管線上?？蛻糌?fù)責(zé)設(shè)計和安裝斷開、過壓、短路與過載保護(hù)裝置。該項目由礦方負(fù)責(zé)實施完成配電柜的安裝工作，確保壓縮機(jī)的安全運行。

2.2 設(shè)備調(diào)試

（1）儀表空氣的配備是英格索蘭離心機(jī)啟動的前提，需配備5.6-6.8bar的穩(wěn)定、干燥、清潔的空氣動力源，該管路須在機(jī)組開機(jī)前配備完畢。

（2）輔助油泵在完成電源接線、儀表空氣配備后即可啟動，為方便于在低溫下啟動和關(guān)閉，離心機(jī)啟動前必須確保輔助油泵的正常運轉(zhuǎn)，始終保持潤滑油加熱器電源處于開的狀態(tài)。

（3）連接控制回路接線，確保高低壓電源的暢通。

（4）聯(lián)接裝置在連接之前必須檢查驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)，使用壓縮機(jī)輪轂外圍上的刻度盤指示器，使變速箱聯(lián)軸節(jié)輪轂與壓縮機(jī)連軸節(jié)輪轂水平對齊。

（5）油溫不低于35℃時，檢查進(jìn)氣閥與旁通閥是否打開，打開排氣管線的隔斷閥，排放冷凝液，按壓控制面板的啟動按鈕。

（6）觀察設(shè)備的油壓、振動及壓縮機(jī)殼的供給油壓，油溫應(yīng)介于40-46℃，供水溫度不高于35℃。

（7）在低油壓、油溫高低、排氣高溫、高振動等情況下，機(jī)組保護(hù)會自動關(guān)機(jī)。

（8）按下壓縮機(jī)停止按鈕，30分鐘后關(guān)閉輔助油泵。

2.3 運轉(zhuǎn)記錄

該運轉(zhuǎn)記錄僅代表C100075MX3EHD型在山東兗礦集團(tuán)東灘煤礦所進(jìn)行的試車報告，室內(nèi)工作，相對濕度≤95%，25℃，地震烈度：7度，水平加速度0.2g，垂直加速度0.1g。記錄報表僅作為該機(jī)型試車參考作為檢修依據(jù)，不具備代表英格索蘭所有機(jī)型的數(shù)據(jù)對比效力，為同等工況條件下的該機(jī)型試車提供理論參考。

（1）儀表設(shè)定

報警跳車報警跳車1級溫度49 52 2級溫度49 52 3級溫度140 150 4級溫度——5級溫度——潤滑油高溫度49 52潤滑油壓力1.24 1.10潤滑油低溫度35 32 1級振動1.06 1.26 2級振動0.90 0.98 3級振動0.90 0.98 4級振動——電機(jī)定子溫度A——5級振動——電機(jī)定子溫度B——電機(jī)定子溫度C——電機(jī)軸承溫度前——電機(jī)軸承溫度后 ——電機(jī)軸承油壓前——電機(jī)軸承油壓后 ——進(jìn)氣閥卸載開度31喘振敏感度9.2啟動時間/慣性運轉(zhuǎn)時間45 240電流互感器比率60冷卻水壓差/溫度1.2 27.2進(jìn)氣/潤滑油過濾器壓差其 他——

（2）開機(jī)記錄

注：表格中未填寫項無需檢測.工程單位：1bar（巴）=0.1MPa（兆帕）1Psi = 0.00689Mpa 1Mpa = 145Psi，其中pounds per square inch，gauge 磅/平方英寸（表壓）1 mils = 0.00254 cm

3 運行中存在問題及完善措施

在東灘礦調(diào)試運行期間，離心式空壓機(jī)設(shè)備存在一些關(guān)鍵性問題，影響設(shè)備啟動和正常運行，結(jié)合現(xiàn)場情況采取有效措施，逐步進(jìn)行改進(jìn)，直到完善該系統(tǒng)，從而滿足生產(chǎn)需要。

（1）進(jìn)氣過濾器自動清潔裝置未正常使用，無法讀取進(jìn)氣過濾器差，一旦進(jìn)氣精度大于2μm，直接影響機(jī)組性能，嚴(yán)重時機(jī)組跳機(jī)。東灘礦及時恢復(fù)了該裝置運行，并在濾清器下方吸氣口安設(shè)濾網(wǎng)等裝置，實現(xiàn)粗過濾，延長空氣濾芯使用壽命。

（2）煤礦安全規(guī)程及技術(shù)協(xié)議均要求該機(jī)組能實現(xiàn)斷油、斷水保護(hù)，目前該機(jī)組無法實現(xiàn)斷水保護(hù)，而斷油保護(hù)是通過斷油后排氣高溫保護(hù)跳機(jī)間接實現(xiàn)的。

（3）在高效換熱器及板式交換器的進(jìn)、出風(fēng)（水）管路上各加裝溫度表，以便監(jiān)測離心機(jī)排出的高溫氣體是否得到冷卻及冷卻水系統(tǒng)是否正常工作。

（4）機(jī)組的冷凝托盤旁通閥位于機(jī)組的底部，檢修時需將其打開，啟動時將其關(guān)閉。但目前該機(jī)組安裝空間狹窄，不利于維護(hù)人員操作該閥，需重新鋪設(shè)兩路軟管，將其引自機(jī)組外側(cè)，減少維護(hù)人員觸碰高溫管路的可能。

（5）儀表氣體（機(jī)組動力氣源）是該離心機(jī)安全運行的所有前提與必要條件。目前采用的風(fēng)源為風(fēng)包內(nèi)壓風(fēng)，無法提供穩(wěn)定的氣源作為密封氣時，會導(dǎo)致輔助油泵停運，嚴(yán)重影響機(jī)組安全。建議從主干管重新鋪設(shè)管路取風(fēng)壓或安設(shè)穩(wěn)定氮氣源。

（6）機(jī)組運行時，高壓意外跳機(jī)是允許的，低壓掉電是嚴(yán)禁出現(xiàn)的，因此建議增加380V不間斷UPS電源，以便在高壓意外停機(jī)時，低壓油泵持續(xù)運行不低于二十分鐘，保護(hù)軸封等關(guān)鍵部位的潤滑及散熱。

（7）排風(fēng)管道目前是DN150普通管路上安裝兩個DN100管路，輸送壓風(fēng)至DN150超管，建議全部改成DN150超管。

（8）排風(fēng)管路上的流量表應(yīng)外接一個二次流量顯示儀，放置在便于抄表位置。

4 效益對比

4.1 能耗對比及效益分析

項目運行模式氣電比預(yù)計年節(jié)能量預(yù)計年節(jié)約備品備件費用kWh/m3 RMB/year RMB/year改造前狀態(tài)4臺60 m3/min，2臺40m3/min螺桿機(jī)0.1328改造后狀態(tài)1臺218m3/min英格索蘭離心式壓縮機(jī)0.0955 309萬40萬備注：1.螺桿機(jī)氣電比計算采用東灘煤礦實測數(shù)據(jù)。2.離心機(jī)氣電比計算采用英格索蘭現(xiàn)有客戶實測數(shù)據(jù)，并增加冷卻水泵功率（40kW）修正。3.離心機(jī)氣量參數(shù)采用在保證排氣壓力在6.5bar（g）時，機(jī)組排氣量為218m3/ min（春冬季：進(jìn)氣溫度10℃，夏秋季：進(jìn)氣溫度32℃）。4.備品備件費用以現(xiàn)東灘煤礦每年120萬備件費用，降低到50萬每年。5.年預(yù)計節(jié)能量計算公式：（0.1328-0.0955）kWh/ m3*8600h*217 m3/ min*60min/h*0.74RMB/kWh以上計算值采用全年平均值。

4.2 熱回收系統(tǒng)

離心機(jī)余熱系統(tǒng)包括機(jī)組內(nèi)部改造、離心機(jī)專用熱回收組塊及管路并網(wǎng)安裝三個組成部分，循環(huán)水在離心機(jī)的高效換熱器內(nèi)進(jìn)行第一次熱交換，使壓縮空氣從122℃降至35℃左右，被加熱的循環(huán)水通過密閉管道在礦澡堂處進(jìn)行二次熱交換，熱水供職工洗浴，冷水回流至高效換熱器，反復(fù)循環(huán)。

（1）機(jī)組內(nèi)部改造：C1000型離心機(jī)出廠設(shè)置為三級冷卻系統(tǒng)，分別對分級壓縮的空氣進(jìn)行水冷，其中大部分的熱量集中在第三級冷卻器中，為回收利用該熱量，對機(jī)組進(jìn)行改造將第三級冷卻器拆除，在機(jī)組外側(cè)加裝一臺高效換熱器，通過水、氣的熱交換回收利用該熱能。

（2）專用熱回收組塊：該組塊主要包括進(jìn)水溫度控制、高溫水熱交換板、打壓泵等設(shè)備，確保熱能的高效回收。

（3）管路并網(wǎng)：當(dāng)熱回收循環(huán)水系統(tǒng)意外停機(jī)時，離心機(jī)排出的高溫氣體會直接進(jìn)入管網(wǎng)，嚴(yán)重影響供風(fēng)系統(tǒng)的安全運行，因此增設(shè)一套內(nèi)循環(huán)（來自壓風(fēng)機(jī)房冷卻水）冷卻水系統(tǒng)，以便當(dāng)外循環(huán)（來自熱回收循環(huán)水）系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修時，不影響離心機(jī)的正常供風(fēng)。

5 結(jié)語

通過增設(shè)一臺高效離心式空壓機(jī)，確保了礦井滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)時的供風(fēng)需求。選用低噪音異步電動機(jī)，配置聯(lián)軸器與大齒輪直接連接，確保了高效平穩(wěn)安全運行。配備了國內(nèi)領(lǐng)先的熱回收設(shè)備，高效換熱器290m2使出風(fēng)溫度降至35℃，熱量回收用于供職工澡堂淋浴水加熱。同時氣電比由0.1328降至0.0955kWh/m3，每年節(jié)約電能309萬元，節(jié)約備件費用40萬元，同時確保了礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行，在同類型礦井中具有推廣價值。