空壓機(jī)能量回收系統(tǒng)簡(jiǎn)介

唐超（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上?！?00040）

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空壓機(jī)能量回收系統(tǒng)簡(jiǎn)介

唐超
（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200040）

【摘 要】簡(jiǎn)單地介紹了空氣壓縮機(jī)的分類(lèi)，對(duì)最常用的兩種空氣壓縮機(jī)（螺桿式和離心式）進(jìn)行熱量的分析，并根據(jù)生產(chǎn)廠家的設(shè)備樣本舉例計(jì)算，總結(jié)其能耗情況；介紹空氣壓縮機(jī)熱量回收的原理以及應(yīng)用，闡述其優(yōu)缺點(diǎn)；最終結(jié)合2014年設(shè)計(jì)完成的具體案例，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目中的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行分析，主要對(duì)余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和回報(bào)周期進(jìn)行計(jì)算并得出結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】空壓站節(jié)能壓縮熱余熱回收

1　概述

在工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的今天，壓縮空氣以它安全、清潔、應(yīng)用方便等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)中，成為了名副其實(shí)的第二大動(dòng)力源，所有制造型工廠都或多或少在使用著這一動(dòng)力源。作為產(chǎn)生壓縮空氣的主要設(shè)備，各種各樣形式的空氣壓縮機(jī)都被應(yīng)用到各種工廠，它的電耗平均約占企業(yè)總能源消耗的10～30%?？諝鈮嚎s機(jī)輸入功率中的大部分被轉(zhuǎn)化成了熱能，并伴隨冷卻器排到周?chē)沫h(huán)境中。所以，壓縮空氣系統(tǒng)成了工業(yè)企業(yè)中重要的節(jié)能對(duì)象。

2　空氣壓縮機(jī)的分類(lèi)

空壓機(jī)主要是以其壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式可分為二類(lèi)，分別為動(dòng)力式和位移式，而位移式根據(jù)其運(yùn)動(dòng)形式可細(xì)分為旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式。動(dòng)力式可分為：噴射式，離行式，軸流式等；旋轉(zhuǎn)式可分為：滑片式，液環(huán)式，螺桿式，羅茨式等；往復(fù)式可分為直連式，十字頭式，活塞式，迷宮式和膜片式等，見(jiàn)圖1。

圖1　空氣壓縮機(jī)的形式

實(shí)際工程中，比較常見(jiàn)的只有二種，即螺桿式和離心式，見(jiàn)圖2。螺桿式一般運(yùn)用在15-750KW機(jī)組中，離心式一般運(yùn)用在560KW以上的機(jī)組。實(shí)際工程中的熱回收也主要是針對(duì)這兩種機(jī)型展開(kāi)。

圖2　螺桿式和離心式的結(jié)構(gòu)

3　空壓機(jī)生產(chǎn)中的熱量分析

對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)而言，可近似把它看成是一臺(tái)電加熱器，因?yàn)槠湓趬嚎s空氣的過(guò)程中，幾乎將所有的電能將轉(zhuǎn)換成熱能，這些熱能的產(chǎn)生會(huì)影響空壓機(jī)的正常使用壽命和運(yùn)行質(zhì)量，所以，為了保證空壓機(jī)能夠正常運(yùn)行，需要給空壓機(jī)安裝良好的散熱系統(tǒng)，來(lái)確保空壓機(jī)的正常、安全運(yùn)行。上述環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱能不但沒(méi)有被有效地利用，還需要增加額外的系統(tǒng)來(lái)幫助冷卻，并消耗更多的能量。

我們就以最常見(jiàn)的螺桿式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)為例，螺桿式空壓機(jī)組通常分為噴油螺桿和無(wú)油螺桿兩種，噴油螺桿的主要冷卻介質(zhì)為油，通過(guò)潤(rùn)滑油降低核心轉(zhuǎn)子和空氣的溫度，工作原理見(jiàn)圖3。無(wú)油螺桿的冷卻方式更接近于離心機(jī)，主要冷卻介質(zhì)為水，工作原理見(jiàn)圖4。

以某廠家提供的空壓機(jī)樣本為例，進(jìn)行計(jì)算：

舉例1（ZA5G-300無(wú)后冷卻的空壓機(jī)參數(shù)）：（圖5）

空氣密度為1.293 kg/m3

空氣比熱為0.24 Kcal/Kg≈1005 J/Kg.K

該空壓機(jī)壓縮的空氣重量為：1062*3.6*1.29/1000=4.932噸/小時(shí)

表1　某項(xiàng)目投資估算表

空氣的溫升：197-20=177℃

空氣的熱量=4.932*177*1005/3600=244 KW

熱效率244/315*100%=77.46%

即：有77.46%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，并且最終將會(huì)被冷卻。

舉例2（GA160W噴油螺桿空壓機(jī)）（圖6）

空氣比熱為0.24 Kcal/Kg≈1005 J/Kg.K

潤(rùn)滑油密度為0.875 kg/L

潤(rùn)滑油比熱為2030 J/Kg.K

此空壓機(jī)所壓縮的空氣重：475X3.6X1.29/1000=2.21噸/小時(shí)

壓縮空氣的溫升為80-20=60K

壓縮空氣側(cè)的熱量為2.21X60X1005/3600=37 KW

潤(rùn)滑油重量為2.53X3.6X875/1000=7.97噸/小時(shí)

潤(rùn)滑油溫升為80-53=27 k

潤(rùn)滑油側(cè)的熱量為 7.97X27X2030/3600=121.4 KW

本臺(tái)設(shè)備的總的熱量為：37+121.4 KW=158.4 KW

熱效率 158.4/160*100%=99%

即：有99%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，并且最終將會(huì)被冷卻。

以上計(jì)算表明，在空壓機(jī)壓縮過(guò)程消耗的所有電能，絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能，需要通過(guò)冷卻水或者通風(fēng)將氣流帶入大氣中成為廢熱。那就可以簡(jiǎn)單的描述為：空氣壓縮機(jī)的主要產(chǎn)物是熱，副產(chǎn)物才是壓縮空氣，而我們正常生產(chǎn)和生活中只運(yùn)用到了他的副產(chǎn)物。

圖3　噴油螺桿式空壓機(jī)工作原理示意圖

圖4　無(wú)油螺桿式空壓機(jī)工作原理示意圖

圖5　

圖6　

4　空壓機(jī)熱量回收系統(tǒng)及應(yīng)用

在當(dāng)今節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)下，空氣壓縮系統(tǒng)的這種粗放用能形式已無(wú)法滿足社會(huì)的要求。我們?cè)僭O(shè)計(jì)壓縮空氣站房時(shí)，增加空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)應(yīng)該成為一種常規(guī)模式，即需要增設(shè)一套油-水熱交換模塊，把空壓機(jī)的冷卻油管道與外部管道及連接件相連，置換出油系統(tǒng)中的熱量，并用于生活用熱水，淋浴用熱水，空調(diào)采暖熱源，鍋爐給水預(yù)熱，軟水或純水加熱等，空壓機(jī)散熱原理及余熱回收原理見(jiàn)圖7、8。

圖7　空壓機(jī)散熱原理圖

圖8　空壓機(jī)余熱回收原理圖

空壓機(jī)的余熱回收系統(tǒng)，不僅能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）運(yùn)行可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。離心式和螺桿式空壓機(jī)增加余熱回收系統(tǒng)后，空壓機(jī)自身的運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)完全不會(huì)被影響。

（2）延長(zhǎng)了空壓機(jī)的使用壽命。傳統(tǒng)空壓機(jī)冷卻油系統(tǒng)的工作溫度約為80-90℃，有系統(tǒng)工作溫度的降低，減少了機(jī)器出現(xiàn)使用故障的幾率，變向延長(zhǎng)了機(jī)器的使用壽命，增加了油系統(tǒng)各部件（如：機(jī)油、機(jī)油隔、油/氣分離器等）的更換時(shí)限，同時(shí)降低了維修的成本，并相應(yīng)的也就延長(zhǎng)了設(shè)備的更換期限。

（3）方便、衛(wèi)生、安全。傳統(tǒng)螺桿式和離心式空壓機(jī)的余熱回收系統(tǒng)與燃?xì)馊加湾仩t相比，具有無(wú)污染、無(wú)黑煙、無(wú)二氧化硫、無(wú)一氧化碳、無(wú)噪音的優(yōu)勢(shì)。一旦空壓機(jī)和余熱回收系統(tǒng)安裝并投入正常使用，工廠的員工和行政人員就可以隨時(shí)有熱水使用，無(wú)需定時(shí)定量專(zhuān)門(mén)制備和供應(yīng)，為企業(yè)帶來(lái)更大收益和社會(huì)效益。

5　實(shí)際工程中的余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

南京依維柯項(xiàng)目中，空壓站內(nèi)采用了4臺(tái)150m3/h離行式空壓

············

機(jī)，2臺(tái)43m3/h和1臺(tái)51m3/h的噴油螺桿式空壓機(jī)組。其中，螺桿式機(jī)組采用了余熱回收系統(tǒng)，以此項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。

5.1熱回收量分析

43m3/h空壓機(jī)耗電量為250KW，51m3/h空壓機(jī)耗電量為315KW，按其可回收熱量為軸功率的50%，加載量按75%計(jì)算，可回收熱功率：

W=（250*2+315）kW×75%×50%=305.63kW

查《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》，南京地區(qū)冬季自來(lái)水溫按5℃計(jì)算，加熱至60℃，回收的熱功率可加熱水量L：

L=305.63kW×860÷1000÷（60-5）℃≈4.78m3/h

用空壓機(jī)余熱回收，即冬季冷水溫度按5℃計(jì)算時(shí)，8h可加熱約38.24噸熱水。

夏季冷水溫度按15℃計(jì)算。

L=305.63kW×860÷1000÷（60-15）℃≈5.84m3/h

即夏季冷水溫度按15℃計(jì)算時(shí)，8h可加熱約46.72噸熱水。

按每天工作20小時(shí)計(jì)算，可回收熱量為：

305.63kW×20h=6112.6kWh。約523.94萬(wàn)kcal。

全年工作時(shí)間按300天考慮，全年回收熱量為：

523.94萬(wàn)kcal×300=157182萬(wàn)kcal

每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用為：

天然氣熱值為約9227kcal/m3，按每立方4.2元計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用為：

157182萬(wàn)kcal÷9227 kcal/m3×4.2元/m3=71.54萬(wàn)元。

節(jié)約折算標(biāo)煤約為：

6112.6kWh×300×3噸標(biāo)煤/萬(wàn)kWh=550噸標(biāo)煤

5.2投資估算（見(jiàn)表1）

6　結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)，螺桿式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)的余熱回收系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都是成熟的。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用既可以回收空壓機(jī)釋放出的廢熱從而降低了冷卻水的溫度，提高空壓機(jī)的穩(wěn)定性，又可以提供熱水。同時(shí)，從企業(yè)的運(yùn)行費(fèi)用角度來(lái)說(shuō)也是一種節(jié)約，企業(yè)能源消耗總量角度上也是一種節(jié)約。

但是余熱回收系統(tǒng)也有不足之處，由于制備出來(lái)的熱水溫度約為50℃，倘若運(yùn)行不夠穩(wěn)定，溫度可能會(huì)更低，所以有時(shí)需要借助熱泵機(jī)組，而較低的熱水溫度在平時(shí)的生活運(yùn)用上會(huì)受到限制。大型企業(yè)或者公司的大型空壓站制備出來(lái)的熱水可能會(huì)無(wú)法用掉，最終自然冷卻有變成常溫?zé)崴?/p>

總而言之，螺桿式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)的余熱回收技術(shù)，既節(jié)約了企業(yè)用能，又改善了環(huán)境，還提高了設(shè)備本身的使用壽命，是一項(xiàng)成熟的、一舉多得的節(jié)能技術(shù)，需要大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］廉樂(lè)明等.工程熱力學(xué).第四版，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］徐明等.壓縮空氣站設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［3］《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》.GB50015-2003.

［4］《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》.GB50029-2014.