義安礦業(yè)空壓機余熱利用系統(tǒng)設(shè)計

劉武臣 李亞超

[摘 ? ?要]空壓機運行時會產(chǎn)生大量的壓縮熱，壓縮熱消耗的能量占機組運行功率的85%，通常這部分能量通過機組的風冷或水冷系統(tǒng)交換到大氣當中。根據(jù)相應(yīng)類型壓縮機的結(jié)構(gòu)和原理適當?shù)剡M行改造，將其熱量回收，結(jié)合礦區(qū)實際情況對這些熱源進行利用，那么就可以變廢為寶，將原本排入環(huán)境的熱量收集利用，減少鍋爐加熱的燃氣消耗量。

[關(guān)鍵詞]空壓機;余熱回收;洗浴;節(jié)能

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Design of Waste Heat Utilization System of Air Compressor in Yi'an Mining

Liu Wu-chen，Li Ya-chao

[Abstract]When an air compressor is running， a large amount of heat of compression will be generated， and the energy consumed by the heat of compression accounts for 85% of the operating power of the unit. Usually， this part of the energy is exchanged to the atmosphere through the air-cooling or water-cooling system of the unit. According to the structure and principle of the corresponding type of compressor， it is appropriate to transform， recover its heat， and use these heat sources in combination with the actual situation of the mining area， then you can turn waste into treasure， collect and utilize the heat originally discharged into the environment， and reduce boiler heating. of gas consumption.

[Keywords]air compressor; waste heat recovery; employee bathing; energy saving

1 義安礦業(yè)職工洗浴用水狀況及空壓機運行情況

1.1 職工洗浴用水情況

目前的洗浴主要采用浴池和淋浴相結(jié)合的形式，淋浴供水和浴池供水為2路供水?，F(xiàn)有22 m3和11.6 m3的客人浴池2個，每天一換水，12.5 m3的中層干部浴池2個，每天三班，一次一換水;25 m3的職工浴池2個，每天三換水;現(xiàn)單天平均洗浴人數(shù)為1200人，洗浴用水溫度為40～45 ℃。每天洗浴熱水使用量大約300 t。

1.2 空壓機運行情況

義安礦業(yè)共有功率為250 kW的復(fù)盛空壓機4臺，總裝機容量1000 kW，兩臺運行，1臺備用，1臺檢修，見表1。

2 空壓機余熱回收的可行性及計算結(jié)果

根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在空壓機工作時，空壓機卸載時的產(chǎn)熱量較小暫不考慮，根據(jù)實際運行時間及功率數(shù)據(jù)計算，當運行2臺250 kW空壓機時（2臺每天開機24 h，備用1臺每天開機12 h），電力熱值為3600 kJ/（kW·h），總計熱量回收（250 kW×2×0.95×0.72×3600 kJ/kW·h×24 h）+（250 kW×0.95×0.72×3600 kJ/kW·h×12 h）=36936000 kJ。當運行1臺250 kW空壓機時（每天開機24 h），總計熱量回收250 kw×0.95×0.72×3600 kJ/kW·h×24 h=14774400 kJ，見表2。

制熱水量計算：水的比熱容公式為Q=C×M×Δt（C=4.2 kJ/kg·℃），比如：1臺250 kW空壓機運行24 h，按進水溫度15 ℃所產(chǎn)熱水溫度50 ℃計算，則每天產(chǎn)熱水為101 t。

式中，M為熱水產(chǎn)量、C為水溶熱比4.2 kJ/kg·℃、Q為回收熱量、Δt為溫差。

根據(jù)上述內(nèi)容綜述：在3臺250 kW的空壓機運行時（2臺每天開機24 h，另1臺每天開機12 h），冬季每天可以生產(chǎn)50 ℃熱水252 t左右，春秋季每天可以生產(chǎn)50 ℃熱水292 t左右，夏季每天可以生產(chǎn)50 ℃熱水315 t左右，供職工澡堂全天洗浴用水。

3 空壓機余熱回收系統(tǒng)設(shè)備及管路的選擇

3.1 空壓機余熱回收機組

空壓機余熱回收機4臺，規(guī)格為250 kW余熱回收機組，每1臺余熱回收機組含有循環(huán)水泵1臺、溫度控制器1個，可根據(jù)油溫和水溫情況，自動運行。空壓機余熱回收機配合水泵和管路能夠起到高效、安全和可靠地回收壓縮機潤滑油產(chǎn)生的熱能，同時有效減少了空壓機原風冷循環(huán)系統(tǒng)的運行時間，能在短時間內(nèi)將水加熱[1]。

空壓機原有冷卻系統(tǒng)與余熱回收系統(tǒng)為兩套完全獨立的系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)的切換通過機組油溫和風冷雙重控制，在余熱回收系統(tǒng)不需要啟用時，使用空壓機原來的風循環(huán)冷卻系統(tǒng);當余熱回收系統(tǒng)啟動時，通過溫控閥切換至余熱回收系統(tǒng)，如圖1所示。

3.2 循環(huán)及保溫儲熱水箱

考慮到水箱保溫效果好壞關(guān)系到能耗，采用保溫性能良好、壽命較長的雙層不銹鋼水箱。水箱為方形雙層不銹鋼水箱，水箱材料為430，保溫層為5 cm聚氨脂發(fā)泡。在不用水的情況下，24 h溫度下降幅度小于5 ℃。在空壓機房設(shè)計循環(huán)水箱18 m3，在凈化站設(shè)計保溫儲熱水箱168 m3。

3.3 供水管道

考慮到供水管道必須耐熱、防銹、耐腐蝕，所采用管材全部為鍍鋅鋼管。管道外部采用橡塑保溫棉包裹，能達到降低冷損和熱損的效果。橡塑保溫棉外部再以鋁皮全部包裹[2-3]，外觀整潔美觀，保溫效果好。

3.4 水泵

考慮到空壓機循環(huán)水箱至凈化站保溫儲熱水箱高差為10 m，供水距離約150 m，供水水質(zhì)無雜質(zhì)，水溫最高為60 ℃，特選擇型號為50-160（1）A型立式管道泵，流量23.4 m3、揚程28 m、電機功率3 kW，一備一用。

3.5 阻垢設(shè)備

為減少水垢產(chǎn)生和保障人體健康，在空壓機循環(huán)水箱前端設(shè)計安裝1臺進水量為20 m3/h的硅磷晶罐，當系統(tǒng)用水時，“硅磷晶”即可進入用水系統(tǒng)，并開始起作用。

4 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 空壓機余熱利用工藝流程

空壓機余熱回收系統(tǒng)由4臺空壓機余熱回收機、熱水增加泵、硅磷晶罐、進水電動閥門、空壓機余熱循環(huán)水箱、保溫儲熱水箱、溫度和液位傳感器組成，工藝流程是：打開空壓機余熱循環(huán)水箱進水端電動閥門，達到空壓機余熱循環(huán)水箱設(shè)定液位，啟動空壓機余熱回收機進行熱量交換，將循環(huán)水箱水溫加熱至設(shè)定溫度，開啟熱水增壓泵，把水搬運至凈化站保溫儲熱水箱，當循環(huán)水箱水位低至設(shè)定的液位下限時打開進水電動閥門，周而復(fù)始循環(huán)。

4.2 余熱利用控制原理及PLC模塊選擇

空壓機余熱回收機通過自身溫度控制器來控制余熱回收機組的啟停，PLC通過監(jiān)測水箱的溫度、液位來控制熱水增壓泵、進水電動閥門的啟停，同時把各運行參數(shù)與設(shè)定上下限值進行比對，超過則自動報警或停機，保護設(shè)備安全。

空壓機余熱利用系統(tǒng)采用西門子S7-200SMART（CPU SR20）PLC和S7-200SMART（EM AE04）模擬量采集模塊，PLC配置有以太網(wǎng)通訊接口，方便數(shù)據(jù)傳輸和信號采集。通過顯示屏可以隨時對空壓機余熱利用系統(tǒng)運行的各項參數(shù)進行全方位的監(jiān)測和控制。PLC程控功能包括：水箱進水自動控制、熱水增壓泵自動控制、熱水增壓泵自動輪換、各溫度液位上下限報警、硅磷晶罐藥量報警等功能。

4.3 電氣控制回路設(shè)計

4.3.1 主電路設(shè)計

4臺余熱回收機分別由4個三相空氣開關(guān)提供電源，1#熱水增壓泵由接觸器KM1控制，2#熱水增壓泵由接觸器KM2控制，進水電動閥門正轉(zhuǎn)（開）由接觸器KM3控制，進水電動閥門反轉(zhuǎn)（關(guān)）由接觸器KM4控制。主電路圖如圖2所示。

4.3.2 控制電路設(shè)計

控制電路有手動和自動模式，由旋鈕SA1進行選擇，當選擇手動時，分別按下相應(yīng)的啟停按鈕時，可分別控制相應(yīng)水泵的啟停和電動閥門開關(guān)，當選擇自動時，由PLC程序自動控制，控制電路圖如圖3所示。

4.3.3 自動控制程序設(shè)計

進水閥門的自動控制：在自動狀態(tài)下，當循環(huán)水箱實際液位小于設(shè)定液位下限時，進水電動閥門自動打開，當循環(huán)水箱實際液位大于設(shè)定液位上限時，進水電動閥門自動關(guān)閉。

熱水增壓泵的自動控制：在自動狀態(tài)下，循環(huán)水箱實際液位大于設(shè)定液位上限、循環(huán)水箱水溫大于設(shè)定溫度上限、凈化站保溫儲熱水箱水位小于設(shè)定水位上限時，熱水增壓泵具備啟動條件;當以上3個條件有1項不具備時，熱增壓泵停止運行。熱水泵增壓的1#泵和2#泵的選擇，由水泵輪換子程序自動執(zhí)行，當運行時間在設(shè)定的輪換時間以內(nèi)時，選擇1#泵，當運行時間在設(shè)定的輪換時間以外時，選擇2#泵。

自動控制程序的聯(lián)鎖：進水閥門開、關(guān)聯(lián)鎖;1#熱水增壓泵、2#增壓泵啟動聯(lián)鎖;水箱溫度液位與熱水增壓泵啟動聯(lián)鎖。

4.3.4 系統(tǒng)報警設(shè)計

當余熱利用系統(tǒng)各各項運行參數(shù)或狀態(tài)出現(xiàn)異常時，顯示屏立即彈出報警界面，并觸發(fā)聲光報警信號，提醒值班人員，及時處理。余熱利用系統(tǒng)設(shè)置的報警有：循環(huán)水箱水位高低報警、循環(huán)水箱水溫高低報警、余熱回收機管路水溫高報警、熱水增壓泵故障報警、硅磷晶罐藥量少報警、凈化站保溫儲熱水箱水溫高報警。

5 結(jié)語

目前，該余熱利用系統(tǒng)在在洛陽礦業(yè)公司壓風機房運行良好，空壓機運行時產(chǎn)生的多余熱量每天可產(chǎn)生250～350 m3熱水供職工洗浴，每月可節(jié)約鍋爐燃氣費用15萬元，同時空壓機排氣溫度保持在70～85 ℃，有效避免了排氣溫度過高導(dǎo)致空壓機油質(zhì)變壞的問題，延長了空壓機的維護保養(yǎng)周期，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 孫守孝，盧進南.空壓機余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)能，2020，39（5）：4.

[2] 劉曉峰，張昌建，王雪，等.段王礦空壓機余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭與化工，2021，44（11）：3.

[3] 孫鵬飛，張昌建，胡旺盛，等.葛泉礦空壓機余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)計與經(jīng)濟性分析[J].節(jié)能，2020，39（6）：3.