礦用空氣壓縮機余熱系統(tǒng)應用分析

李 偉

（晉能控股煤業(yè)集團永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037031）

1 永定莊煤業(yè)公司礦用空氣壓縮機應用情況

目前晉能控股煤業(yè)集團永定莊煤業(yè)公司地面安裝了3 臺JN250-8 型空氣壓縮機和1 臺LGS100/8.5G螺桿式空氣壓縮機，其中JN250-8 型空氣壓縮機電機功率為250 kW，流量為46.55 m3/min，風包容積4 m3，加載壓力0.7 MPa，卸載壓力0.78 MPa，安全閥開啟壓力0.8 MPa，冷卻方式水冷；另1 臺為LGS100/8.5G型螺桿式空氣壓縮機，電機功率2×280 kW，雙電機帶動運轉，排風量為100 m3/min，額定電壓6000 V。

電源來自6 kV 開閉所210 和213 電源柜。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要對壓風機各部溫度、排氣、壓為、電壓、電流、冷卻系統(tǒng)及安全回路進行監(jiān)測監(jiān)控。冷卻方式采用水冷[1]。

根據(jù)礦用空氣壓縮機工作性質，所有壓縮機必須24 h 正常工作，由于壓縮機在正常運轉時會產生大量熱量，特別在夏季壓縮機產生熱量后會造成機身發(fā)熱現(xiàn)象，導致壓縮機出現(xiàn)停機報警故障，對此對空氣壓縮機安裝了1 套余熱回收系統(tǒng)，通過余熱回收系統(tǒng)將空氣壓縮機產生的熱量進行回收，將回收的熱量一部分對職工澡堂進行供熱，另一部分對井下進行供熱，同時降低了空氣壓縮機機身溫度，保證了壓縮機安全穩(wěn)定運行。

2 空氣壓縮機控制系統(tǒng)

空氣壓縮機主要采用以PLC 為核心的自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。空氣壓縮機采用的自動控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對空氣壓縮機各項參數(shù)實時監(jiān)測、在線控制以及各設備之間互通等，從而提高空氣壓縮機自動化控制水平，空氣壓縮機自動化控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 礦用空氣壓縮機自動控制系統(tǒng)控制原理

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括攝像儀、傳感器、交換機、硬盤錄像機等部分組成，實時監(jiān)測上位機運行參數(shù)等；通過監(jiān)控系統(tǒng)可將空壓機運行狀態(tài)、工作壓力。機身溫度等數(shù)據(jù)實時上傳至交換機上，并通過顯示屏將信息集中顯示在控制平臺上，同時將數(shù)據(jù)信息存儲在硬盤錄像儀上。

2.2 控制系統(tǒng)部分

1）空氣壓縮機控制系統(tǒng)主要由PLC 控制柜、上位機、變頻器、低壓啟動柜以及傳感器組等部分組成，PLC 是空氣壓縮機核心部件，主要用于對空氣壓縮機各類參數(shù)進行收集、轉換以及發(fā)送等，收集信息主要包括空氣壓縮機運行狀態(tài)、設置參數(shù)、故障參數(shù)、水泵、風扇運行參數(shù)等[2]。

2）PLC 控制柜可將上位機下發(fā)的指令進行解析，然后對相關設備進行控制，如控制平臺啟動系統(tǒng)冷卻泵以及風扇時，PLC 控制柜接收指令后及時對設備開關進行聯(lián)鎖送電控制，從動冷卻水泵及風扇。

3）PLC 控制柜與上位機之間主要采用TCP 和IP兩種通信協(xié)議將收集的數(shù)據(jù)信息實時上傳至控制平臺內；PLC 控制柜與低壓啟動柜和變頻器之間主要采用CAN 總線通信進行數(shù)據(jù)交換。

4）傳感器組主要包括空氣壓縮機流量傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等，各類傳感器安裝在機身指定位置；PLC 控制柜周期性采集傳感器收集的數(shù)據(jù)，并通過A/D、濾波等進行轉換實現(xiàn)邏輯控制[3]。

5）PLC 控制柜對空氣壓縮機采用變頻控制模式，空氣壓縮機啟動后PLC 控制柜對壓力傳感器收集數(shù)據(jù)進行采集，與空氣壓縮機設定壓力值進行對比，并采用模糊PID 控制算法確保反饋值與設定值逼近，從而保證空氣壓縮機處于最佳工作狀態(tài)。

3 空氣壓縮機余熱回收系統(tǒng)

3.1 余熱回收系統(tǒng)結構組成

3.1.1 換熱器選型

1）換熱器是余熱回收系統(tǒng)中重要組成部分，采用型號為KSD－27440 的板式換熱器裝置，該裝置規(guī)格為長×寬=205 mm×184 mm，換熱器傳熱系數(shù)在2200～5400 W/（m2·℃）范圍內。換熱器工作時額定工作壓力為0.7 MPa，處理流量為8.5～14 m3/h。

2）KSD－27440 的板式換熱器體積及質量小，安裝空間小，結構相對緊密，所以在進行熱交換時熱量損失小；同時該裝置采用雙層密封結構且設置信號孔，一旦出現(xiàn)介質泄漏時可通過信號孔及時將熱量排除，起到安全報警作用。

3.1.2 空氣壓縮機螺桿

為了確保空氣壓縮機具有緊湊結構確保安裝余熱回收系統(tǒng)，對空氣壓縮機安裝了螺旋桿，有傳統(tǒng)空氣壓縮機未設置進排氣閥門，所以空壓機在進氣過程中只能通過調節(jié)閥開啟、關閉實現(xiàn)，若需安裝余熱回收系統(tǒng)時需對原空壓機進氣口進行優(yōu)化改進；而通過安裝螺旋桿后螺旋桿上的2 個轉子在轉動過程中主副轉子之間產生空隙，在此過程中齒槽內氣體可自由流動，實現(xiàn)排氣動作；待所有氣體排出后新的空氣灌入齒槽中，螺桿在運動時形成封閉空間，從而輔助空壓機吸氣動作[4]。

3.2 余熱回收系統(tǒng)工作原理

1）補水原理：當空氣壓縮機余熱系統(tǒng)在工作過程中，內部控制器及時檢測保溫箱內的水位情況，若水位未達到設定位置時通過PLC 控制作用使電磁閥自動打開，直至保溫箱內水位達到指定位置，補水完成后再次通過PLC 控制作用使電磁閥斷開，補水工序完成。

2）循環(huán)加熱原理：當空氣壓縮機保溫箱內水位到達最低水位時，箱內控制器對保溫箱內水溫進行監(jiān)測，控制器設定臨界動作溫度為45～60 ℃，當水溫低于45 ℃時空氣壓縮機內循環(huán)泵開始工作，對水箱水進行加熱；當水溫達到60 ℃時，內循環(huán)泵停止工作，停止加熱，同時通過控制作用打開電磁閥對水箱補水，直至到設定水位，如圖2 所示。

圖2 空氣壓縮機余熱回收系統(tǒng)工作原理

3.3 余熱回收系統(tǒng)控制特點

1）聯(lián)動控制作用：空氣壓縮機余熱回收系統(tǒng)無需獨立控制，當空氣壓縮機啟動后余熱回收系統(tǒng)及時運行，實現(xiàn)了聯(lián)動控制作用，降低了勞動作業(yè)強度，達到了全天候啟動及無人值守的目的。

2）實時監(jiān)測：系統(tǒng)在運行過程中能夠實時對余熱回收系統(tǒng)各項物理參數(shù)進行監(jiān)測，同時可對余熱回收系統(tǒng)進出口水溫、水箱內水位、補水電磁閥工況等進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了自動化巡檢，無需人工干預，自動化水平高[5]。

3）系統(tǒng)保護功能：空氣壓縮機余熱系統(tǒng)具有完善的自我保護功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障后及時發(fā)出警報，控制臺上故障報警燈亮起，當余熱回收系統(tǒng)出現(xiàn)故障后回收系統(tǒng)停止工作，但是空氣壓縮機會繼續(xù)正常運轉。

3.4 余熱回收系統(tǒng)功能特點

1）余熱回收系統(tǒng)中余熱回收機體積小、質量小且工作效率高、導熱性強等優(yōu)點，同時系統(tǒng)中換熱器采用高錳鋼材質，強度高，具有很強的耐壓性能及抗腐蝕性。

2）余熱回收系統(tǒng)采用冷水直熱方式，且通過自動控制系統(tǒng)控制，能夠實時對系統(tǒng)運行過程中各項參數(shù)進行調節(jié)以及故障診斷等。

3）余熱回收系統(tǒng)安裝后無需安裝空氣壓縮機冷卻扇，杜絕了傳統(tǒng)冷卻扇冷卻時效率低、降溫差、故障率高等現(xiàn)象，實現(xiàn)了空氣壓縮機余熱回收利用的目的。

4）空氣壓縮機余熱回收系統(tǒng)在使用過程中只消耗部分電能，無需安裝其他輔助設備，投入成本費用低，而且余熱回收系統(tǒng)安裝后提高了空氣壓縮機使用效率。

5）余熱回收系統(tǒng)與壓縮機采用獨立的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)投入使用不會改變空氣壓縮機各項參數(shù)，如控制方式、工作特性以及操作模式等，而且當余熱回收系統(tǒng)停止運行后空氣壓縮機可繼續(xù)工作。

4 結論

1）余熱回收系統(tǒng)在回收熱能過程中可對空氣壓縮機進行降溫處理，有效解決了傳統(tǒng)冷卻風扇降溫時降溫效果差、能耗高以及冷卻系統(tǒng)故障率高等技術難題，可提高空氣壓縮機工作效率。

2）空氣壓縮機余熱回收系統(tǒng)回收后的熱量對職工澡堂、井下供暖，無需燃煤供暖，從而減少了燃煤過程中產生的有害氣體排放，同時降低了燃煤成本費用。

3）通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，每臺空氣壓縮機余熱回收系統(tǒng)產生的熱水量達4.58 m3/h，每年可減少燃煤量達0.21 萬t，余熱回收系統(tǒng)工作時無需人工干預，從而減少了人工作業(yè)強度，全年可節(jié)約燃煤費用、人工費用達60 余萬元。