螺桿式空壓機(jī)余熱利用研究

邵振棟

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司

0 引言

人類社會的生存離不開能源，社會的發(fā)展與能源息息相關(guān)。工業(yè)領(lǐng)域常使用的能源有電能、壓縮空氣、燃煤、燃?xì)獾?。壓縮空氣具有安全、調(diào)節(jié)性能好、無公害、輸送方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)經(jīng)驗的積累和研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)壓縮空氣是一種效率低下的方式，而生產(chǎn)壓縮空氣的空壓機(jī)，因占有能源消耗全部電力消耗的10%～35%，成為眾多科研工作者和企業(yè)迫切改良的對象。

在《Compressed Air》期刊，美國作者威萊姆弗·麥克雷斯詳細(xì)介紹了有關(guān)空氣壓縮機(jī)余熱回收的相關(guān)原理。福魯?shù)掳９緦⑿滦腿崞餍透咝эL(fēng)冷熱交換器配置在T05型系列滑片式節(jié)能壓縮機(jī)上，這一設(shè)計充分利用了余熱資源，降低壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用約50%[1]。在土耳其的輕工業(yè)領(lǐng)域，空壓機(jī)余熱回收也逐漸加以重視，采用了多種回收方法節(jié)約能源[2]。徐樹風(fēng)[3]分析了阿特拉斯·科普柯噴油螺桿壓縮機(jī)在工作過程中的能量轉(zhuǎn)換，若按70%計算能量回收率，一臺常規(guī)噴油螺桿壓縮機(jī)每小時可回收的能量相當(dāng)可觀，每天節(jié)省的電費(fèi)多達(dá)1 400元。李勇[4]對夏店礦的風(fēng)冷式噴油螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)的管網(wǎng)和裝置進(jìn)行了部分改造，增加了板式換熱器和水箱等設(shè)備，加熱水箱的水所需熱量由空壓機(jī)潤滑油提供，從而節(jié)約了煤炭資源。通過對5臺SA-250A-6K型空壓機(jī)進(jìn)行改造，配備2套余熱利用系統(tǒng)，使用空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)可減少3個鍋爐操作工，節(jié)約薪金支出12．66萬元，每年可節(jié)省燃煤消耗124t，按每t標(biāo)準(zhǔn)煤價格940元計算，共節(jié)約燃料費(fèi)11．656萬元，合計節(jié)約24．316萬元。同時減輕了燃煤引起的有害氣體的排放和空壓機(jī)的熱源污染。上海氯堿化工有限公司的陳勇[5]對一臺英格索蘭C135MX3離心式壓縮機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)改造，利用壓縮機(jī)的排氣熱量用于加熱工人生活淋浴用水；同時加裝傳感器對冷卻水循環(huán)進(jìn)行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，經(jīng)過改造，每天可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1．39t。

空壓機(jī)的余熱可通過各種熱利用裝置和設(shè)備回收利用，回收的熱量可以被應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、采暖等場所，既能節(jié)能又可減少污染物的排放。

1 螺桿空壓機(jī)余熱回收的理論可行性

空氣的熱力學(xué)參數(shù)會在空氣壓縮過程中發(fā)生變化，如圖1所示。理論上存在兩種極限壓縮過程：一種過程進(jìn)行的速度極快，氣體與外界的換熱忽略不計，即1－2S過程，該壓縮過程可視為絕熱過程；另一種即1－2T定溫壓縮過程。在實際的空氣壓縮過程是介于兩種極限過程之間的多變過程[6,7]，即圖中的的1－2n過程，既有熱量傳出，空氣溫度也會上升。

圖1 空氣壓縮過程的T-S圖

如果把空氣作為理想氣體[8]，這時，我們認(rèn)為其比熱是定值，可以得到幾種狀態(tài)下理論耗功：

可逆絕熱壓縮

可逆定溫壓縮

可逆多變壓縮

根據(jù)上述各式：

若要求壓縮空氣品質(zhì)相同，則絕熱壓縮、多變壓縮、定溫壓縮分別使壓縮功耗由多到少。需要指出的是，多變指數(shù)n變大，多變過程的功耗也會增多。與此同時，絕熱壓縮后，壓縮空氣溫度常常躍升，氣體的比體積較大，給空壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來隱患。通過分析可知，當(dāng)下諸多研究都側(cè)重于降低生產(chǎn)過程中的多變指數(shù)n，使壓縮過程與定溫過程更接近。

熱力學(xué)第一定律指出，定溫壓縮過程中消耗的壓縮功全部轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧崃?。即?/p>

因此，理想氣體的熱力學(xué)能和焓都隨溫度變化。

在實際工作過程中，空氣壓氣機(jī)消耗電能，壓縮空氣，但大部分電能轉(zhuǎn)變成熱量（多達(dá)70%，甚至更高）后，大部分被壓縮后的油氣混合物帶走。如圖2所示，電動機(jī)全功率輸入，回收難度較大，有熱輻射損失熱量、壓縮氣體帶走熱量以及電機(jī)帶走熱量，但這些占比較少，剩余能量（約占總功率的85%）均可通過設(shè)置一定的裝置進(jìn)行回收。

實際生產(chǎn)中，通過大量數(shù)據(jù)對比，可以得知初期設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用僅占總費(fèi)用的20%～30%，而電費(fèi)則高達(dá)70%～80%，即空壓機(jī)的后期運(yùn)行費(fèi)用中75%×85%=63．75%，超過60%被浪費(fèi)。因此，關(guān)注空壓機(jī)余熱回收的節(jié)能十分必要。

圖2 壓縮機(jī)能量轉(zhuǎn)換分布圖

2 噴油螺桿空壓機(jī)的回收余熱裝置

2.1 噴油螺桿空壓機(jī)工作原理

噴油螺桿式空壓機(jī)有以下部件組成，分別是電動機(jī)、聯(lián)軸器、壓縮機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等。按油泵配置，噴油螺桿式壓縮機(jī)的油路系統(tǒng)可分為無油泵系統(tǒng)、帶油泵系統(tǒng)和聯(lián)合系統(tǒng)。在無油泵系統(tǒng)中，潤滑油通過壓縮機(jī)排氣壓力和噴油口處的壓力差實現(xiàn)自動循環(huán)流動。該系統(tǒng)需要的構(gòu)建數(shù)量較少，可長時間穩(wěn)定運(yùn)行，目前在噴油螺桿式空壓機(jī)中廣泛應(yīng)用，其工作原理見圖3。

圖3 噴油螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)流程圖

潤滑油從壓縮室吸收壓縮氣體的熱量后，溫度升高，經(jīng)油氣罐，通過熱控閥，在油冷卻器冷卻，經(jīng)油過濾器去除雜質(zhì)顆粒后分為兩路：大部分潤滑油由機(jī)體下端進(jìn)入壓縮室。該部分潤滑油連通至吸氣口與過濾后的空氣一同進(jìn)入壓縮室，參與壓縮過程。隨后混有潤滑油的壓縮空氣首先通入油氣罐，絕大部分的油在油氣桶內(nèi)直接沉降于底部分離出來，進(jìn)入冷卻系統(tǒng)降溫，以備再次循環(huán)。另一部分注入機(jī)體前后端潤滑軸承組。

2.2 噴油空壓機(jī)余熱利用原理及影響因素

圖4為噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收流程。由圖4可見，潤滑油和空氣在壓縮室內(nèi)被壓縮，隨后產(chǎn)生高溫高壓油氣混合物，混合物進(jìn)入油氣罐中被分離。通過對油氣罐出油管路進(jìn)行改造，將高溫油引入油余熱回收系統(tǒng)，將壓縮空氣引入高效壓縮空氣余熱回收器，由加壓水泵將冷水泵入余熱回收系統(tǒng)，先與壓縮空氣進(jìn)行換熱，提高冷水溫度，然后泵入到油余熱回收系統(tǒng)中再次進(jìn)行熱交換，二次換熱后的熱水已達(dá)到生活用水所需的溫度，可以作用于生活熱水空調(diào)采暖、鍋爐進(jìn)水預(yù)熱、工藝用熱水等。

圖4 噴油螺桿式空壓機(jī)余熱回收流程

噴油螺桿式空壓機(jī)余熱利用效率的高低，其主要的影響因素有：壓縮空氣的排氣溫度、進(jìn)入壓縮室的噴油溫度和噴油量等。

噴油螺桿式空壓機(jī)允許的排氣溫度較高時，所需的冷卻用油量較少，油冷卻器容量可小一些。但考慮到潤滑油在高溫下的不利影響，噴油螺桿式空壓機(jī)設(shè)定的最高排氣溫度一般不高于100℃。噴油螺桿式空壓機(jī)的排氣溫度同樣不能太低，以防止出現(xiàn)冷凝水，造成潤滑油的油質(zhì)惡化降低軸承壽命。

通常情況下，采用熱控閥控制噴油溫度以保證機(jī)頭排氣溫度高于壓力露點。剛開機(jī)時熱控閥支路開啟，主回路關(guān)閉，此時油溫較低，潤滑油不經(jīng)冷卻器直接噴入機(jī)頭。隨著機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，潤滑油溫度升高后熱控閥開始閉合。潤滑油分為兩路分別從冷卻器和支路流過，當(dāng)油溫超過70℃之后，熱控閥徹底關(guān)閉，潤滑油全部通過冷卻器冷卻降溫后再噴入機(jī)頭。

因噴油量的影響，其潤滑油對螺桿式空氣壓縮機(jī)的正?？煽窟\(yùn)轉(zhuǎn)起著舉足輕重的作用。它在主副轉(zhuǎn)子之間形成油膜，使主轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動副轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，無需使用昂貴的高精度同步齒輪，簡化了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。潤滑油與空氣直接接觸可帶走大量的壓縮熱，起到良好的降溫作用。噴入空壓機(jī)的潤滑油主要有潤滑、冷卻、密封和降噪四個功能。

2.3 水冷余熱利用系統(tǒng)

水冷余熱利用系統(tǒng)是將空壓機(jī)的余熱以水為載體，送至用熱的場所。這種余熱利用系統(tǒng)水溫和潤滑油溫度易控制，可使空壓機(jī)運(yùn)行溫度控制在85℃以內(nèi)，減少空壓機(jī)原有冷卻設(shè)備的運(yùn)行時間。空壓機(jī)額定的每分鐘產(chǎn)氣量是在80℃的溫度下測量定準(zhǔn)的，實際工況下，空壓機(jī)不可能保持在80℃的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下工作，產(chǎn)氣量也會隨著運(yùn)行溫度的變化而改變。即：空壓機(jī)運(yùn)行溫度每上升1℃，壓縮空氣產(chǎn)量就降低0．5%。采用風(fēng)冷散熱的空壓機(jī)一般運(yùn)行溫度為88℃～96℃，其產(chǎn)氣量下降幅度達(dá)4%～8%，夏天情況更為嚴(yán)重。在空壓機(jī)組上加裝水冷余熱利用系統(tǒng)后，能將其運(yùn)行溫度控制在80℃～85℃之間，提高壓縮空氣產(chǎn)量8%～10%，大大提升空壓機(jī)的運(yùn)行效率?？諌簷C(jī)在80℃～85℃之間運(yùn)行，可防止機(jī)油乳化、減少積碳發(fā)生，延長機(jī)油、機(jī)油隔、油氣分離器等部件的更換和清洗周期。與系統(tǒng)改造前比較，可延長耗材的使用周期35%左右。此系統(tǒng)制取的熱水應(yīng)用形式多樣，目前工程中大多采用此系統(tǒng)。按是否新增換熱設(shè)備，水冷余熱利用系統(tǒng)可分為水冷直接式余熱利用系統(tǒng)和水冷間接式余熱利用系統(tǒng)。

1）水冷直接式余熱利用系統(tǒng)

空壓機(jī)水冷直接式余熱利用系統(tǒng)將水冷空壓機(jī)的冷卻水直接送至用熱設(shè)備，冷卻水水質(zhì)較差，一般僅用于低溫?zé)崴膳到y(tǒng)。受空壓機(jī)原有冷卻器性能的制約，冷卻水進(jìn)口溫度應(yīng)低于33℃，出水溫度應(yīng)低于40℃。當(dāng)冷卻水出水溫度高于40℃，對空壓機(jī)的正常工作會造成較大的隱患，甚至?xí)l(fā)生故障停機(jī)。但采暖系統(tǒng)末端設(shè)備要求進(jìn)水溫度不能太低，否則會使末端設(shè)備過于龐大，增加初投資，同時也會影響采暖效果。因此，要同時保證空壓機(jī)在冬季安全運(yùn)行和室內(nèi)采暖溫度合格，需要對空壓機(jī)的出水溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

以圖5所示水冷直接式空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)為例，在夏季，關(guān)閉采暖系統(tǒng)支路，通過空壓機(jī)原有的冷卻系統(tǒng)冷卻設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。在冬季，啟用采暖系統(tǒng)支路，空壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的高溫冷卻水一部分通過原有冷卻系統(tǒng)冷卻，一部分進(jìn)入采暖系統(tǒng)。

圖5 水冷直接式空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)圖

根據(jù)空壓機(jī)的回水溫度調(diào)節(jié)三通閥E的開度，當(dāng)回水溫度過高時提高原冷卻系統(tǒng)D支路的流量，降低采暖系統(tǒng)C支路的流量；水溫過低時降低原冷卻系統(tǒng)D支路的流量，提高采暖系統(tǒng)C支路的流量；始終控制空壓機(jī)的回水溫度在允許范圍內(nèi)。

空壓機(jī)的出水溫度通過冷卻水泵的變頻控制。水溫過高時，B點的水溫控制器與冷卻水泵連鎖，將水泵變頻至大流量狀態(tài)，流速增加，使水溫降低；水溫過低時，B點的水溫控制器與冷卻水泵連鎖，將水泵變頻至小流量狀態(tài)，流速減少，使水溫升高。

此系統(tǒng)空壓機(jī)的冷卻水直接引入供熱系統(tǒng)，參與全部冷卻及供暖循環(huán)，水質(zhì)較差并易受污染，因此實際生產(chǎn)中較少使用此方法。

2）水冷間接式余熱利用系統(tǒng)

空壓機(jī)水冷間接式余熱利用系統(tǒng)是通過在空壓機(jī)原有的冷卻回路中增加換熱器、水泵、溫控閥等設(shè)備和控制系統(tǒng)，將高溫的潤滑油管路和壓縮空氣管路接入換熱器，利用水與空壓機(jī)的高溫油氣換熱來實現(xiàn)余熱利用，同時通過控制系統(tǒng)保證空壓機(jī)正常工作。由于采用換熱器進(jìn)行換熱，不再受空壓機(jī)原有冷卻器的性能制約，換熱器的進(jìn)水溫度可以很低，一般可以直接利用自然水源；供水溫度可以很高，一般可以達(dá)到55℃以上，使余熱可以作為更廣泛的熱源應(yīng)用。此類余熱利用系統(tǒng)應(yīng)用前景更為廣闊。

以圖6所示空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)為例，空壓機(jī)運(yùn)行時，如果潤滑油回油溫度高于設(shè)定溫度時，通過溫控三通閥關(guān)閉原冷卻系統(tǒng)油路1，開啟油路2，用水泵將水箱中的低溫冷卻水抽入換熱器中，與高溫潤滑油進(jìn)行熱量交換。當(dāng)水溫上升到預(yù)定的上限后，換熱器無法再對潤滑油進(jìn)行充分的冷卻。此時，通過溫控三通閥開啟油路1，關(guān)閉油路2，空壓機(jī)原冷卻系統(tǒng)開始工作，保證系統(tǒng)在安全溫度下運(yùn)行。

圖6 水冷間接式空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)

2.4 風(fēng)冷余熱利用系統(tǒng)

空壓機(jī)的風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)內(nèi)置油冷卻器、氣冷卻器及排風(fēng)扇換熱器。從空壓機(jī)排出的冷卻熱風(fēng)直接用于冬季采暖或工藝用熱?？諌簷C(jī)冷卻采用冷卻空氣強(qiáng)制對流的方式，冷卻空氣排風(fēng)溫度一般高于進(jìn)風(fēng)溫度10℃～15℃。設(shè)計空氣壓縮機(jī)站時，冷卻后的熱風(fēng)通常直接通過風(fēng)管排放到室外。最常用的余熱直接利用方式是將熱風(fēng)集中回收后經(jīng)風(fēng)管送至需加熱的場所，如廠區(qū)車間等。

熱風(fēng)用于車間的冬季輔助加熱。如圖7所示。在車間無采暖設(shè)施、但冬季氣溫又較低的中東部地區(qū)，為提高室溫、提高工作環(huán)境的舒適度，通過排風(fēng)管道，從空壓機(jī)排放的冷卻熱空氣直接連接到車間，用于車間的輔助加熱取暖。在冬季，調(diào)整入口出口，對車間進(jìn)行補(bǔ)充加熱，其中空壓機(jī)站冷卻進(jìn)風(fēng)來自廠房內(nèi)，熱排風(fēng)排至車間；在夏季，當(dāng)車間不需要額外熱量時，調(diào)節(jié)進(jìn)氣口讓冷卻空氣來自外部，同時，調(diào)節(jié)排風(fēng)口，冷卻熱空氣排放到室外，保證空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。該余熱利用系統(tǒng)設(shè)計簡單、投資少，僅需常用的施工建材即可完成，但由于系統(tǒng)簡單，所以受制于季節(jié)變化，應(yīng)用范圍有限。

圖7 風(fēng)冷式空壓機(jī)余熱回收利用

熱風(fēng)用于特殊房間的工藝加熱：在工廠的車間，將空壓機(jī)冷卻熱風(fēng)經(jīng)保溫風(fēng)管接至工作時間和空壓機(jī)運(yùn)行時間同步的常年用熱的場所，如烘干房、烤漆房等。這種余熱利用系統(tǒng)不受季節(jié)因素的影響，設(shè)計簡便。然而，當(dāng)用熱地點相對較遠(yuǎn)時，為確保冷卻熱風(fēng)的足夠溫度，需要增加送風(fēng)裝置，也需要對排風(fēng)管進(jìn)行嚴(yán)格的隔熱保溫處理。

3 空壓機(jī)余熱回收節(jié)能效益分析

以某廠回收空壓機(jī)余熱用于工業(yè)用溫水提供低溫?zé)嵩吹姆桨笧槔?，空壓機(jī)余熱回收的節(jié)能效益是雙重的：一方面空壓機(jī)的余熱替代了大部分蒸汽對純水原水進(jìn)行加熱，大幅減少了純水加熱的過程中蒸汽使用量；另一方面使用純水原水直接冷卻空壓機(jī)，可以減少制冷機(jī)組的冷負(fù)荷、減少制冷站的能耗。節(jié)約能耗的具體數(shù)量可通過以下方式計算：

首先，計算用空壓機(jī)余熱代替蒸汽給純水加熱所節(jié)約的蒸汽量：

1t水升高1℃需要的熱量為：

Q=4.19k J/k g×1000k g=4190k J

式中，

Q——物體吸收的熱量（kJ）；

m——物體的質(zhì)量（kg）；

c——物體的質(zhì)量熱熔（kJ/kg·K）；水的比熱容為4．19 kJ/kg·K

每t 0．3MPa(133．5℃)的蒸汽可以產(chǎn)生的熱量Q1為：

式中，

Q顯——蒸汽由于溫度變化產(chǎn)生的熱量（kJ）

Q潛——水的汽化熱=2 260 kJ/kg

c—— 物體的質(zhì)量熱熔（kJ/kg·K）；蒸汽的比熱為2．1 kJ/kg·K

由以上計算可以得出1t水升高1℃需要的蒸汽量為：

Q/Q1=4190kJ÷2330350kJ/t=1．879kg

此外，節(jié)約蒸汽的同時也減少了制冷站的能耗，之前的計算可以得出1t水升高1℃產(chǎn)生了4 190kJ的熱量，即為1kcal，如果這些熱量未被熱回收系統(tǒng)利用，為了保障空壓機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行，則這些熱量需要被冷機(jī)帶走，冷機(jī)需要的耗電量可以通過如下的計算獲得：

已知，1千卡/小時（kcal/h）=1．163瓦（w），以1匹（735．5W）的制冷量 2．5kW來計算，1kCal需要1．163/2500匹花費(fèi)一小時帶走。則帶走1kCal熱量所用的冷機(jī)耗電量為：

1．163÷2500w×735．5w×1h=0．3422kWh。

以工廠2015年能耗使用數(shù)據(jù)為例計算，如進(jìn)行節(jié)能改造后可以節(jié)約能耗。表1為全年用水量和水溫。

由水溫數(shù)據(jù)可以看出，若只對水溫低于19℃時進(jìn)行加熱到22℃，5月-10月不必啟動余熱回收系統(tǒng)，其他月份節(jié)能的效果見表2。

表1 全年用水量和水溫

表2 各月份用水量及節(jié)能效果

4 結(jié)論

噴油螺桿空壓機(jī)的幾種典型余熱回收系統(tǒng)，包括水冷直接、水冷間接式及風(fēng)冷余熱利用系統(tǒng)，在實際運(yùn)營中通過余熱利用途徑降低能源費(fèi)用的同時，可減少環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能目的。

工業(yè)用溫水的低溫?zé)嵩从煽諌簷C(jī)回收的余熱來提供，在解決了空壓機(jī)冷卻能耗高的同時，對廢熱充分利用，節(jié)約了一次能源，可以應(yīng)用到大部分工廠。在不增加企業(yè)用于改造費(fèi)用的前提下采用合同能源管理模式進(jìn)行改造，一次投資、長期收益，對減少工廠的碳排放有積極的應(yīng)用價值，對空壓機(jī)余熱回收具有廣闊的市場空間和推廣價值。

黃浦區(qū)出臺上海首部區(qū)級層面“重點用能單位節(jié)能管理辦法”

近日，黃浦區(qū)為加強(qiáng)重點用能單位的節(jié)能管理，提高能源利用效率，控制能源消費(fèi)總量，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，出臺了《黃浦區(qū)重點用能單位節(jié)能管理辦法》。

《黃浦區(qū)重點用能單位節(jié)能管理辦法》（以下簡稱“管理辦法”）包括總則、評價考核、管理措施、獎懲措施、附則等五個部分共三十二條?！肮芾磙k法”明確了重點用能單位的范圍和基本義務(wù)，以及各相關(guān)部門的職責(zé)分工?！肮芾磙k法”要求重點用能單位建立節(jié)能目標(biāo)責(zé)任制、能源管理體系，加強(qiáng)能源計量和能源統(tǒng)計、配套節(jié)能專項資金，并開展能力建設(shè)、淘汰落后產(chǎn)能、落實固定資產(chǎn)投資節(jié)能審查、開展對標(biāo)達(dá)標(biāo)等。“管理辦法”并提出了對考核結(jié)果優(yōu)秀的重點用能單位或個人給予表彰和獎勵等獎懲措施。