常村煤礦空壓機(jī)余熱回收研究與應(yīng)用

李鑫，常紅，高旭，陸曉科

（1.山西潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.山西潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；3.綠派（上海）能源股份有限公司，上海 200000）

常村煤礦空壓機(jī)余熱回收研究與應(yīng)用

李鑫1，常紅2，高旭3，陸曉科3

（1.山西潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.山西潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；3.綠派（上海）能源股份有限公司，上海 200000）

空壓機(jī)的使用是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一部分。螺桿空壓機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，通常通過(guò)自帶冷卻系統(tǒng)散熱排放，沒(méi)有進(jìn)行回收利用，造成了余熱浪費(fèi)。常村煤礦通過(guò)開(kāi)展空壓機(jī)余熱回收利用的研究，利用冷熱交換原理，將空壓機(jī)余熱充分收集起來(lái)，可加熱水至預(yù)設(shè)溫度供給職工洗浴，最終取代10 t燃煤小鍋爐熱水供應(yīng)方式，減少我礦自用煤消耗量及空氣污染，節(jié)省鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的各項(xiàng)費(fèi)用，同時(shí)，有效降低了空壓機(jī)運(yùn)行溫度，對(duì)我礦節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)等工作具有極其重要的意義。

煤礦；空壓機(jī)余熱回收；替代鍋爐

1 常村礦空壓機(jī)余熱回收改造的基礎(chǔ)條件

1.1 設(shè)備基本情況

常村煤礦現(xiàn)有空壓機(jī)站兩個(gè)，其中，井口空壓機(jī)站擁有250 kW螺桿空壓機(jī)5臺(tái)，洗煤廠空壓機(jī)站擁有250 kW螺桿空壓機(jī)8臺(tái)，共計(jì)13臺(tái)。

1.2 熱水使用情況

常村礦目前熱水使用地點(diǎn)主要有職工澡堂、社區(qū)澡堂、招待所食堂等，每日消耗的熱水量在1 500 t左右。目前提供熱水方式是，夏季采用一臺(tái)10 t鍋爐提供；冬季通過(guò)35 t供暖鍋爐提供，年消耗煤炭超過(guò)7 000 t。

2 空壓機(jī)余熱回收原理及試驗(yàn)論證

2.1 空壓機(jī)余熱回收裝置的技術(shù)背景

螺桿式空壓機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，把電能最終會(huì)轉(zhuǎn)化成大量的熱能，這些熱能都通過(guò)空壓機(jī)自身散熱系統(tǒng)，被無(wú)端地廢氣排往大氣中。近年，空壓機(jī)的余熱利用越來(lái)越被人們所重視，有一些廠家開(kāi)發(fā)的空壓機(jī)余熱回收的產(chǎn)品也能利用部分熱能，但這些產(chǎn)品并沒(méi)有作針對(duì)煤礦的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，它們運(yùn)行的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性和效率都有待提高。

2.2 本次改造流程圖解

通過(guò)在螺桿式空氣壓縮機(jī)中加裝余熱回收設(shè)備，根據(jù)冷熱交換原理，將空壓機(jī)運(yùn)行中的高溫?zé)崮?，收集利用起?lái)，加熱為35~70℃熱水（圖1）。

圖1

2.3 空壓機(jī)余熱回收裝置熱量回收效率試驗(yàn)研究

為對(duì)空壓機(jī)余熱回收效率進(jìn)行論證，特安排本礦空壓機(jī)進(jìn)行如下測(cè)試，并得到了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

空壓機(jī)回收效率論證

（1）空壓機(jī)基本參數(shù)

型號(hào)：GA250 最高工作壓力：0.85 MPa

輸入功率：250 kW 排氣量：40 m3/min

額定電壓：380 V 額定轉(zhuǎn)速：1 489 r/min

（2）空壓機(jī)產(chǎn)生的熱量

空壓機(jī)產(chǎn)生的熱量主要包括三個(gè)部分：壓縮空氣產(chǎn)生的熱量、輸電熱損以及機(jī)械摩擦熱量。

（3）可回收的熱量

考慮到在做空壓機(jī)余熱回收時(shí)，不對(duì)壓縮機(jī)排氣產(chǎn)生影響，我們只回收冷卻油里的熱量高，經(jīng)實(shí)際測(cè)得：

進(jìn)油溫度T1:

1#機(jī)60.2oC 2#機(jī)56.6oC

3#機(jī)(備用) 4#機(jī)65.5oC

5#機(jī)54.7oC

平均：59.25oC

出油溫度T2:

1#機(jī)84.4oC 2#機(jī)81.1oC

3#機(jī)(備用) 4#機(jī)99.4oC

5#機(jī)78.8oC

平均：85.925oC

M——壓縮機(jī)頭噴油量223（kg/min）

C——螺桿油比熱 0.45（大卡/kg.℃）

根據(jù)熱力學(xué)公式，每小時(shí)油中含有熱量：

=0.45×223×(60×92%)×(T2-T1)

=0.45×223×（60×92%）×26.675

=147558.8大卡

空壓機(jī)做工產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換熱量為：

25 0kW×860×92%=1 978 000大卡

其中，860——系數(shù)；1 KWH=860大卡；92%——加載率。

回收效率=回收能量（油中熱量）/空壓機(jī)做工產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換熱量：147558.8/1978000=0.746

因此可回收的熱量約占空壓機(jī)軸功率的74.6%，余熱回收率（含熱輻射損耗）為94%，則實(shí)際可回收的功率占空壓機(jī)軸功率的：74.6%×94%=70%。

2.4 空壓機(jī)回收熱量實(shí)際測(cè)試結(jié)果

空壓機(jī)加載率實(shí)際測(cè)得為90%，實(shí)際可回收效率經(jīng)前面論證為70%，以下為理論單臺(tái)空壓機(jī)回收量如表1所示。

表1

自設(shè)備安裝運(yùn)行后共進(jìn)行了多次測(cè)試，分別進(jìn)行了多個(gè)層次的溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2

結(jié)論：通過(guò)以上兩個(gè)表格的對(duì)比，空壓機(jī)余熱回收效率可達(dá)到理論回收效率，甚至略高。由此證明，空壓機(jī)余熱回收關(guān)鍵的回收效率是可以保證的，從油溫的理論論證到實(shí)際回收熱值的分析都證明了此點(diǎn)。

3 常村礦空壓機(jī)余熱回收改造實(shí)施方案

3.1 改造思路

通過(guò)安裝余熱回收裝置，對(duì)13臺(tái)空壓機(jī)全部進(jìn)行改造，并將回收熱量轉(zhuǎn)化成澡堂洗浴等生活所需熱水，經(jīng)新敷設(shè)保溫管路輸送到澡堂水塔后，供給各熱水使用地點(diǎn)。綜合其他節(jié)能和補(bǔ)水措施，取代現(xiàn)在使用的10 t燃煤鍋爐。對(duì)于夏季空壓機(jī)檢修時(shí)熱水提供問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，需要提前協(xié)調(diào)熱泵及鍋爐的使用。

3.2 改造方案

針對(duì)常村礦現(xiàn)有井口和洗煤廠兩個(gè)壓風(fēng)機(jī)站，提出此如下改造方案，即：首先分別在井口5臺(tái)空壓機(jī)邊設(shè)置余熱回收裝置，并于空壓機(jī)房北側(cè)建儲(chǔ)水箱和控制機(jī)房。利用現(xiàn)有管溝敷設(shè)余熱利用回收系統(tǒng)管路至供暖隊(duì)儲(chǔ)水池，并入供暖隊(duì)現(xiàn)有冷、熱水供水系統(tǒng)。然后分別在洗煤廠8臺(tái)空壓機(jī)邊設(shè)置余熱回收裝置，于附近建儲(chǔ)水箱和控制機(jī)房。利用現(xiàn)有管溝敷設(shè)余熱利用回收系統(tǒng)管路至供暖隊(duì)儲(chǔ)水池，并入供暖隊(duì)現(xiàn)有冷、熱水供水系統(tǒng)，如圖2所示。

4 常村礦空壓機(jī)余熱回收技術(shù)針對(duì)性特點(diǎn)

4.1 空壓機(jī)余熱交換溫度電控技術(shù)

因根據(jù)熱水使用端熱水溫度需求不同，故需要對(duì)回收余熱的溫度進(jìn)行控制。解決方案由一個(gè)溫度調(diào)節(jié)閥對(duì)壓縮機(jī)的油流量進(jìn)行控制，并通過(guò)控制面板實(shí)現(xiàn)溫度的可目視數(shù)字化控制，從而確保了溫度的調(diào)節(jié)和空壓機(jī)壓縮機(jī)的最佳運(yùn)行。

圖2 改造基本原理圖

4.2 設(shè)備自動(dòng)化控制研究

空壓機(jī)余熱回收電氣控制系統(tǒng)，是針對(duì)煤礦空壓機(jī)余熱回收設(shè)備專門開(kāi)發(fā)的一套控制系統(tǒng)，其具有以下特點(diǎn)：

（1）空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)的泵站水泵自動(dòng)、手動(dòng)控制。

（2）空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)相關(guān)溫度、壓力、水位檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示。

（3）與空壓機(jī)系統(tǒng)之間的連鎖控制。

（4）系統(tǒng)的無(wú)人值守、自動(dòng)控制。

4.3 保溫水箱保溫效果研究

余熱回收系統(tǒng)采用循環(huán)加熱效果，且常村煤礦洗浴時(shí)段不同，設(shè)計(jì)有保溫水箱，其保溫層采用50 mm超厚橡塑保溫層，全自動(dòng)整體發(fā)泡技術(shù)一次成型，內(nèi)外雙層采用SUS304不銹鋼板精工模壓而成。

經(jīng)試驗(yàn)保溫時(shí)限為10~30℃下24h內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下降溫在5 ℃以內(nèi)；-10~10℃下24h內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下降溫在10℃以內(nèi)。

4.4 板式換熱器二次循環(huán)技術(shù)

根據(jù)調(diào)研，常村礦洗浴用水為深井水，礦物質(zhì)含量高，經(jīng)高溫加熱后容易出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象，而余熱回收裝置作為一體機(jī)，拆卸清洗比較困難，且影響正常工作。因此，加入二次板換系統(tǒng)，增加一條純凈水和生活用水熱交換的工序，把結(jié)垢問(wèn)題放在二次循環(huán)上，有效解決了結(jié)垢的問(wèn)題。

4.5 二次循環(huán)軟化水設(shè)備及工藝

常村礦洗浴用水即屬于深井水，在上文中提到需要進(jìn)行純凈水和深井水之間進(jìn)行二次交換，因此需要設(shè)備解決一次交換中純凈水需求，利用納米晶產(chǎn)生的高能量，把水中游離的鈣、鎂、碳酸氫根離子打包成納米級(jí)的晶體，從而阻止游離離子生成水垢。

5 社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 總述

經(jīng)過(guò)1年多的研究與實(shí)踐，常村煤礦空壓機(jī)余熱回收技術(shù)研究與應(yīng)用成功，解決了常村煤礦空壓機(jī)余熱浪費(fèi)的問(wèn)題，保障了空壓機(jī)的正常運(yùn)行，結(jié)合了熱泵與節(jié)水之后，替代原有10 t燃煤鍋爐，使常村煤礦取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。消除了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員對(duì)空壓機(jī)回收效率及使用安全方面的顧慮，同時(shí)有效緩解了長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾常村煤礦的空壓機(jī)夏季高溫停機(jī)的問(wèn)題，且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 應(yīng)用效果

決定空壓機(jī)余熱回收產(chǎn)水量的主要因素有進(jìn)水溫度、出水溫度、空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)量、加載率等，現(xiàn)就運(yùn)行臺(tái)數(shù)9臺(tái)（加載率91%）的情況下說(shuō)明，具體參見(jiàn)表3。

表3

5.3 社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益

產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益537.06萬(wàn)元/年。

空壓機(jī)余熱回收，輔助以熱泵及節(jié)水措施，可以取代10 t鍋爐提供熱水，用于職工洗浴。大幅度減少常村煤礦自用煤消耗量、燃煤造成的環(huán)境污染及鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)、維修費(fèi)、折舊費(fèi)等各項(xiàng)費(fèi)用，同時(shí)可以降低空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，保障空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.4 產(chǎn)生社會(huì)效益

（1）年減少CO2排放量12 889 t，相當(dāng)于36公頃森林1年吸收的CO2量。

（2）年減少SO2排放量121 t，相當(dāng)于168公頃柳杉林1年吸收的SO2量。

（以上數(shù)據(jù)以標(biāo)煤計(jì)算）

5.5 推廣價(jià)值

（1） 空壓機(jī)熱能回收性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)理論及實(shí)踐的論證，在空壓機(jī)負(fù)載率100%的情況下，可實(shí)現(xiàn)回收空壓機(jī)軸功率的70%。熱水產(chǎn)量可達(dá)約800t/日，搭配水源熱泵最終替代10 t鍋爐提供熱水。

（2）有效降低空壓機(jī)運(yùn)行溫度。根據(jù)對(duì)比，改造前空壓機(jī)運(yùn)行平均溫度在90℃左右，改造后，空壓機(jī)運(yùn)行平均溫度降低至70℃左右，有效降低了空壓機(jī)運(yùn)行溫度，杜絕空壓機(jī)高溫運(yùn)行隱患，延長(zhǎng)空壓機(jī)壽命。

（3）空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)自動(dòng)化程度高。通過(guò)空壓機(jī)余熱回收裝置對(duì)進(jìn)出水溫的控制，以及對(duì)保溫水箱、水塔水位和水溫條件的精準(zhǔn)控制，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置溫度等技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)控制、自動(dòng)補(bǔ)水的目的，充分考慮到了實(shí)際供水狀況，自動(dòng)化程度高。

（4）可推廣性強(qiáng)。煤礦企業(yè)具有以下特性：數(shù)量較多的空壓機(jī)、職工洗浴的熱水需求、國(guó)家對(duì)礦用鍋爐控制收緊。另外空壓機(jī)余熱回收運(yùn)行費(fèi)用極低，因此扎根于常村煤礦進(jìn)行的本次研究，具有極高的可推廣性。

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[3] 王曉璐. 無(wú)油螺桿空氣壓縮機(jī)熱回收系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 通用機(jī)械，2011,9.

TD443.2

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