常村煤矿空压机余热回收研究与应用

2016-09-01李鑫常红高旭陆晓科

中国设备工程 2016年7期

关键词：空压机余热热水

李鑫，常红，高旭，陆晓科

（1.山西潞安集团常村煤矿，山西长治 046000；2.山西潞安集团常村煤矿，山西长治 046000；3.绿派（上海）能源股份有限公司，上海 200000）

常村煤矿空压机余热回收研究与应用

李鑫1，常红2，高旭3，陆晓科3

（1.山西潞安集团常村煤矿，山西长治 046000；2.山西潞安集团常村煤矿，山西长治 046000；3.绿派（上海）能源股份有限公司，上海 200000）

空压机的使用是煤矿生产过程中不可或缺的一部分。螺杆空压机长期连续的运行过程中会产生大量的热能，通常通过自带冷却系统散热排放，没有进行回收利用，造成了余热浪费。常村煤矿通过开展空压机余热回收利用的研究，利用冷热交换原理，将空压机余热充分收集起来，可加热水至预设温度供给职工洗浴，最终取代10 t燃煤小锅炉热水供应方式，减少我矿自用煤消耗量及空气污染，节省锅炉运转所产生的各项费用，同时，有效降低了空压机运行温度，对我矿节能降耗、环境保护等工作具有极其重要的意义。

煤矿；空压机余热回收；替代锅炉

1 常村矿空压机余热回收改造的基础条件

1.1 设备基本情况

常村煤矿现有空压机站两个，其中，井口空压机站拥有250 kW螺杆空压机5台，洗煤厂空压机站拥有250 kW螺杆空压机8台，共计13台。

1.2 热水使用情况

常村矿目前热水使用地点主要有职工澡堂、社区澡堂、招待所食堂等，每日消耗的热水量在1 500 t左右。目前提供热水方式是，夏季采用一台10 t锅炉提供；冬季通过35 t供暖锅炉提供，年消耗煤炭超过7 000 t。

2 空压机余热回收原理及试验论证

2.1 空压机余热回收装置的技术背景

螺杆式空压机长期连续的运行过程中，把电能最终会转化成大量的热能，这些热能都通过空压机自身散热系统，被无端地废气排往大气中。近年，空压机的余热利用越来越被人们所重视，有一些厂家开发的空压机余热回收的产品也能利用部分热能，但这些产品并没有作针对煤矿的专项设计，它们运行的实用性、经济性、可靠性、安全性和效率都有待提高。

2.2 本次改造流程图解

通过在螺杆式空气压缩机中加装余热回收设备，根据冷热交换原理，将空压机运行中的高温热能，收集利用起来，加热为35~70℃热水（图1）。

图1

2.3 空压机余热回收装置热量回收效率试验研究

为对空压机余热回收效率进行论证，特安排本矿空压机进行如下测试，并得到了相关试验数据。

空压机回收效率论证

（1）空压机基本参数

型号：GA250 最高工作压力：0.85 MPa

输入功率：250 kW 排气量：40 m3/min

额定电压：380 V 额定转速：1 489 r/min

（2）空压机产生的热量

空压机产生的热量主要包括三个部分：压缩空气产生的热量、输电热损以及机械摩擦热量。

（3）可回收的热量

考虑到在做空压机余热回收时，不对压缩机排气产生影响，我们只回收冷却油里的热量高，经实际测得：

进油温度T1:

1#机60.2oC 2#机56.6oC

3#机(备用) 4#机65.5oC

5#机54.7oC

平均：59.25oC

出油温度T2:

1#机84.4oC 2#机81.1oC

3#机(备用) 4#机99.4oC

5#机78.8oC

平均：85.925oC

M——压缩机头喷油量223（kg/min）

C——螺杆油比热 0.45（大卡/kg.℃）

根据热力学公式，每小时油中含有热量：

=0.45×223×(60×92%)×(T2-T1)

=0.45×223×（60×92%）×26.675

=147558.8大卡

空压机做工产生的能量转换热量为：

25 0kW×860×92%=1 978 000大卡

其中，860——系数；1 KWH=860大卡；92%——加载率。

回收效率=回收能量（油中热量）/空压机做工产生能量转换热量：147558.8/1978000=0.746

因此可回收的热量约占空压机轴功率的74.6%，余热回收率（含热辐射损耗）为94%，则实际可回收的功率占空压机轴功率的：74.6%×94%=70%。

2.4 空压机回收热量实际测试结果

空压机加载率实际测得为90%，实际可回收效率经前面论证为70%，以下为理论单台空压机回收量如表1所示。

表1

自设备安装运行后共进行了多次测试，分别进行了多个层次的温升试验，试验结果如表2所示。

表2

结论：通过以上两个表格的对比，空压机余热回收效率可达到理论回收效率，甚至略高。由此证明，空压机余热回收关键的回收效率是可以保证的，从油温的理论论证到实际回收热值的分析都证明了此点。

3 常村矿空压机余热回收改造实施方案

3.1 改造思路

通过安装余热回收装置，对13台空压机全部进行改造，并将回收热量转化成澡堂洗浴等生活所需热水，经新敷设保温管路输送到澡堂水塔后，供给各热水使用地点。综合其他节能和补水措施，取代现在使用的10 t燃煤锅炉。对于夏季空压机检修时热水提供问题，根据实际开机台数，需要提前协调热泵及锅炉的使用。

3.2 改造方案

针对常村矿现有井口和洗煤厂两个压风机站，提出此如下改造方案，即：首先分别在井口5台空压机边设置余热回收装置，并于空压机房北侧建储水箱和控制机房。利用现有管沟敷设余热利用回收系统管路至供暖队储水池，并入供暖队现有冷、热水供水系统。然后分别在洗煤厂8台空压机边设置余热回收装置，于附近建储水箱和控制机房。利用现有管沟敷设余热利用回收系统管路至供暖队储水池，并入供暖队现有冷、热水供水系统，如图2所示。

4 常村矿空压机余热回收技术针对性特点

4.1 空压机余热交换温度电控技术

因根据热水使用端热水温度需求不同，故需要对回收余热的温度进行控制。解决方案由一个温度调节阀对压缩机的油流量进行控制，并通过控制面板实现温度的可目视数字化控制，从而确保了温度的调节和空压机压缩机的最佳运行。

图2 改造基本原理图

4.2 设备自动化控制研究

空压机余热回收电气控制系统，是针对煤矿空压机余热回收设备专门开发的一套控制系统，其具有以下特点：

（1）空压机热回收系统的泵站水泵自动、手动控制。

（2）空压机热回收系统相关温度、压力、水位检测并实时显示。

（3）与空压机系统之间的连锁控制。

（4）系统的无人值守、自动控制。

4.3 保温水箱保温效果研究

余热回收系统采用循环加热效果，且常村煤矿洗浴时段不同，设计有保温水箱，其保温层采用50 mm超厚橡塑保温层，全自动整体发泡技术一次成型，内外双层采用SUS304不锈钢板精工模压而成。

经试验保温时限为10~30℃下24h内静止状态下降温在5 ℃以内；-10~10℃下24h内静止状态下降温在10℃以内。

4.4 板式换热器二次循环技术

根据调研，常村矿洗浴用水为深井水，矿物质含量高，经高温加热后容易出现结垢的现象，而余热回收装置作为一体机，拆卸清洗比较困难，且影响正常工作。因此，加入二次板换系统，增加一条纯净水和生活用水热交换的工序，把结垢问题放在二次循环上，有效解决了结垢的问题。

4.5 二次循环软化水设备及工艺

常村矿洗浴用水即属于深井水，在上文中提到需要进行纯净水和深井水之间进行二次交换，因此需要设备解决一次交换中纯净水需求，利用纳米晶产生的高能量，把水中游离的钙、镁、碳酸氢根离子打包成纳米级的晶体，从而阻止游离离子生成水垢。

5 社会与经济效益分析

5.1 总述

经过1年多的研究与实践，常村煤矿空压机余热回收技术研究与应用成功，解决了常村煤矿空压机余热浪费的问题，保障了空压机的正常运行，结合了热泵与节水之后，替代原有10 t燃煤锅炉，使常村煤矿取得了显著的经济效益和社会效益。消除了各级领导和工程技术人员对空压机回收效率及使用安全方面的顾虑，同时有效缓解了长期以来一直困扰常村煤矿的空压机夏季高温停机的问题，且取得了显著的经济效益。

5.2 应用效果

决定空压机余热回收产水量的主要因素有进水温度、出水温度、空压机运行数量、加载率等，现就运行台数9台（加载率91%）的情况下说明，具体参见表3。