高寒隧道空壓機房熱能轉(zhuǎn)換供洞外取暖的研究

張少兵

摘 要：雀兒山隧道地處高原高寒地區(qū)、環(huán)境極其惡劣，隧道進口海拔4366m，年極端最低溫度-34.7℃。拌合站材料暖棚及拌合用水升溫、鋼筋加工棚、焊接車間、施工人員辦公及宿舍等，都需要大量的熱能。通過對空壓機房熱能的合理利用，減少了能源浪費、降低了施工成本、降低了環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：空壓機組；熱能利用；節(jié)能；效益；環(huán)保

引言

隧道施工中開挖及支護都需要空壓機為其提供穩(wěn)定的高壓供風(fēng)?？諌簷C在產(chǎn)生高壓空氣過程中會產(chǎn)生大量熱能，合理有效的利用這些能源，既可為企業(yè)創(chuàng)造良好的收益，也保護了環(huán)境。熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)充分利用空壓機工作時的熱量，冷熱交換將循環(huán)水中的冷水升溫至50-70℃的熱水，通過溫控及供水系統(tǒng)將熱水供應(yīng)到生產(chǎn)生活使用區(qū)。

1 空壓機熱能轉(zhuǎn)換熱水或熱氣工作原理

隧道空壓機房熱能轉(zhuǎn)換原理：壓縮機在工作過程中產(chǎn)生的熱量中大部分被壓縮后的油氣混合物帶走。這些油氣混合物經(jīng)過分離，分別在油冷卻器和氣冷卻器中被冷卻介質(zhì)（水或空氣）帶走。通過配置熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以在高溫機油管道未到達空壓機散熱器之前，串聯(lián)接入熱能轉(zhuǎn)換油路，通過冷熱交換將循環(huán)水中的冷水升溫至50-70℃的熱水，于此同時高溫油路中的機油得以釋放熱能，經(jīng)釋放熱能后的低溫油路，進過空壓機油冷卻器降溫系統(tǒng)后，進入空壓機重新參與降溫循環(huán)，經(jīng)冷熱轉(zhuǎn)換升溫的循環(huán)水，通過溫控及供水系統(tǒng)將熱水供應(yīng)到生產(chǎn)生活使用區(qū)。理論上講，除了2%的輻射熱量不能回收外，幾乎98%的熱量均可以被回收利用。

當(dāng)空氣壓縮機運行一段時間后，機體及冷卻機油溫度升高，當(dāng)冷卻機油溫度升高到熱交換器旁通閥的溫度設(shè)定值時，閥門自動打開，冷卻機油進入熱交換器將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水。當(dāng)熱能轉(zhuǎn)換回收系統(tǒng)的熱水暫時不需要或停止使用時，熱交換器內(nèi)不發(fā)生熱量交換時，冷卻機油仍然保持高溫狀態(tài)（通常大于油冷卻器旁通閥的設(shè)定溫度），于是冷卻器油經(jīng)油冷卻器旁通閥進入油冷卻器進行冷卻后再進入空壓機，保證空壓機正常工作?？諌簷C熱能轉(zhuǎn)換器就是通過介質(zhì)吸收熱能，達到空壓機高溫冷卻油路降溫的目的，同時使降溫介質(zhì)升溫，達到熱能利用的目的。

2 空壓機房熱能轉(zhuǎn)換利用計算

雀兒山隧道供風(fēng)選用艾唯特SG-132/8型螺桿空壓機，排氣壓力為0.8MPa，排氣量為22.7m3/min，電機功率為132kw?？諌簷C房共計配置132kw空壓機8臺，7臺使用1臺備用。

空壓機工作過程實際就是將電能轉(zhuǎn)換成勢能和熱能及機械能的過程，真正在運行過程中用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占很小一部分，約10%，90%左右的電能被轉(zhuǎn)換了熱能，這部分熱被機器本身的傳熱部件所帶走或被風(fēng)機散發(fā)到了空氣中。所以我們通?？梢砸姷娇諌簷C及空壓機房都有大功率風(fēng)機在工作，排出的是熾熱的風(fēng)，空壓機正常運行時環(huán)境溫度需要控制在40℃以下。以雀兒山隧道項目為例進行熱能計算。

高原地區(qū)由于氣壓低，造成空壓機有效功率僅為81%，以空壓機有效功率90%電能轉(zhuǎn)化為熱能，采用油氣雙回收系統(tǒng)熱能回收率93%計算熱能回收總功率：

7臺空壓機有效總功率：132×7×0.81=748.44kw/h（一臺備用）

電能轉(zhuǎn)化熱能總功率：748.44×0.9=673.6kw/h

熱能回收總功率：673.6×0.93=626.5kw/h（每小時可利用熱能）

其中：熱能回收總功率62%即388.43kw/h被用于生產(chǎn)熱水隧道外供暖。

熱能回收總功率38%即238.07kw/h被用于生產(chǎn)熱風(fēng)隧道內(nèi)供暖。

根據(jù)以上計算空壓機房熱能回收總功率62%為：388.43kw/h如能充分利用：

1噸（1000升）水升溫1℃需要耗電量是1.16kw/h

需要將0℃的循環(huán)水升溫至60℃溫差為60℃

1噸（1000升）水升溫60℃需要耗電量是69.6kw/h

以每天空壓機房運行16小時計算：

V=（388.43×16）/69.6=89.3噸

結(jié)論：每天空壓機房工作16小時，7臺132kw/h空壓機，所釋放熱能通過4臺熱能轉(zhuǎn)換熱水機，可將0℃的水升溫至60℃總量89.3噸。

根據(jù)計算空壓機房熱能轉(zhuǎn)換為60℃熱水89.3噸，雀兒山隧道施工現(xiàn)場熱水分配方式數(shù)量如下：

（1）洗澡用水：每人洗澡用水30L，水溫50-60℃，現(xiàn)場施工及管理人員250人。

合計用循環(huán)熱水：V=250×30/1000=7.5噸

（2）拌合站封閉式料倉車間18000m3，耗熱量315kw/h，料庫及洞口值班房、發(fā)電機房、監(jiān)控室、制氧車間、吸氧室等合計4000m3，耗熱量70kw/h。以每天供暖6小時，通過水暖氣供暖方式，需要消耗熱量2310kw。

合計用循環(huán)熱水：V=2310/69.6=33.2噸

（3）宿舍及食堂等公共區(qū)域供暖面積4000m2，耗熱量指標(biāo)75w/m2，總耗熱量300kw/h，以每天供暖8小時，通過水暖氣供暖方式，需要消耗熱量2400kw。

合計用循環(huán)熱水：V=2400/69.6=34.5噸

（4）拌合站混凝土拌合用水，循環(huán)熱水取暖用量以外用于混凝土拌合用量。

合計用循環(huán)熱水：V=89.3-（7.5+33.2+34.5）=14噸

熱能轉(zhuǎn)換生產(chǎn)循環(huán)熱水系統(tǒng)，在使用過程中應(yīng)定期維修、保養(yǎng)，應(yīng)配備修理工2名、電工1名，此3人屬隧道施工配合班人員，進行日常檢查維護保養(yǎng)?？諌簷C房熱能轉(zhuǎn)換利用，需要在8臺空壓機的基礎(chǔ)上，配套安裝8套空壓機熱能轉(zhuǎn)換機，20m2的保溫水罐及相應(yīng)的連接管道。

3 效益分析

通過不斷的采用“新材料、新技術(shù)、新設(shè)備”完善隧道洞口配套設(shè)施施工環(huán)境升溫及保溫技術(shù)，提高混凝土拌合站及鋼構(gòu)件加工焊接車間環(huán)境溫度確保工程質(zhì)量、提高施工人員生產(chǎn)生活環(huán)境溫度，優(yōu)化施工環(huán)境，合理利用資源減少能源浪費。

雀兒山隧道施工中通常每循環(huán)打鉆3小時，噴射混凝土5小時，每天兩個循環(huán)供風(fēng)16小時，每小時節(jié)約利用熱能388.43kw，每天利用6215kw。經(jīng)熱能轉(zhuǎn)換利用后，空壓機房降溫設(shè)施，每臺空壓機4臺550w降溫風(fēng)扇，空壓機房10臺750w風(fēng)扇停用，每小時耗能23kw被節(jié)約，以用電每千瓦時0.8元計算，每天熱能利用4972元，節(jié)約用電294.4元，每年中半年冬季施工的利用升溫可節(jié)約96.11萬，4年5個冬季可節(jié)約481萬元，熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2臺空壓機配一臺熱能轉(zhuǎn)換熱水機，4臺熱水機24萬元，施工期間可節(jié)約457萬元。

通過對空壓機房熱能轉(zhuǎn)換利用，以及人員組織及機械配置，掌握了在極寒環(huán)境下隧道洞口配套設(shè)施供暖施工技術(shù)，充分了解隧道施工在高寒情況下的影響，采取合理的節(jié)能減排工藝，達到安全、經(jīng)濟的目的，對以后高海拔高寒地區(qū)隧道施工可起到指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1]錢斌江，任胎文，常家芳，等.簡明傳熱手冊[S].高等教育出版社，1983.

[2]供暖通風(fēng)設(shè)計手冊[S].中國建筑工業(yè)出版社，1987.