空壓機(jī)余熱與熱泵聯(lián)用系統(tǒng)

胡曉俊

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司上海卷煙廠

0 引言

由于空氣壓縮機(jī)運(yùn)行效率較低，壓縮空氣的壓力勢(shì)能僅占總輸入能量的20%左右，而其中80%的能量轉(zhuǎn)化成熱量。高溫不僅會(huì)進(jìn)一步降低空壓機(jī)運(yùn)行效率，而且降低設(shè)備使用壽命。通常為了保證空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，需采用冷卻系統(tǒng)將空壓機(jī)油進(jìn)行冷卻，而最常用的做法是通過(guò)空冷器將空壓機(jī)油的熱量帶走，其缺點(diǎn)是熱空氣直接排放出去，造成對(duì)環(huán)境的污染，增加了二氧化碳的排放，同時(shí)空冷器需要消耗大量的電能進(jìn)一步增加了空壓系統(tǒng)無(wú)用功的消耗。通過(guò)技術(shù)手段回收空壓機(jī)中廢熱能，將其應(yīng)用于生活用熱水、工藝用水、采暖等場(chǎng)合可以有效地提高能源利用率。從空壓機(jī)中回收的熱量用于加熱生活熱水或烘干等生產(chǎn)工藝前的預(yù)熱，不僅可以減少能源的消耗還可以大大降低二氧化碳的排放等。

1 空壓機(jī)運(yùn)行原理

空壓機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成空氣勢(shì)能的通用機(jī)械設(shè)備，用于提高空氣壓力，是壓縮空氣的發(fā)生裝置，廣泛應(yīng)用于石油、化工、船舶、紡織、食品等行業(yè)，為工業(yè)生產(chǎn)提供動(dòng)力氣源。按照壓縮方式分為容積型和速度型兩種類(lèi)型的壓縮機(jī)。在大型工廠中多采用螺桿式空壓機(jī)與離心式空壓機(jī)。本文以應(yīng)用最為廣泛的噴油螺桿式空壓機(jī)為研究對(duì)象。

圖1 螺桿式空壓機(jī)工作流程圖

螺桿式空壓機(jī)工作流程如圖1所示。經(jīng)空氣濾清器濾除雜質(zhì)后的空氣經(jīng)由進(jìn)氣閥進(jìn)入壓縮主機(jī)內(nèi)，與噴入的冷卻潤(rùn)滑油混合進(jìn)入壓縮室，壓縮室內(nèi)的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子通過(guò)嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)改變壓縮室內(nèi)的容積，空氣不斷被壓縮，壓力升高。在壓縮過(guò)程中，壓縮室內(nèi)的容積不斷變化，在油氣混合物的壓力不斷增大的同時(shí)溫度也不斷升高。高溫高壓的油氣混合物從壓縮室排出后進(jìn)入油氣分離系統(tǒng)，大部分潤(rùn)滑油在油氣分離器內(nèi)與壓縮氣體分離，分離后的高溫潤(rùn)滑油在管路系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)后置散熱器冷卻后回到壓縮主機(jī)內(nèi)再次循環(huán)利用。其中大部分潤(rùn)滑油在油路系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)歷油氣混合、油氣分離、冷卻以及噴入壓縮室的循環(huán)利用過(guò)程，含有少量潤(rùn)滑油隨壓縮氣體經(jīng)過(guò)油精分離器分離后獲得充分的分離，分離后的少量潤(rùn)滑油通過(guò)管路進(jìn)入壓縮主機(jī)的低壓部分。當(dāng)分離后的氣體壓力達(dá)到最小壓力閥的最低壓力時(shí)，最小壓力閥開(kāi)啟，高溫的壓縮氣體通過(guò)管路經(jīng)后置散熱器冷卻后儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐內(nèi)。根據(jù)用氣要求再經(jīng)過(guò)除油、除塵、除濕干燥后送至生產(chǎn)用氣點(diǎn)。

2 空壓機(jī)余熱回收原理

空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)輸入的電能主要轉(zhuǎn)化為空氣勢(shì)能和熱能兩部分能量，其中增加空氣勢(shì)能，提高氣體壓力，約占總輸入電能的15%；機(jī)械做功與機(jī)械磨損產(chǎn)生的熱量，該部分能量約占總輸入量的85%。另一方面由于壓縮機(jī)工作環(huán)境溫度的升高，會(huì)增加單位質(zhì)量氣體壓縮所消耗的功，極端情況下會(huì)使空壓機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)積碳現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備造成損害。

如圖2空壓機(jī)冷卻流程圖所示，為了保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行，傳統(tǒng)的做法是將高溫高壓的油氣分別進(jìn)入各自的后置冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻降溫，冷卻后的潤(rùn)滑油重新返回油路循環(huán)使用。

圖2 傳統(tǒng)空壓機(jī)冷卻流程圖

余熱回收的原理是對(duì)油路及氣路系統(tǒng)的空氣冷卻器進(jìn)行改裝，用余熱回收裝置取代原來(lái)的空氣冷卻器，將空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱油和熱氣中的熱量通過(guò)熱交換裝置加以回收利用，可實(shí)現(xiàn)熱能回收。一方面空壓機(jī)運(yùn)行溫度降低，從而保障空壓機(jī)能夠高效正常運(yùn)行，提高產(chǎn)氣率；另一方面油氣的廢熱可得到回收利用，制備熱水或用于凍干機(jī)脫濕、干燥氣體，減少壓縮氣體后處理的能耗。對(duì)于一臺(tái)螺桿式空壓機(jī)，其中總電能的85%轉(zhuǎn)換為熱量，而可回收利用的余熱量約占空壓機(jī)產(chǎn)生總熱量的95%，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)可回收及難易利用的熱量如表1所示。

表1 螺桿式空壓機(jī)可回收利用能量占比0

由表1可知，油路系統(tǒng)承載了空壓機(jī)產(chǎn)生的大部分熱量，是余熱回收的主要載體，雖然壓縮氣體的溫度值相對(duì)較低、可利用熱量較少，僅占總熱量的22%，但仍可作為輔助熱源提供換熱量，利用潤(rùn)滑油的余熱余能進(jìn)一步提高回收熱量，提高供水溫度。

3 空壓機(jī)余熱回收與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)

低溫?zé)崃康幕厥帐怯酂峄厥障到y(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。將壓縮氣體中22%的熱量回收利用是進(jìn)一步提高空壓機(jī)余熱回收裝置整體效率的關(guān)鍵。針對(duì)此問(wèn)題本文以“油路為主、氣路為輔”的熱回收原則，結(jié)合熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套空壓機(jī)油氣余熱綜合回收利用系統(tǒng)。如圖3余熱回收與熱泵聯(lián)用系統(tǒng)流程圖所示，熱泵聯(lián)合余熱回收系統(tǒng)，包括油水熱交換系統(tǒng)、壓縮空氣熱交換系統(tǒng)、熱泵聯(lián)用系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)以及水箱聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。油水熱交換系統(tǒng)與工藝用熱點(diǎn)預(yù)熱器、熱泵聯(lián)用系統(tǒng)的冷凝端、高溫水箱依次連接組成空壓余熱利用熱水管路。通過(guò)聯(lián)通水泵與低溫水箱、壓縮空氣熱交換系統(tǒng)和熱泵聯(lián)用系統(tǒng)的蒸發(fā)端余熱回收系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成余熱回收系統(tǒng)水循環(huán)回路；壓縮空氣熱交換系統(tǒng)與低溫水箱、熱泵聯(lián)用系統(tǒng)的蒸發(fā)端和油水熱交換系統(tǒng)依次連接，組成冷卻水供水管路。其中油水熱交換系統(tǒng)，是將空壓機(jī)中高溫油路與油水換熱器的熱源進(jìn)出口連接組成循環(huán)管路，油水換熱器吸熱端進(jìn)口與水源熱泵蒸發(fā)端出口相連接引入低溫水冷卻空壓機(jī)油溫。換熱后熱水由泵送至工藝用熱點(diǎn)預(yù)熱器后進(jìn)入水源熱泵冷凝端進(jìn)口，二次升溫后的熱水存入高溫水箱，通過(guò)輸送管路供給廠區(qū)各個(gè)熱水需求點(diǎn)。壓縮空氣熱交換系統(tǒng)，是將空壓機(jī)產(chǎn)生的高溫壓縮空氣在進(jìn)入凍干機(jī)前與液氣換熱器熱源端連接，經(jīng)換熱后的水送至低溫水箱作為水源熱泵熱源。熱泵聯(lián)用系統(tǒng),是將低溫水箱作為熱泵熱源與水源熱泵的蒸發(fā)端連接，并將水源熱泵蒸發(fā)端的出口經(jīng)管路分送至油水換熱器和氣液換熱器冷卻吸收熱量。經(jīng)油水換熱器吸熱升溫后的高溫?zé)崴凰椭凉に囉脽狳c(diǎn)預(yù)熱器使用后送至水源熱泵的冷凝端二次升溫送至高溫水箱中。與控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高低溫水箱溫度與水量的動(dòng)態(tài)平衡。控制系統(tǒng)，是由低溫水箱中溫度與低溫水箱液位傳感器和高溫水箱中溫度與高溫水箱液位傳感器的反饋信號(hào)，由PLC控制器控制，根據(jù)低溫水箱和高溫水箱中溫度與液位高度的信息控制聯(lián)通水泵和補(bǔ)水閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。通過(guò)熱泵運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，控制兩個(gè)空氣冷卻器的開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，以保證空壓系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

圖3 熱泵聯(lián)用余熱回收系統(tǒng)流程圖

4 經(jīng)濟(jì)性分析

以某煙廠為例，其空壓站房年耗電量1020萬(wàn)kWh，約為36 720 000MJ?？諌簷C(jī)產(chǎn)熱量為：36720000MJ×0.85=31212000MJ?？諌簷C(jī)全年可回收熱量為：3121200MJ×0.95=2965140MJ。以進(jìn)水溫度20℃，出水溫度50℃為例，空壓機(jī)一年可產(chǎn)熱水235 000 t熱水。

年節(jié)省費(fèi)用235000×7.2=169.2萬(wàn)元。以熱泵COP等于4計(jì)算，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行成本10200000×0.85×0.95×0.22÷4×0.6≈45萬(wàn)元，水泵等設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用約為1.5萬(wàn)/年。因此空壓機(jī)余熱泵聯(lián)用系統(tǒng)運(yùn)行后一年可節(jié)約122.5萬(wàn)元。

5 結(jié)論

空壓機(jī)油路、氣路的熱回收通過(guò)水源熱泵系統(tǒng)的綜合余熱回收利用系統(tǒng)，潤(rùn)滑油熱回收系統(tǒng)與壓縮空氣熱回收系統(tǒng)的獨(dú)立，能夠更好地控制各個(gè)系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性。高、低位水箱的設(shè)置有效存儲(chǔ)了熱能。水源熱泵系統(tǒng)的聯(lián)用，利用了壓縮空氣中回收的低溫?zé)嵩矗岣哂酂峄厥障到y(tǒng)的能源利用效率。以某煙草公司實(shí)際生產(chǎn)情況估算，空壓機(jī)余熱與熱泵聯(lián)用系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)計(jì)年節(jié)約成本約122.5萬(wàn)元，,并可以改善空壓機(jī)的運(yùn)行工況,具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。