離心式空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

周翔，孔德文，宋榮志

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程學(xué)院，江蘇 無錫214153）

0 引 言

根據(jù)美國能源管理局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，總耗電量中只有15%的電能，是有效利用于增大空氣勢能，而剩余的85%的耗電量最后都轉(zhuǎn)換為熱量，這些熱量最終都被通過加裝冷卻器的方式散失掉[1-3]。而離心式空壓機(jī)在其正常工作時(shí)，其消耗的電能主要轉(zhuǎn)化成另外兩種能量：一是用于增加空氣的壓力能；二是通過機(jī)械做功產(chǎn)生熱能。而其產(chǎn)生的熱能主要包含兩大部分：一種是不可回收熱能，即通過設(shè)備機(jī)殼散失掉的熱量，這部分能量約占輸入總電能的5%；第二種是可回收熱能，即通過離心式空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)散失掉的熱量，這部分能量約占輸入總電能的80%。因此，對離心式空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在確保離心機(jī)可靠運(yùn)行的前提下，回收離心機(jī)的可回收余熱，并將回收的熱能轉(zhuǎn)換為企業(yè)所需要的熱水供應(yīng)，不僅能夠減少企業(yè)原先生產(chǎn)熱水造成的能源消耗，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，創(chuàng)造社會效益[4-5]。

該項(xiàng)目是某發(fā)電企業(yè)離心式空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)改造，該公司空壓機(jī)房有2 臺C700 英格索蘭117 m3、670 kW及1臺C400英格索蘭67 m3、370 kW離心式空壓機(jī)，機(jī)組24 h連續(xù)運(yùn)行，其中2臺C700離心機(jī)的氣閥平均開度為80%，1臺C400離心機(jī)氣閥平均開度為48%，運(yùn)行時(shí)大量電能轉(zhuǎn)化為高溫廢熱通過循環(huán)水冷卻系統(tǒng)散熱排放。通過分析評估，該公司空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的特性具備良好的余熱回收利用的基礎(chǔ)。該項(xiàng)目擬針對離心式空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收系統(tǒng)改造，用來生產(chǎn)企業(yè)所需的清洗機(jī)用熱水，變廢為寶，達(dá)到節(jié)能減排的效果。該公司原有清洗機(jī)用熱水采用電加熱于加熱桶內(nèi)，水溫80 ℃，總熱水用量為8 t/h。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在不改變離心式空壓機(jī)原有工作狀態(tài)的前提下通過對其散熱系統(tǒng)進(jìn)行改造，將離心式空壓機(jī)水冷系統(tǒng)的高溫水余熱和經(jīng)過空壓機(jī)壓縮產(chǎn)生的高溫壓縮空氣余熱進(jìn)行回收，其中高溫水余熱采用水水換熱器進(jìn)行換熱，高溫壓縮空氣余熱采用氣水換熱器進(jìn)行換熱，既達(dá)到安全工作狀態(tài)要求，同時(shí)可以生產(chǎn)企業(yè)所需的清洗機(jī)用熱水。

1 余熱回收利用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過對該公司離心式空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了一種針對該公司的離心式空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)主要回收利用了離心式空壓機(jī)冷卻前的高溫壓縮空氣余熱作為主熱源對自來水進(jìn)行加熱，節(jié)省能耗。系統(tǒng)中的熱交換器采用復(fù)合列管式結(jié)構(gòu)，具有不易結(jié)水垢、換熱性能高、不會產(chǎn)生氣通水現(xiàn)象和維護(hù)管理非常簡單等特點(diǎn)。系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 離心式空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理圖

離心式空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理是利用余熱回收機(jī)吸收空壓機(jī)的高溫氣體廢熱對自來水進(jìn)行加熱[6-7]。自來水通過水泵進(jìn)入空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)，由空壓機(jī)產(chǎn)生余熱提供熱源，先通過預(yù)加熱器吸收空壓機(jī)一級壓縮和二級壓縮的冷卻水余熱，再經(jīng)過余熱回收機(jī)吸收三級壓縮產(chǎn)生的高溫壓縮空氣余熱[8-9]，通過水水換熱和氣水換熱進(jìn)行熱交換而產(chǎn)生熱水，用戶可按使用需求設(shè)定恒溫產(chǎn)水，水溫在50～80 ℃范圍內(nèi)可調(diào)，熱水通過保溫管道存到保溫水箱，當(dāng)用戶需要用熱水時(shí)，熱水由儲水罐供熱水到車間清洗機(jī)使用。

2 余熱回收設(shè)計(jì)計(jì)算

通過對該公司離心式空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，該系統(tǒng)主要回收利用了離心式空壓機(jī)第二級及第三級余熱作為主熱源（余熱回收機(jī)作主換熱器）與水進(jìn)行熱交換生產(chǎn)80℃以上的熱水。

2.1 冷卻水余熱回收

冷卻水余熱回收系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 空壓機(jī)冷卻水回收系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

2.2 高溫壓縮空氣余熱回收

離心式空壓機(jī)壓縮空氣余熱回收系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 壓縮空氣余熱回收系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

2.3 空壓機(jī)可回收熱量計(jì)算

空壓機(jī)總的可回收熱量如表3所示。

表3 離心式空壓機(jī)可回收熱量

2.4 產(chǎn)水量計(jì)算

通過余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可生產(chǎn)熱量產(chǎn)量如表4所示。

表4 空壓機(jī)余熱回收總產(chǎn)水量

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 投資費(fèi)用

項(xiàng)目投資費(fèi)用主要包括設(shè)備投資費(fèi)用、管網(wǎng)安裝施工費(fèi)用[2]。項(xiàng)目總投資約為80.3萬元。

3.2 運(yùn)行費(fèi)用

原來清洗機(jī)熱水采用電加熱方式獲得，因此按空壓機(jī)年工作300 d計(jì)算，每天24 h，得到電加熱產(chǎn)熱水成本如表5所示。

表5 對比電加熱可節(jié)約成本分析

另外，原來離心式空壓機(jī)的冷卻方式采用冷凍機(jī)進(jìn)行冷卻，需要消耗電能，由表5可得空壓機(jī)系統(tǒng)可回收總功率為600 kW，冷凍機(jī)按COP（COP即能效比，是指額定制冷功率與耗電功率的比值）為4.5計(jì)，可為企業(yè)減負(fù)600/4.5=133.3 kW，折合全年節(jié)約66.2 萬元。因此，兩項(xiàng)合計(jì)每年可節(jié)約380 萬元。

3.3 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

原清洗機(jī)用熱水電加熱成本約為313.8 萬元/a，冷凍機(jī)運(yùn)行成本約為66.2 萬元/a，合計(jì)運(yùn)行成本為380 萬元/a，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)項(xiàng)目投入約為80.3 萬元，項(xiàng)目回收期為2.1個月，可見經(jīng)濟(jì)性良好。

4 結(jié) 論

1）通過該項(xiàng)目案例可知，對離心式空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收改造，既不影響設(shè)備原先的運(yùn)行狀態(tài)，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2）該項(xiàng)目年可節(jié)約年運(yùn)行費(fèi)用350 萬元。項(xiàng)目資金回收期為2.1個月，經(jīng)濟(jì)效益顯著，是一種切實(shí)可行的方案。