火電廠螺桿式空壓機(jī)余熱利用方案及經(jīng)濟(jì)性分析

孫飛，劉燁，魏高升，由文江

（1．朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧省 朝陽(yáng)市 122000；2．電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū)102206；3．北京馳電自動(dòng)化科技有限公司，北京市 房山區(qū) 102488）

0 引言

空氣壓縮系統(tǒng)作為傳統(tǒng)工業(yè)必不可少的環(huán)節(jié)之一，其生產(chǎn)的壓縮空氣主要用于氣動(dòng)機(jī)械的動(dòng)力以及儀表吹掃、輸灰、切割等。近年來隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的號(hào)召，作為用電大戶的空壓站被越來越多的工廠企業(yè)予以重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)空氣壓縮機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中占工廠總耗電量的10%左右，而所消耗的電能中只有大約15%的輸入功率轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的勢(shì)能，其余85%的電能轉(zhuǎn)化成熱能被排放掉[1-3]。據(jù)日立、美國(guó)GD、阿特拉斯等空壓機(jī)廠商提供的技術(shù)參數(shù)和實(shí)際回收熱量的統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)滿載連續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于空壓機(jī)軸功率的110%～150%，所以在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，余熱回收是一種非常環(huán)保高效的節(jié)能手段，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[4-5]。

實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)余熱的利用具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)有利于空壓機(jī)的散熱，使空壓機(jī)能夠良性運(yùn)行。在此過程中余熱回收裝置回收了壓縮空氣與機(jī)油的大部分熱量，可讓散熱風(fēng)扇關(guān)停，以減少電能的消耗、電線接頭的老化、潤(rùn)滑油的變質(zhì)等問題。2）運(yùn)行成本低，余熱回收裝置不需要額外消耗能源，只需要進(jìn)行一次性投資設(shè)備改造，靠換熱器進(jìn)行熱回收。3）空壓機(jī)余熱利用回收后的熱水可送至需要熱水的地方，從而大大降低生產(chǎn)熱水所帶來的化石能源的消耗，減少有害氣體和 CO2的排放[6-8]。

如今國(guó)內(nèi)外相繼有許多技術(shù)人員對(duì)空氣壓縮機(jī)的余熱回收利用技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐與探索，張瑋、李廣華[9]對(duì)營(yíng)口卷煙廠的4臺(tái)阿特拉斯無(wú)油螺桿空壓機(jī)實(shí)施了熱能回收改造，以熱水形式回收壓縮機(jī)產(chǎn)生的余熱，能量回收效率可達(dá) 90%。陳翔[10]通過設(shè)計(jì)管殼式換熱器，并利用余熱生產(chǎn)出70 ℃的熱水供生產(chǎn)需要，得出整體改造成本回收期限為293 天。肖永偉[11]通過具體工程實(shí)例將回收的熱量用于余熱空調(diào)新風(fēng)等方面。張浩、 閔圣愷[12]提出壓縮機(jī)回收的熱量用于加熱鍋爐補(bǔ)水的可行性。蘇州大學(xué)吳世鳳[13]采用水冷方式通過板式換熱器對(duì)蘇州某工廠的6臺(tái)無(wú)油螺桿空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收，相較于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加熱生活用水的方式，年平均節(jié)省56.05萬(wàn)元。Ming Yang[14]在對(duì)一家制鞋企業(yè)的實(shí)地研究后，指出該企業(yè)空壓機(jī)的能源利用效率極低在于系統(tǒng)的優(yōu)化程度低，并為此設(shè)計(jì)了一套余熱回收系統(tǒng)。法國(guó)的Baker，Bob[15]指出200馬力的空壓機(jī)年平均運(yùn)行成本為11萬(wàn)美元。

本文主要針對(duì)清河電廠6臺(tái)250 kW空壓機(jī)組，進(jìn)行壓縮空氣余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，同時(shí)為相關(guān)火電機(jī)組的空壓機(jī)余熱回收提供參考。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 清河電廠基本情況

遼寧清河發(fā)電廠壓縮空氣系統(tǒng)主要由6臺(tái)工頻250 kW噴油螺桿式空壓機(jī)組成。經(jīng)過初步考察，計(jì)劃對(duì)其中3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行壓縮空氣系統(tǒng)熱回收改造，回收空壓機(jī)多余熱量，余熱回收機(jī)組以水為載體送至用熱場(chǎng)所。該系統(tǒng)的水溫及潤(rùn)滑油溫比較容易控制，極大地減少了空壓站原有冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，使空壓機(jī)在保證額定產(chǎn)氣量的同時(shí)將運(yùn)行溫度控制在合理范圍內(nèi)。空壓機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中不可能時(shí)刻保持在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下工作，據(jù)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)工作溫度每上升1 ℃，產(chǎn)氣量會(huì)下降0.5%，而由于夏季空壓機(jī)進(jìn)氣溫度比較高，這種現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。原有散熱機(jī)組不能很好地起到節(jié)能降耗的作用，所以加裝余熱回收機(jī)組后，會(huì)將空壓機(jī)工作溫度控制在80 ℃附近，并可有效防止積碳產(chǎn)生及機(jī)油乳化，同時(shí)降低機(jī)組維護(hù)和清洗周期。

表1和表2為清河電廠空壓站基本情況，安裝總功率為1 500 kW。設(shè)計(jì)安裝空壓機(jī)熱水機(jī)6臺(tái)，實(shí)際運(yùn)行3臺(tái)，運(yùn)行時(shí)間24 h，計(jì)劃用于生產(chǎn)生活熱水溫度到55 ℃，之后由甲方蒸汽再加熱供企業(yè)用熱水。

表1 電廠空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab. 1 Operating parameters of air compressor in power plant

表2 工廠熱水需求狀況Tab. 2 Hot water demand in factories

1.2 系統(tǒng)改造

圖1為清河電廠原有的空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)。其構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，只有閉式循環(huán)冷卻水一個(gè)冷源，空壓機(jī)壓縮后的油氣混合物通過油氣分離器，機(jī)油與壓縮空氣分離后分別進(jìn)入油冷器、空冷器，與閉式水換熱后，冷卻的壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，機(jī)油則重新返回空壓機(jī)頭進(jìn)行循環(huán)。

改造后的空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)在原有的油氣分離器的出口設(shè)置兩個(gè)旁路，增加了兩個(gè)殼管式換熱器、溫控閥、水泵等一系列管路及設(shè)備，將分離后的壓縮空氣以及高溫潤(rùn)滑機(jī)油分別引入兩個(gè)殼管式換熱器中，殼程為生活用水，管程則為壓縮空氣和機(jī)油，因?yàn)椴捎昧擞酂峄厥障到y(tǒng)換熱，不再受空壓機(jī)原有閉式水冷卻系統(tǒng)的限制，殼管式換熱器的進(jìn)水可以是未經(jīng)過濾的自來水，溫度相對(duì)于閉式水會(huì)大大降低，從而獲得更好的冷卻效率，經(jīng)過換熱后，75～95 ℃的機(jī)油會(huì)被冷卻到55～65 ℃，壓縮空氣從 75～95 ℃被冷卻到 15～30 ℃。對(duì)空壓機(jī)的油、氣熱量進(jìn)行雙回收，考慮到實(shí)際換熱時(shí)的損耗，運(yùn)行壓力不恒定，空壓機(jī)經(jīng)常卸載等問題，油氣雙回收熱量可以達(dá)到空壓機(jī)軸功率的88%。

圖1 空壓機(jī)原有冷卻系統(tǒng)Fig. 1 Original cooling system of air compressor

以圖2所示的余熱回收機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組工作時(shí)，若潤(rùn)滑油的回油溫度高于系統(tǒng)所設(shè)的預(yù)定值，溫控閥會(huì)開啟原有冷卻系統(tǒng)，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行充分冷卻，從而保證空壓機(jī)在安全溫度下運(yùn)行，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。余熱利用設(shè)備則選用與250 kW的空壓機(jī)適配的熱水機(jī)。

圖2 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)Fig. 2 Waste heat recovery system for air compressor

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 余熱回收裝置出力

假設(shè)遼寧清河電廠設(shè)計(jì)工況為將低溫的 15℃自來水通過余熱回收技術(shù)加熱至55 ℃，滿足其40 ℃的溫升?？諌簷C(jī)達(dá)到額定產(chǎn)氣量、壓力下滿負(fù)載連續(xù)運(yùn)行，負(fù)載率是 100%，由于空壓機(jī)實(shí)際負(fù)載率為 80%，因此回收效率為 88%×80%=70.4%；按照該廠螺桿空壓機(jī)250 kW的功率計(jì)算，3臺(tái)每小時(shí)可回收的熱量為：Q=250×70.4%×3 600×3=1 900 800 kJ。

每天可加熱冷水量為：m=1 900 800÷(4.186×40)×24=272.5 t。若按每人每天需求熱水100 kg計(jì)算，回收熱量可滿足2 725人使用。

2.2 收益

空 壓 機(jī) 折 合 熱 負(fù)荷： P1=250×3×70.4%=528 kW。

考慮空壓機(jī)系統(tǒng)維修保養(yǎng)，機(jī)組停機(jī)等因素，設(shè)備年投運(yùn)日按照300 d保守估算，則年節(jié)電量為 W=P1×24 ×300 ≈380×104kW·h。

上網(wǎng)電價(jià)按 0.4元/(kW·h)來計(jì)算，年收益A=W×0.4元/(kW·h)=152萬(wàn)元/a。

全年回收的熱量相當(dāng)于節(jié)約電費(fèi)合人民幣約152萬(wàn)元。

表3為采用余熱回收方式加熱生活用水后預(yù)計(jì)可節(jié)約的能源總量，由此可見該項(xiàng)目節(jié)能效果非常明顯。

2.3 投資回收期和內(nèi)部收益率分析

項(xiàng)目周期：本項(xiàng)目余熱回收裝置設(shè)計(jì)使用壽命為 N=10 a。原始投資：一套余熱回收裝置價(jià)格為50萬(wàn)元，兩套合計(jì)100萬(wàn)元；輔材和人工費(fèi)通過包工包料的方式委托專業(yè)的安裝隊(duì)伍采購(gòu)和施工，費(fèi)用25萬(wàn)元；原始投資總計(jì)費(fèi)用P=125萬(wàn)元。

表3 節(jié)約費(fèi)用比較Tab.3 Comparative statistics of cost saving

但是由于空壓機(jī)的運(yùn)行工況得到了改善，并且大大降低了原有冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，空壓機(jī)改造后每年可節(jié)約 151.2萬(wàn)元電費(fèi)，所以此項(xiàng)改造在增加了初始投資的同時(shí)，空壓站的整體運(yùn)行費(fèi)用會(huì)減少，當(dāng)節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用與初始投資相等時(shí)，日后的余熱回收系統(tǒng)所產(chǎn)生的收益就是額外的經(jīng)濟(jì)效益。但考慮到實(shí)際投資中會(huì)有投資回收期的限制，這里采用靜態(tài)投資回收期作為系統(tǒng)改造的依據(jù)，即按照下式計(jì)算：

式中：N為投資回收年限；P為初投資金額；A為年收益。代入之前數(shù)據(jù)，可算出投資回收期僅為8個(gè)月左右。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行中存在很大程度的能源浪費(fèi)，在清河電廠原有空壓站基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了余熱回收系統(tǒng)用于加熱生活用水，可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤718 t/a，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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