螺杆空压机安全改造技术方案探讨

宋 旸，高勤强

(山西焦煤汾西矿业集团公司，山西 孝义 032300)

0 引言

矿井用主压风机是矿井压风系统的主要设备，它为生产提供空气动力，为瓦斯突出矿井的压风自救系统供气，是生产、安全的重要保障[1]。《煤矿安全规程》规定，矿井应当在地面集中设置空气压缩机站；在井下设置空气压缩设备时，应当采用螺杆式空气压缩机(简称空压机)。大部分的煤炭生产企业在实际工作中，压缩空气的能耗占总电力消耗的10%～30%，相对于电热设备，空压机余热回收几乎不需要能源消耗，相对于燃煤燃气设备零排放，是清洁环保的节能方式。对于矿井用空压机余热回收的问题已有学者进行了相关研究，例如，耿豪[2]对螺杆式空压机余热利用的节能可行性进行研究，认为螺杆式空压机能够将空压机浪费的热能回收利用，减少其他用途加热的燃料消耗及环境污染，真正实现节能降耗。王少波对螺杆式空压机余热回收技术的应用及节能效益进行分析，空压机的余热利用具有非常大的节能潜力和经济效益[3]。吴启芳对螺杆式空压机余热回收在煤矿的余热回收、利用、回收价值、投资费用、工程设计和经济效益等进行了研究，结果证明螺杆式空压机在运行中约有50%～65%系统浪费，但是通过全面的系统解决方案可以消除和弥补这些损失[4]。王春等人对余热回收效率低与回收热源不稳定问题进行了技术改进，结果证明改进后的余热回收利用系统运行稳定可靠，节能效益良好[5]。邓泽民等人介绍了常用的螺杆式空压机热回收方式，对螺杆式空压机余热回收系统进行分析，对不同螺杆式空压机回收效果以及热回收系统进行了评价[6]。

通过以上的研究可知，空压机在煤矿余热回收技术利用方面具有可操作性与可行性，在经济与安全方面满足条件即可操作实施。对于某矿随着井下开采的纵向延伸及即将投入的2#煤开采，原有的3台空压机将无法满足井下工作时的供气量，为满足后续的开采，已购置2台空压机(四用一备)来满足后续的生产需要，现欲增设一套空压机余热利用系统，达到企业节能减排的目的，在保证安设改造安全性的前提下，为尽可能最大限度回收这部分余热再利用，通过计算分析回收系统的可回收功率、可利用功率，研究利用回收功率的方法与途径，探讨提高余热利用的安全技术方案。

1 可回收功率的计算与分析

空压机由压缩机主机、电机、传动机构、冷却系统、控制系统及外罩等部分组成；工作原理是由一对相互平行啮合螺杆(阳转子和阴转子)在主机内不断的周期性产生容积变化，完成压缩空气过程[7]，过程如图1所示。空气在高压压缩时，温度骤升，螺杆的高速旋转摩擦发热，这些产生的热能，通过冷却润滑油(简称循环油)的加入混合成油、气排出机头，通过冷却器散热排入大气中，它消耗了空压机总功率的大部分。

图1 螺杆式空机压缩过程

可回收功率计算：空压机的电机功率为W，在吸气、压缩到排气的全过程中，提供了系统的损耗功率(机械损耗、热能散失损耗等)Ws、等温压缩空气的功率Wy、压缩空气的动能功率Wd及混合油气的热能功率Wr，建立等式关系：W=Ws+Wy+Wd+Wr，Wr是空压机的可回收功率。

空压机等温压缩空气功率Wy计算：基本参数由设备铭牌提供，如图2所示，工作压力Pa(MPa)、容积流量Q(m3/min)、标准大气压P0(MPa)，把容积流量转化Q′(m3/s)，则等温压缩空气需要的最小功率Wymin=0.278×Pa×Q′×Ln(Pa/P0)，其中，1 MJ/s=0.278 kW。

图2 某矿空压机铭牌

压缩空气动能功率Wd计算：标准大气压下空气密度ρ、转化为标准大气压下的容积流量Q0=(Pa×Q′)/P0、压缩空气的质量不变，标准大气压下的压缩前空气质量为m0=m=ρ×Q0、排气口管径φ、管口截面积为S、排气口的气体速度v=Q′/S，则压缩空气的最小动能功率Wdmin=0.5×m×v2。

空压机系统的损耗功率Ws计算：包括机械摩擦损耗与因压缩气体时散失系统的热能，空压机的绝热效率ηd仅有75%～90%，高性能电机的效率可达到92%以上，这里把Ws近似等于电机损耗与散失到系统的热能之和，则系统的损耗功率Ws=W×(1-η)+W×(1-ηd)，η取0.92，ηd取0.88。

空压机的可回收功率Wr计算：Wr=W-Ws-Wy-Wd，计算数据见表1。

通过表1、图3可知，一台空压机可回收余热功率Wr=168.846 kW，占总功率的67.5%，4台运行的可回收余热功率达675.384 kW，回收利用空间很大。

表1 某矿空压机可回收功率计算

图3 某矿空压机可回收功率占比

2 可利用功率的计算与分析

主空压机是矿井主要设备之一，增加的余热回收系统(简称回收系统)代替了原空压机的冷却系统，所以改造后必须保证对原空压机满足以下3点要求：一是保证不破坏空压机的正常工作，二是保证空压机的正常油温，三是保证系统安全可靠且运行稳定[8]。

空压机的可回收功率被压缩空气与循环油带走，由于液相的循环油比热容大于空气，试验表明循环油包含75%左右热能，压缩空气包含25%左右热能。市面上的余热回收机组有两类，回收循环油热能的单热回收机组与油、气热能同时回收的双热回收机组，该矿可回收功率的25%是168.846 kW，压缩空气包含的热能回收价值可观，故建议使用双热回收机组。

图4为某矿空压机系统流程图，图5为采用双热回收的空压机改造系统示意图，为保证空压机正常工作，根据该型号空压机使用说明书要求，设备工作环境温度范围：1.7～46 ℃；排气温度不得超过120 ℃；保证循环油的流动性，油温在70 ℃左右。矿井空压机机组运行情况见表2，要提高可利用功率，回收系统回收后油温接近70 ℃，排气温度接近坏境温度时，这时的可利用功率最大，下面计算单台可利用功率W′。

表2 某矿单台空压机组全年平均运行数据统计

压缩空气提供回收系统的功率Wq计算：由于压缩空气的容积流量43.0 m3/min是设备的固有参数，温升Δt(℃)决定了可以提供回收系统的功率，计算结果见表3。11月—次年4月占可回收功率的14.8%，5月—10月占可回收功率的16.9%，以15%计算，则Wq=25.327 kW，压缩空气仍会带走10%的可回收功率。

图4 UD250A-8螺杆式空气压缩机系统流程图

图5 采用双热回收的空压机改造系统示意图

计算公式:Wq=60×γ×Δt×Q0/[(0.2～0.3)×860×(1-ηm)]压缩空气提供热能:计算时间段压缩空气密度γ/(kg·L-1)比热容c/(kcal·(kg·℃-1))回收系统进口温度t1/℃回收系统出口温度t2/℃温差Δt/℃容积流量Q0/(L·min-1)转换率ηm(0.2～0.3)计算值Wq/kW总回收功率占比/%11月—次年4月0.010 320.337096143.000.900.2524.92914.85月—10月0.010 320.3395257043.000.900.2528.6116.9

循环油提供回收系统的功率Wl计算：要让循环油最大限度提供回收功率，即可回收功率的75%，Wlmax=126.635 kW，则回收系统的循环油的容积流量计算见表4，通过数据分析，Wl提供多少功率是由循环油的容积流量Ql和温差Δt共同决定的，容积流量Ql与温差Δt成反比，流量过大会导致出口油温<70 ℃，流量过小会导致回收系统回收率低。为保证空压机的正常运转，提供回收系统的功率Wl最大且稳定，回收系统有随温差Δt变化的循环油流量调节装置，调节范围为1.601～3.735 L/min，这时可以达到循环油提供回收系统的功率最大。

表4 冷却润滑油的容积流量计算

3 回收功率的利用

回收系统回收功率一般会用在供暖和洗浴上，结合该矿实际，可利用回收功率的场所有4处，如图6、表5，因空压机间歇工作，导致制热不稳定，故回收功率不能单独供热，需配合其它供热系统共同制热，选择联建楼内浴室及空气加热室利用回收功率符合要求。

图6 回收功率利用场所位置及管道铺设布置及长度

表5 路线选择及管道长度

因热余回收系统代替了原空压机的冷却散热系统，为保证空压机的安全运行，回收系统必须与空压机运行时同步运行，即保证空压机全年330 d的运行中，回收系统可以正常运转，以达到给空压机散热的目的。且在与其它供热系统对接时必须保证原系统的供热稳定。

该矿联建楼淋浴用配置空气源热泵机组5月—10月每天工作15 h；空气加热室机组为主、副斜井井口供热，11月—次年4月每天工作16 h，假如使用DN 200管路直埋单管线供热，以每输送1 m管道散热损失为0.1 kW计算[9]，通过表6可以看出，4台空压机运行回收的热余功率满足代替5台热源泵在5—10月为洗浴每天供热8.45 h，满足代替为主井口供热的1台空气加热机组在11月—次年4月为井口每天供热8.45 h，回收系统既保证空压机运行稳定也保证了全年余热利用。

表6 回收系统热余利用情况分析

4 结论

(1)保证不破坏空压机的正常工作，即不破坏空压机的传动机构、控制系统、散热效果等使空压机不能正常运行；保证空压机的正常油温，即保证循环油的流动性；保证回收系统、对接的供热系统可靠且运行稳定，回收系统提供的供热量满足要求。

(2)采用油、气热能同时回收的双热回收机组，可以提高15%的余热利用功率。

(3)采用回收系统有随温差Δt变化的循环油流量调节装置，可以提高循环油的余热利用功率。

(4)合理选择供热场所，减短回收功率输送距离。