煤礦空壓機(jī)余熱回收利用項(xiàng)目設(shè)計(jì)

郭沖沖　張林兵　劉曉峰　崔明輝　崔楚陽

摘要：為了提高空壓機(jī)能量利用率，解決空壓機(jī)在夏季制冷效果差等問題，以新疆地區(qū)某煤礦空壓機(jī)改造工程為例，提出了一種余熱回收系統(tǒng)用以吸收空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱。系統(tǒng)利用油水換熱器將空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱經(jīng)一次循環(huán)系統(tǒng)傳遞到高溫水箱，由高溫水箱加熱自來水制備洗浴熱水。研究數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)全年回收余熱相當(dāng)于87 952 m天然氣所釋放的熱量，在冬季、夏季和春秋季利用這些余熱可制備的45 ℃洗浴用水量分別為51.5，58.9和55.7 t。此外，經(jīng)濟(jì)性分析表明，系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期預(yù)計(jì)為2.5 a。因此所設(shè)計(jì)的空壓機(jī)余熱回收技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)和使用價(jià)值，研究結(jié)果對(duì)礦區(qū)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)的推廣具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù);余熱回收;空壓機(jī);能量利用率;經(jīng)濟(jì)性分析

中圖分類號(hào)：X706文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02011

Project design of waste heat recovery and utilization of coal mine air compressor

GUO Chongchong ZHANG Linbing LIU Xiaofeng CUI Minghui CUI Chuyang

（1.School of Architectural Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei? 056038，China）

Abstract：In order to improve the energy utilization efficiency of air compressor and solve the problem of poor refrigerating effect in summer，a waste heat recovery system was proposed in this paper to absorb the waste heat of air compressor based on the air compressor reconstruction project of a coal mine in Xinjiang.The oil-water heat exchanger was used to transfer the waste heat generated by the air compressor to the high temperature water tank through the primary circulation system in this system，and then the high temperature water tank was used to heat the tap water to prepare hot water for bathing.Research data indicates that the waste heat recovered by the system in the whole year is equivalent to the heat released by 87 952 mnatural gas，which can be used to prepare 51.5，58.9 and 55.7?t of bath water consumption at 45 ℃ in winter，summer and spring and autumn，respectively.And the static payback period of the project is expected to be 2.5 years through the economic analysis.The waste heat recovery technology of air compressor has certain economic and practical value，and the research results have important reference significance for the promotion of waste heat recovery system of air compressor in mining area.

Keywords： energy-saving technique;waste heat recovery;air compressor;energy utilization efficiency;economic analysis

空氣壓縮機(jī)是用于生產(chǎn)壓縮空氣的機(jī)械設(shè)備，其將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過壓縮做功的方式提高氣體的壓力[1-2]。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，壓縮空氣為人類生產(chǎn)和生活提供了很多動(dòng)力，在煤礦企業(yè)挖掘中，空氣壓縮機(jī)是不可或缺的設(shè)備。但空壓機(jī)耗能大，在使用過程中除了產(chǎn)生用于做功的高壓氣體外，還產(chǎn)生大量的壓縮熱。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅有15%的能量轉(zhuǎn)換為空氣勢(shì)能用于做功，其余85%的能量直接轉(zhuǎn)換為熱能，這些熱能直接流失排放，在壓縮時(shí)，空壓機(jī)內(nèi)部油氣混合物溫度能夠達(dá)到80～100 ℃[3-7]。為滿足空壓機(jī)正常運(yùn)行溫度要求，經(jīng)油氣分離器分離后的高溫潤滑油需經(jīng)冷卻器冷卻散熱及過濾器過濾，完成下一個(gè)循環(huán)，這些熱量的流失導(dǎo)致能量利用率低[3]。目前，噴油螺桿空壓機(jī)余熱回收多采用一次余熱回收方式，這種余熱回收系統(tǒng)雖然換熱效率較高，但如果設(shè)備清理不及時(shí)則易出現(xiàn)結(jié)垢及換熱裝置泄露的情況。為克服一次余熱回收方式的弊端，可采用二次余熱回收的方式，該方式借助熱回收裝置通過兩次熱交換將熱量回收，不但提高了系統(tǒng)的換熱效率，也一定程度上加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8-10]。無油螺桿空壓機(jī)理論上可達(dá)到100%余熱回收，但離心式空壓機(jī)需借助熱能換熱收集器回收余熱[11]。目前對(duì)空壓機(jī)余熱回收的研究相對(duì)較多，但對(duì)余熱回收后利用的設(shè)計(jì)研究及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析并不多。

本文以新疆地區(qū)某煤礦噴油螺桿空壓機(jī)為例，通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，[JP+1]采用二次余熱回收的方式，將空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱回收利用作為洗浴水加熱熱源，并分析了該余熱回收系統(tǒng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，為礦區(qū)空壓機(jī)余熱回收設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)例參考[11-12]。

1項(xiàng)目概況

以新疆地區(qū)某煤礦為例，利用礦區(qū)空壓機(jī)的余熱來制備洗浴熱水。該煤礦廠區(qū)內(nèi)有4臺(tái)空壓機(jī)，其中，185 kW空壓機(jī)2臺(tái)，160 kW空壓機(jī)2臺(tái)。采用風(fēng)冷系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)1臺(tái)185 kW的空壓機(jī)，其他空壓機(jī)為備用。這種傳統(tǒng)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻效果比較差，尤其夏季冷卻效果更差，長此以往不利于空壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，大大縮短了空壓機(jī)的使用壽命，同時(shí)將空壓機(jī)的余熱散失到空氣當(dāng)中，[JP2]造成能源浪費(fèi)。本次改造利用4臺(tái)120 kW油-水換熱器空壓機(jī)余熱回收裝置進(jìn)行余熱回收，用于制備45 ℃洗浴熱水，從而進(jìn)一步減少洗浴用熱水的投資。

2項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

2.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

空壓機(jī)余熱回收利用設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)為《工業(yè)供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019—2015）、《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015—2003）、《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施暖通空調(diào)·動(dòng)力》（2009）、《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·給水排水》（2009）、《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50243—2002）等規(guī)范文件。整個(gè)空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)由一次循環(huán)系統(tǒng)、二次循環(huán)系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)組成[13]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，擬回收空壓機(jī)60%的熱量用于洗浴用水的加熱。為了能夠更好地減少熱量損失，余熱回收的管道都做了保溫處理。

由圖1可知，從高溫保溫水箱出來的水在循環(huán)水泵的作用下通過油-水換熱器吸收空壓機(jī)60%的熱量，再流經(jīng)高溫保溫水箱釋放熱量完成一次循環(huán)過程;自來水流經(jīng)高溫水箱吸收釋放的那部分熱量以達(dá)到洗浴溫度，再由洗浴供水泵送到洗浴水箱完成二次循環(huán)過程。為保證一次循環(huán)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，礦井自來水經(jīng)過軟化處理后在補(bǔ)水泵作用下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水[14-15]。

2.2工藝核心技術(shù)

設(shè)計(jì)方案通過對(duì)空壓機(jī)余熱進(jìn)行回收，保證空壓機(jī)正常運(yùn)行并防止余熱系統(tǒng)結(jié)垢。采用二次閉式換熱技術(shù)及高效反沖逆流換熱技術(shù)，首先是90 ℃以上的高溫機(jī)油與一次閉式換熱機(jī)組的軟水互相閉式循環(huán)冷熱交換。由于從高溫?zé)嵊椭刑崛〉臒崃渴且欢ǖ模浰谟退畵Q熱器出口處溫度與流速有關(guān)，經(jīng)計(jì)算出口處最高溫度可以達(dá)到60～70 ℃;然后一次換熱機(jī)組的軟水提取熱量后進(jìn)入加熱保溫水箱的內(nèi)置盤管中，直接對(duì)30 m帶內(nèi)置防結(jié)垢換熱盤管的加熱保溫水箱內(nèi)洗浴水進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱保溫水箱液位和溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值，自動(dòng)通過洗浴供水泵輸入原有的洗浴保溫水箱供職工洗浴使用，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制無人值守。

3余熱回收利用計(jì)算

一般余熱回收熱量為空壓機(jī)輸入功率60%～70%的熱量[14]，按照本礦區(qū)正常運(yùn)行1臺(tái)功率為185 kW的空冷空壓機(jī)，回收效率為60%進(jìn)行計(jì)算，可以回收111 kW的熱量，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)按照每天運(yùn)行24 h，根據(jù)式（1）計(jì)算。

Q=cmΔt， （1）

式中：Q為空壓機(jī)余熱回收總熱量，kJ;c為水的比熱容，kJ/（kg·℃）;m為每天制取熱水量，kg;Δt₁為洗浴用水溫差，℃。

考慮保溫水箱內(nèi)換熱器效率，按照系統(tǒng)熱量最大損失10%計(jì)算，即熱轉(zhuǎn)化效率取90%。夏季以進(jìn)水溫度10 ℃計(jì)算，制取45 ℃洗浴熱水，則夏季每日可制取58.9 t熱水;春秋季以進(jìn)水溫度8 ℃計(jì)算，能夠制取45 ℃的熱水量，則春秋季每日可制取55.7 t熱水;冬季以進(jìn)水溫度5 ℃計(jì)算，能夠制取45 ℃的熱水量，則冬季每日可制取51.5 t熱水。

4設(shè)備選型

1）油-水換熱器選型空壓機(jī)負(fù)荷為185 kW，回收率為60%，其運(yùn)行負(fù)荷為111 kW，根據(jù)以上參數(shù)每個(gè)機(jī)組選擇1臺(tái)120 kW的油-水換熱器，共4臺(tái)。

2）循環(huán)水泵選型循環(huán)水泵流量依據(jù)式（2）計(jì)算。

G=0.86Q/Δt， （2）

式中：G為水泵流量，kg/h;Q為水系統(tǒng)的負(fù)荷，kW;Δt為系統(tǒng)設(shè)計(jì)水溫差，℃。

依據(jù)系統(tǒng)循環(huán)水量及環(huán)路阻力確定水泵流量及揚(yáng)程，所選循環(huán)水泵均為一用一備。循環(huán)水泵揚(yáng)程利用式（3）進(jìn)行計(jì)算。

H=H+H+H， （3）

式中：H為循環(huán)水泵揚(yáng)程，Pa;H為水系統(tǒng)總的揚(yáng)程阻力損失，Pa;H為水系統(tǒng)總的局部阻力損失，Pa;H為設(shè)備阻力損失，Pa。

3）補(bǔ)水泵選型正常補(bǔ)水量為1%，但要考慮事故發(fā)生時(shí)的補(bǔ)水量，應(yīng)不低于正常補(bǔ)水量的4%，故本系統(tǒng)采用6%。補(bǔ)水泵選用時(shí)要本著“一用一備”的原則，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用2臺(tái)補(bǔ)水泵，每臺(tái)水泵補(bǔ)3%。水泵參數(shù)如表1所示。

4）加熱保溫水箱選型根據(jù)煤礦職工洗浴需求規(guī)范，以及實(shí)際用水量情況，選取30 m不銹鋼保溫水箱一座[14]。

5）其他設(shè)備選型加熱保溫水箱內(nèi)置盤管換熱器1套;低壓配電柜及PLC控制柜各1臺(tái);反滲透純水（軟水）器1臺(tái)（流量1 t/h）。

主要設(shè)備選型如表2所示。

5經(jīng)濟(jì)性分析

5.1初投資費(fèi)用

本項(xiàng)目設(shè)備購置費(fèi)用及安裝費(fèi)用均采用詢價(jià)的方式進(jìn)行計(jì)算，土建類工程按同類工程實(shí)際建設(shè)價(jià)格進(jìn)行計(jì)算。工程安裝依據(jù)《煤炭建設(shè)機(jī)電安裝工程概算指標(biāo)》，[JP2]并參照同類工程實(shí)際發(fā)生價(jià)格進(jìn)行計(jì)算[14-16]，包括水泵、水箱、水管閥件等設(shè)備費(fèi)，設(shè)備安裝費(fèi)用以及稅費(fèi)，總投資約為57.73萬元。

5.2運(yùn)行費(fèi)用

參照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)和燃?xì)鈨r(jià)格，依據(jù)本項(xiàng)目系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，統(tǒng)計(jì)基本參數(shù)如表3所示。

浴室加熱系統(tǒng)全年運(yùn)行，主要運(yùn)行設(shè)備包括熱水循環(huán)水泵、洗浴水泵，由于補(bǔ)水泵運(yùn)行時(shí)間較短，不做考慮。設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用如表4所示。

5.3燃?xì)忮仩t費(fèi)用

通過空壓機(jī)余熱回收利用計(jì)算得系統(tǒng)每小時(shí)可回收余熱111 kW，則全年回收余熱由式（4）計(jì)算。

Q=3.6 PT， （4）

式中：Q為全年余熱回收熱量，MJ;P為余熱回收功率，kW;T為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h。

由式（4）得全年可回收余熱3 500 496 MJ，相當(dāng)于87 952 m天然氣所釋放的熱量，燃?xì)赓M(fèi)用24.7萬元。

5.4投資回收期

該項(xiàng)目總投資費(fèi)用為57.73萬元，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為1.61萬元，采用空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)相較于燃?xì)忮仩t每年可節(jié)省費(fèi)用23.09萬元，計(jì)算可得該項(xiàng)目靜態(tài)投資回收期約為2.5 a。

6結(jié)語

礦區(qū)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其利用余熱制備洗浴用水，提高了能量的利用率，同時(shí)余熱的回收也改善了空壓機(jī)冷卻在夏季應(yīng)用效果不佳的情況，提升了空壓機(jī)的使用壽命，充分發(fā)揮了空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)。研究主要結(jié)論如下：

1）本設(shè)計(jì)中一次換熱系統(tǒng)使用油-水換熱器可回收空壓機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的多余熱量;二次換熱系統(tǒng)采用帶內(nèi)置防結(jié)垢換熱盤管的加熱保溫水箱實(shí)現(xiàn)了洗浴用水的加熱和保溫;

2） 該項(xiàng)目年可回收余熱為3 500 496 MJ，節(jié)約燃?xì)膺_(dá)87 952 m³，具有較強(qiáng)的節(jié)能性;

3）該項(xiàng)目年運(yùn)行費(fèi)用為1.61萬元，相較于燃?xì)忮仩t可節(jié)省23.09萬元，項(xiàng)目靜態(tài)投資回收期為2.5 a，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，是一套可實(shí)用的方案。

新疆某礦區(qū)空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)為其他礦區(qū)的余熱回收利用改造提供了參考。由于本項(xiàng)目空壓機(jī)數(shù)量較少，回收余熱量有限，對(duì)余熱的利用也較為單一。后續(xù)研究可針對(duì)大型煤礦及空壓機(jī)數(shù)目較多的工程設(shè)計(jì)相應(yīng)的余熱回收系統(tǒng)，并將余熱應(yīng)用于供暖季初末段的熱源及空調(diào)新風(fēng)預(yù)熱等，從而進(jìn)一步分析不同形式下的能量利用率，為礦區(qū)空壓機(jī)的余熱回收改造提供更有力的指導(dǎo)。

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