空壓機(jī)余熱回收自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

夏明祥

摘 要

本文作者根據(jù)自己多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)空壓機(jī)余熱回收自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用展開(kāi)了闡述，分析了空壓機(jī)余熱回收自動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)用性和科學(xué)性。

【關(guān)鍵詞】空壓機(jī)余熱回收；自動(dòng)控制技術(shù)；應(yīng)用

1 工程背景

空氣壓縮機(jī)是利用電能將空氣壓縮使之作為一種動(dòng)力源的設(shè)備，在工礦企業(yè)中應(yīng)用十分普遍， 配套電動(dòng)機(jī)的容量一般較大，且大多是常年連續(xù)運(yùn)行的，故節(jié)能的潛力很大。

目前常見(jiàn)的壓縮機(jī)有活塞式、螺桿式、離心式，不論哪一種工作方式，壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量是一定的，目前壓縮機(jī)都采用上下限控制或啟停式控制，也就是說(shuō)，當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值的上限時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)本身的壓力或油壓控制進(jìn)氣閥，這種工作方式頻繁出現(xiàn)加載卸載，而且對(duì)電網(wǎng)、螺桿空壓機(jī)本身都有極大的破壞性。

現(xiàn)針對(duì)其進(jìn)行余熱回收改造，通過(guò)熱能回收機(jī)進(jìn)行熱能回收，用于公司員工洗浴熱水。本項(xiàng)工程不但減少了空壓機(jī)原有風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)能耗，而且大大降低了企業(yè)為解決員工生活熱水等長(zhǎng)期所承受的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還減少了廠區(qū)二氧化碳的排放量，可謂一舉三得。

2 技術(shù)方案

一是空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)基本原理；二是空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)原理。

螺桿式空壓機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)工作過(guò)程中，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，在機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能過(guò)程中，空氣得到強(qiáng)烈的高壓壓縮，使之溫度驟升，這是普通物理學(xué)機(jī)械能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，機(jī)械螺桿的高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也摩擦發(fā)熱，這些產(chǎn)生的高熱由空壓機(jī)潤(rùn)滑油的加入混合成油、氣、蒸汽排出機(jī)體，這部分高溫油/氣流的熱量相當(dāng)于空壓機(jī)輸入功率的3/4，它的溫度通常在80℃（冬季）～95℃（夏秋季），這些熱能都由于機(jī)器運(yùn)行溫度的要求，都被無(wú)端地廢棄排往大氣中，即空壓機(jī)的散熱系統(tǒng)來(lái)完成機(jī)器運(yùn)行的溫度要求。螺桿空氣壓縮機(jī)余熱再利用裝置并非簡(jiǎn)單和傳統(tǒng)的冷熱交換形式，采用同程截流式反串使冷熱交換效果大增到1.8-2.0倍。產(chǎn)出的熱水可提供生產(chǎn)車(chē)間員工生活用水。

3 余熱回收控制過(guò)程

空壓機(jī)原有冷卻系統(tǒng)與余熱利用技術(shù)是兩套完全獨(dú)立的系統(tǒng)，使用無(wú)須擔(dān)心由于系統(tǒng)的原因而影響空壓機(jī)的運(yùn)行。

當(dāng)熱交換機(jī)開(kāi)啟時(shí)，空壓機(jī)依靠余熱回收系統(tǒng)及自帶風(fēng)冷散熱，余熱回收只是吸收空壓機(jī)的多余熱量，空壓機(jī)的運(yùn)行溫度保持在85度左右；

當(dāng)熱交換機(jī)沒(méi)開(kāi)啟時(shí)，空壓機(jī)依靠自帶散熱系統(tǒng)散熱；（兩套系統(tǒng)的切換由電磁閥控制，當(dāng)空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)或者不需要產(chǎn)生熱水的時(shí)候，電磁閥就會(huì)切斷余熱交換機(jī)組的冷水供水，空壓機(jī)原來(lái)的冷卻系統(tǒng)正常散熱（當(dāng)空壓機(jī)停止工作時(shí)，進(jìn)油溫度會(huì)迅速下降，熱交換機(jī)通過(guò)迅速下降的油溫來(lái)回饋信號(hào)給熱交換機(jī)PLC，讓熱交換機(jī)停止工作，防止冷水進(jìn)入管道。）；當(dāng)空壓機(jī)再次開(kāi)啟（根據(jù)進(jìn)油溫度的變化控制熱交換機(jī)的開(kāi)啟），或者需要補(bǔ)充熱水的時(shí)候（通過(guò)液位儀來(lái)給信號(hào)給熱交換機(jī)PLC），電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟，冷水繼續(xù)進(jìn)入余熱交換機(jī)組進(jìn)行加熱），在余熱利用系統(tǒng)未啟用時(shí)，空壓機(jī)使用機(jī)身自帶冷卻系統(tǒng)；當(dāng)余熱利用系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電磁閥自動(dòng)切換至余熱利用系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷，空壓機(jī)原有冷卻系統(tǒng)照常工作。 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)與空壓機(jī)的油管連接并沒(méi)有改變空壓機(jī)本身的結(jié)構(gòu)，并不會(huì)對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行造成影響。

4 設(shè)備配置清單

序號(hào) 品名 規(guī)格 單位

1 控制系統(tǒng) -- 1

2 熱交換機(jī) 250KW適用 4

3 水處理設(shè)備 — 1

4 不銹鋼水箱 100T 1

5 立式泵 -- 6

6 運(yùn)輸安裝調(diào)試

（輔材） -- --

5 空壓機(jī)余熱再利用熱水工程的優(yōu)點(diǎn)

a.簡(jiǎn)潔、可靠、安全、維護(hù)少

采用低阻技術(shù)設(shè)計(jì)的空壓機(jī)熱能回收器極大地保證了空壓機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，安裝前后空壓機(jī)系統(tǒng)的阻力幾乎沒(méi)有增加。簡(jiǎn)潔、可靠的熱能回收系統(tǒng)，讓你免除后顧之憂(yōu)。安裝余熱回收系統(tǒng)后，空壓機(jī)控制系統(tǒng)不變，工作性能不變，操作維修方式不變。余熱回收系統(tǒng)如有任何故障，甚至余熱回收系統(tǒng)停水、停用時(shí)，原空壓機(jī)系統(tǒng)不用停機(jī)切換即可照常運(yùn)行。

b.全優(yōu)設(shè)計(jì)、高效節(jié)能，余熱回收效率高

空壓機(jī)余熱回收設(shè)備具有獨(dú)特、新穎、高效的特點(diǎn)，安裝空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)后，空壓機(jī)的冷卻風(fēng)扇可以完全停轉(zhuǎn)，而空壓機(jī)可以在工作溫度較原來(lái)低的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，冷干機(jī)的負(fù)荷可以降低，除水效果更好。

實(shí)際上，由于油管、油氣桶沒(méi)作保溫處理，他們會(huì)將5%左右的熱能散發(fā)到周?chē)h(huán)境。對(duì)于油氣余熱雙回收型熱能回收系統(tǒng)，實(shí)際能達(dá)到的余熱回收效率為空壓機(jī)有效功率的95%。對(duì)于單油型余熱回收系統(tǒng)，實(shí)際能達(dá)到的余熱回收效率為空壓機(jī)有效功率的70%。

c.冷水直熱、智能控制

采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的直熱方式：可以將5℃冷水直熱到70℃，溫升達(dá)到65℃，而空壓機(jī)出口溫度正常穩(wěn)定運(yùn)行在75～90℃合理范圍之內(nèi)。

余熱回收器的出水溫度可根據(jù)用戶(hù)的需要設(shè)定調(diào)節(jié)，設(shè)定好后，可保持出水溫度恒定。

d.根據(jù)保溫水箱溫度高低，冷、熱水循環(huán)自動(dòng)控制，水位高低自動(dòng)控制。

降低空壓機(jī)溫度，延長(zhǎng)空壓機(jī)零部件的使用壽命：

安裝空壓機(jī)余熱回收設(shè)備后，可顯著降低空壓機(jī)排氣溫度，有效改善空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，減少了機(jī)器故障，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，增大了機(jī)油、機(jī)油過(guò)濾器、油氣分離器更換時(shí)限，降低了維護(hù)成本。

e.智能控制風(fēng)扇開(kāi)停，余熱回收最大化

余熱回收系統(tǒng)通過(guò)油溫控制空壓機(jī)冷卻風(fēng)扇（或者冷卻塔、冷卻水泵）開(kāi)停，可以最大限度回收空壓機(jī)余熱。同時(shí)，由于空壓機(jī)冷卻風(fēng)扇停用，可節(jié)約冷卻風(fēng)扇用電1.1-5kW。

f.零運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著

余熱回收設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中只需要控制用電，不需要任何其它費(fèi)用，并且還可提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)省空壓機(jī)冷卻風(fēng)扇用電。

6 工程投資方案比較

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)得知空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率（加載）空壓機(jī)加載功率=1.732×10kV×13.8A=239kW

高溫油的熱量相當(dāng)于空壓機(jī)輸入功率的3/4即179kW

1kwh=1000*3600J=3 600 000 J=3600kJ

1J=0.239cal

則一臺(tái)250KW空壓機(jī)每小時(shí)浪費(fèi)的熱量為：179*3600000*0.239=154011.6 kcal

一年浪費(fèi)的熱量為：154011.6*24*365=1349141616 kcal

單臺(tái)250kW空氣壓縮機(jī)配套熱能轉(zhuǎn)換機(jī)采用單油回收系統(tǒng)（熱量回收70%）：

春季進(jìn)水溫度為10℃，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)每小時(shí)產(chǎn)生55℃熱水為2.4噸左右；

夏季進(jìn)水溫度為30℃，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)每小時(shí)產(chǎn)生55℃熱水為4.3噸左右；

秋季進(jìn)水溫度為20℃，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)每小時(shí)產(chǎn)生55℃熱水為3.1噸左右；

冬季進(jìn)水溫度為5℃，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)每小時(shí)產(chǎn)生55℃熱水為2..1噸左右；

根據(jù)公司實(shí)際需要洗浴的人數(shù)800人計(jì)算，按照每人每天洗浴及其他生活用熱水100L計(jì)算，每天實(shí)際消耗熱水80噸?？諌簷C(jī)運(yùn)行溫度75～90℃之間，不會(huì)影響空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，只是吸收多余的熱量。洗浴熱水溫度為40-45℃，考慮管道損失，熱交換機(jī)出水可設(shè)定為55℃左右?？諌赫九赃呅柙黾右粋€(gè)50～100m3保溫水箱。根據(jù)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)使用工況，單臺(tái)250KW空壓機(jī)冬天產(chǎn)55℃熱水為2.1噸。按照實(shí)際加載20小時(shí)計(jì)算，單臺(tái)設(shè)備每天最低可產(chǎn)生熱水42噸?？紤]客戶(hù)備用機(jī)，以改造四臺(tái)設(shè)備為宜。浴室冬天供暖，考慮需要循環(huán)水，需要單獨(dú)改造一臺(tái)設(shè)備供供暖使用，供暖采用循環(huán)水系統(tǒng)。讓浴室供暖用熱水與空壓機(jī)余熱交換機(jī)持續(xù)循環(huán)，浴室內(nèi)循環(huán)水溫度不低于60℃。

綜上，改裝四套空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)用來(lái)代替鍋爐，以滿(mǎn)足日常生活熱水使用的需求，兩套用來(lái)制取熱水，一套用來(lái)浴室的保暖，一套作為備用。四套空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)用來(lái)代替鍋爐，以滿(mǎn)足日常生產(chǎn)熱水使用的需求，兩套用來(lái)制取熱水，一套用來(lái)浴室的保暖，一套作為備用。公司鍋爐外包年耗費(fèi)43萬(wàn)元，新上余熱回收系統(tǒng)能夠替代鍋爐，年節(jié)約費(fèi)用約43萬(wàn)元。

工程改造設(shè)備一次性投資約70萬(wàn)，安裝費(fèi)10萬(wàn)。預(yù)計(jì)兩年回收成本。

7 經(jīng)濟(jì)及節(jié)能效果估算

空壓機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，約占其消耗的電能的80%左右，具有很大的回收利用價(jià)值。本項(xiàng)目空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)選用42m3/min螺桿空壓機(jī)4臺(tái)。正常情況下42m3/min三臺(tái)工作，一臺(tái)備用。其每年的產(chǎn)熱量相當(dāng)于288×104kW.h的電能，空壓機(jī)產(chǎn)生的廢熱綜合利用，回收熱能年折標(biāo)煤67t。每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為43萬(wàn)元。

作者單位

安徽省廬江龍橋礦業(yè)有限公司機(jī)械動(dòng)力部 安徽省廬江縣 231500