空壓機(jī)余熱回收改造分析與應(yīng)用

周 靜 成 強(qiáng)

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

空壓機(jī)是能耗比較大的動(dòng)力設(shè)備之一，一般空壓機(jī)的輸入功率除了部分變成了壓縮空氣的勢(shì)能以外，其它也有一部分的能量以廢熱的形式被排放到空氣中浪費(fèi)掉。同時(shí)，為降低空壓機(jī)的油溫，還需要消耗電能開動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)來降低油溫，以保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行。充分利用這些浪費(fèi)的熱能有利于節(jié)能減排，降低工廠的運(yùn)營成本，同時(shí)可改善空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高產(chǎn)氣量，節(jié)約空壓機(jī)的耗電費(fèi)用。在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%～35%[1]。因此，利用這一浪費(fèi)的能源，已成為越來越多企業(yè)的共識(shí)。

通常安裝熱回收系統(tǒng)后，可使空壓機(jī)的排氣溫度降低10～15℃，產(chǎn)氣量提高4%～5%。生產(chǎn)同樣的壓縮空氣，可以節(jié)約4%～5%的輸入功率。 對(duì)風(fēng)冷空壓機(jī)可以減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，在提高產(chǎn)氣量的同時(shí)因減少了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，降低了風(fēng)機(jī)的電消耗。對(duì)水冷空壓機(jī)可以減少冷卻水用水量，減少冷卻機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，降低了冷卻機(jī)的電消耗。在改善了空壓機(jī)運(yùn)行狀況的同時(shí)，也提高了產(chǎn)氣量所帶來的節(jié)能效益，由此而產(chǎn)生的節(jié)碳效益是非常可觀的。 通過以上分析，空壓機(jī)熱能利用的潛力也是相當(dāng)可觀的。

1 CHR空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)產(chǎn)品介紹及工作原理

1.1 產(chǎn)品特點(diǎn)介紹

空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)是通過空壓機(jī)內(nèi)部改造，增加熱能回收器，將空壓機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量熱量，通過CHR高效熱能回收器進(jìn)行回收利用，將回收的熱量加熱水，從而用于生活、生產(chǎn)。該方式實(shí)現(xiàn)廢熱循環(huán)利用，有利于節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，同時(shí)可降低企業(yè)消耗成本。

復(fù)盛CHR高效熱能回收換熱器，采用低阻力、高效率、高導(dǎo)熱性技術(shù)設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、阻力小、導(dǎo)熱性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)該換熱器采用不銹鋼板材，具有耐腐蝕、耐高溫、耐高壓等性能，極大地保障熱能回收器效率，同時(shí)保證了空壓機(jī)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。顯示部分采用高分辨率液晶屏控制器，人機(jī)界面友好，操作方便，具備虛擬化的按鈕以及眾多可設(shè)置和顯示的參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)顯示熱回收系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況。根據(jù)實(shí)際需求，可采用大尺寸的彩色液晶屏，可增加熱回收系統(tǒng)的流程監(jiān)控演示畫面以及備用的手動(dòng)控制按鈕。

1.2 采用智能化控制

（1） 循環(huán)式控制邏輯

按下啟動(dòng)鍵，熱回收機(jī)運(yùn)行，空壓機(jī)油溫到達(dá)此設(shè)備啟動(dòng)溫度，水泵啟動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；空壓機(jī)油溫降到所設(shè)置的停止溫度，水泵停止，系統(tǒng)處于自動(dòng)待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)空壓機(jī)油溫再次到達(dá)此設(shè)備啟動(dòng)溫度，水泵再次啟動(dòng)。當(dāng)循環(huán)水箱的水到達(dá)設(shè)定的上位時(shí)，供水電磁閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，即停止供水，達(dá)到設(shè)定的水溫上限后，循環(huán)水箱的熱水會(huì)自動(dòng)送到用戶端的保溫水箱內(nèi)。

風(fēng)機(jī)： 油溫到達(dá)設(shè)定啟動(dòng)值開，低于設(shè)定停機(jī)值關(guān)；過載停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

補(bǔ)水閥： 水位低于低水位開或者熱水泵停機(jī)狀態(tài)低于中水位開，到達(dá)高水位關(guān)。

循環(huán)泵：水溫低于設(shè)定值且低水位有水開，水溫高或者低水位無水關(guān)；過載停止循環(huán)泵運(yùn)行。

送水泵：水溫高于設(shè)定值且中水位有水且儲(chǔ)水箱未滿開，到中水位無水或者儲(chǔ)水箱滿關(guān)；過載停止熱水泵運(yùn)行。

（2）直熱式控制邏輯

按下啟動(dòng)鍵，熱回收機(jī)運(yùn)行，空壓機(jī)油溫到達(dá)此設(shè)備啟動(dòng)溫度，水泵啟動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；空壓機(jī)油溫到達(dá)此設(shè)備停止溫度，水泵停止，系統(tǒng)自動(dòng)待機(jī)，當(dāng)空壓機(jī)油溫再次到達(dá)此設(shè)備啟動(dòng)溫度，水泵再次啟動(dòng)。熱回收機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)客戶設(shè)定熱回收機(jī)出水溫度要求，恒定溫度通過PID調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)出水恒溫控制。

（3）智能PLC控制邏輯

滿足以上熱回收控制功能，可根據(jù)客戶要求控制熱回收與水箱或原來水路系統(tǒng)控制。當(dāng)用戶端保溫水箱內(nèi)的熱水溫度低至用戶設(shè)置要求時(shí)，回水閥會(huì)自動(dòng)打開，使未達(dá)到用戶要求的熱水繼續(xù)回到熱回收機(jī)加熱，從而達(dá)到節(jié)約水能的效果，完全智能化。

1.3 CHR 空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)工作原理

CHR 空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示，空壓機(jī)開機(jī)油氣混合物進(jìn)入油氣桶，油氣桶油氣分離后潤滑油由于溫度低直接回到主機(jī)。當(dāng)空壓機(jī)油溫升高，溫控閥打開，熱油進(jìn)入熱回收機(jī)，經(jīng)過熱量回收后，油出來經(jīng)過第二個(gè)溫控閥到主機(jī)。當(dāng)熱回收機(jī)熱水達(dá)到設(shè)定溫度，出油溫升高，第二個(gè)溫控閥打開，熱油進(jìn)入空壓機(jī)原來冷卻器冷卻，經(jīng)過冷卻后到主機(jī)。當(dāng)熱回收機(jī)檢測(cè)到油溫達(dá)到設(shè)定溫度，熱回收機(jī)水泵工作，冷水進(jìn)入熱回收機(jī)，通過冷熱交換，熱水從熱回收機(jī)出來，進(jìn)入循環(huán)水箱。

圖1 CHR 空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)工作原理示意圖

2 CHR空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)節(jié)能效果分析

2.1 CHR 空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)熱回收效率

CHR熱能回收器，具有高效的回收效率，由于油管、油氣桶未經(jīng)保溫處理，它們會(huì)將5%左右的熱能散發(fā)到周圍環(huán)境。對(duì)于油氣余熱雙回收型熱能回收器，實(shí)際能達(dá)到的熱回收效率為空壓機(jī)有效功率的95%。對(duì)于單油型余熱回收器，實(shí)際能達(dá)到的熱回收效率為空壓機(jī)有效功率的73%見圖2，余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行過程中只需要控制用電，因此不需要任何費(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。

圖2 CHR熱能回收器熱回收效率

2.2 CHR 空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)節(jié)能效果分析

（1）空壓機(jī)熱回收器與其他加熱方式性能比較分析

以在相同條件下對(duì)1 000 kg生活用水進(jìn)行加熱（溫升40℃）作為比較，對(duì)各種加熱方式進(jìn)行性能比較分析見表1。能源價(jià)格按：民用電費(fèi)：0.67元/kWh，商用平均電費(fèi)：0.80元/kWh，柴油：6.00元/L，天然氣：3.6元/m3。設(shè)在相同條件下對(duì)1 000 kg生活用水進(jìn)行加熱，水溫從15℃升至55℃，升高40℃。加熱熱水所需熱量：1 000 kg×40℃×1 Kcal/kg·℃=40 000 Kcal

從表1可以看出：空壓機(jī)熱能回收器相對(duì)于太陽能熱水器、熱泵熱水器有投資低、無運(yùn)行費(fèi)用、不受天氣影響的優(yōu)勢(shì)；相對(duì)于燃油鍋爐，更有環(huán)保、安全可靠的優(yōu)勢(shì)。因此，空壓機(jī)熱能回收器不僅能夠節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境，更能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

由于采用了復(fù)盛公司余熱回收換熱器高效、低阻技術(shù)，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，極大的保障了空壓機(jī)的安全運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，熱能回收器自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，熱能回收器也停止運(yùn)行。

（2）空壓機(jī)熱回收器節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

我們對(duì)客戶現(xiàn)場(chǎng)2臺(tái)55 kW的空壓機(jī)進(jìn)行了調(diào)研和分析，目前現(xiàn)場(chǎng)用2臺(tái)SA55 A復(fù)盛微油螺桿機(jī)空壓機(jī)提供系統(tǒng)供氣，需求是通過空壓機(jī)熱能回收產(chǎn)生熱水，全天24小時(shí)滿足員工生活用水需求；還可以為工廠辦公室取暖，減少燃?xì)忮仩t加熱時(shí)間，減少使用費(fèi)用，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)達(dá)到企業(yè)節(jié)能減排任務(wù)。

如果客戶現(xiàn)場(chǎng)采用天然氣鍋爐加熱方式為工廠辦公室取暖及員工生活提供熱水，1 t水加熱溫升40℃需要5.68 m3天然氣，毎立方天然氣8 000 Kcal熱量，1 t水溫升1℃需要1 000 Kcal，溫升60 ℃，需要60 000 Kcal。根據(jù)計(jì)算：假如某公司員工洗澡每天需要熱水30 t左右，按照常溫水5 ℃加溫到65℃，溫升60℃，使用天然氣加熱1 t水溫升60℃需要7.5 m3天然氣，目前，工業(yè)用天然氣價(jià)格為3.6元/ m3；每天耗氣量為：30 t×7.5×3.6=540元/d，燃?xì)赓M(fèi)用810元/d，平均每月約用氣費(fèi)用20250元/月。全年300天使用天然氣費(fèi)用24.3萬元/a，冬季還會(huì)增加。這只是員工生活用水費(fèi)用。

按照空壓機(jī)的運(yùn)行情況，配置熱能回收的熱機(jī)利用效率在通常85%左右，我們估計(jì)效率保守為73%，每天合計(jì)運(yùn)行110 kW（2臺(tái)55 kW）,平均加載95%計(jì)算。

表1 加熱1 000 kg水費(fèi)用對(duì)比（溫升40℃）

預(yù)期效益計(jì)算如下，CHR熱回收空壓機(jī)2臺(tái)回收量，加載比率平均95%，進(jìn)水溫度5℃，出水65℃，溫升60℃。

每天可利用功率為：110×95%×73%×24×0.95（電機(jī)效率）×0.9（電機(jī)功率因數(shù)）×1.15（電機(jī)服務(wù)系數(shù)）=1 800.17 kWh

每天可回收熱能利用量：

1 800.17 kW×860 Kcal/kW=154.82萬Kcal

154.82 萬Kcal÷8 000 Kcal/ m3×300 d×3.6元

=193.525 m3×300 d×3.6元

=58 057.5 m3×3.6元=209007元/a，每年節(jié)省天然氣58057.5m3，節(jié)省天然氣20.9萬元。

根據(jù)運(yùn)行狀況，每年可回收利用功率540000kW， 節(jié)省電費(fèi)37.8萬元。

該項(xiàng)目投資約10萬元，建設(shè)期30 d，運(yùn)行6個(gè)月即可收回全部成本，每年可為客戶節(jié)省天然氣成本約20.9萬元。如果改用電加熱用水，每年可節(jié)省電費(fèi)37.8萬元。詳見表2。

3 結(jié)語

空壓機(jī)系統(tǒng)存在的大量電能轉(zhuǎn)化為熱量，從而造成能源浪費(fèi)現(xiàn)象，通過對(duì)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)將原有空壓機(jī)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行改造，不僅可以充分利用廢熱，而且降低了其他燃料的消耗，保護(hù)了環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益，在目前乃至未來都有著良好的市場(chǎng)前景。

表2 空壓機(jī)余熱回收計(jì)算書

[1] 趙新紅.淺談幾種典型空壓機(jī)的余熱回收[J].上海節(jié)能，2013.8：31-36.