空压机余热利用案例及影响系统运行问题探讨

贾 玲 吴勇生

（太原煤炭气化集团（有限）责任公司 山西太原 030024）

引言

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源,在大多数生产型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%—35%，是煤矿施工过程中的主要动力源之一。根据GB19153-2009《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》中喷油螺杆空气压缩机能效值（风冷）计算，输功效率最高值为63% 最低值为31% 。空压机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的电能只占50%左右，其余的50%转化为热能，通过水冷或风冷设备降温，存在很大浪费。空压机余热回收系统利用热能转换原理，把空压机散发的热量回收转换到水里，降低空压机组的运行温度，延长润滑油使用寿命，回收的热水可用于员工洗澡、采暖等，从而提高电能利用效率，节约供热成本。

1 空压机余热回收系统工作原理

空压机余热回收系统有两级换热：一级油水换热 在空压机原油路系统的出口分别加装三通电磁阀，将机油引出后通过换热器实现换热。为了提高安全系数，保留原有风冷系统，即空压机余热回收系统与原有冷却系统并联。经油气分离后，分离出的高温气直接通往原有的气冷却系统，分离出的高温油则经三通温控比例调节阀内的感温元件检测其温度,若高温油温度低于60℃，则不用进行热交换，直接通过过滤器通往油路循环系统，若高温油温度高于60℃，则在进行热交换后再进入油路循环系统。该油-水换热系统中的水选用软水,防止因腐蚀或积垢造成对空压机的影响。二级水水换热 通过板式换热器将油-水换热系统中加热的软水和自来水进行二次换热，得到45℃的热水供澡堂洗浴。

2 煤矿澡堂供热应用案例

2.1 应用背景及条件

炉峪口煤矿有两台250kW 压缩机，一开一备，工作压力0.7MPa，3 级能效，每年消耗电量208 万kWh 左右。根据螺杆空压机能效指标值输功效率，空压机运行的输功效率为48.1%，51.9%的电能转化为热能浪费掉了，为防止空压机过热，使用风冷设备（22kW）降温，风冷设备年消耗电量19 万kWh，空压机系统电能有效利用率不到45%，存在很大浪费。

炉峪口煤矿澡堂共设洗浴池7 个，淋浴头58 组，每天洗浴人数约500 人。经实际测算澡堂换水频率，洗浴池共计蓄水量58.12m3,正常使用情况下每天换两次水，需水量为116.24 m3，淋浴需要50 m3，每日用水量为166.24 m3。煤矿以一台4 吨蒸汽锅炉对澡堂用水加热，日耗煤量7.5 吨左右，按照目前市场价格计算，运行、人工日消耗费用需2660.8 元，一年的运行费用大约108.6 万元(不含水费)，二氧化硫排放量44.4 吨，烟尘排放量13.32 吨。根据政府要求，炉峪口煤矿必须在2017 年6 月底前拆除现燃煤锅炉，并在10 月31 日前完成清洁能源的替代工作。目前市场上采用最多的清洁能源供热方式有电锅炉、燃气锅炉和空气源热泵等方式，经调研确定采用最经济高效的空压机余热利用系统给澡堂供热，不足部分用空气能热泵补充。

2.2 改造方案确定

改造方案按每日提供170 m3热水制定，供水温度定为45℃，冷水管路水温按冬季最低温度5℃计算,根据热量计算公式每日供热设备需提供热量为：

一台250kW 空压机满负荷运行24 小时总消耗折算热量为5160000 kcal，输功效率为48.1%，平均加载率95%，空压机余热回收系统工作效率95%，空压机余热回收系统可回收总热量为：5160000 kcal×（1-48.1%）×95%×95%=2416931 kcal利用空压机余热每日可提供热水量：

注：C：水的比热，1kcal/kg·℃

t1、t2：出水温度、进水温度

通过以上计算可以得出，空压机余热回收一天至少可生产60.4 吨45℃洗浴用水，剩余109.6 m3，由空气源热泵提供。

单台25 匹空气能热泵小时可产生热水量为2 m3，根据日需补充水量=单台机小时生产水量×台数×工作小时，计算所需空气源热泵台数为：109.6/2/8=6.85（台），选用7 台空气源热泵来补充澡堂用水。

2.3 节能效益对比

（1）改造后洗浴热水年能源消费量及费用如下：我矿对改造后的澡堂供热系统加装电表计量，2017 年12 月至2018 年11 月共耗电1017600kWh，其中空压机余热回收系统只有一台3kW循环泵24 小时运行，耗电26280 kWh，按炉峪口煤矿平均电价0.68 元/kWh 计算，其余991320 kWh 是空气源热泵消耗。因空气源热泵是在晚间低谷电价运行，电价0.28 元/kWh，加上分摊容量费0.1 元/kWh，合计电价0.38 元/kWh，年运行费用：26280×0.68+991320×0.38=39.46 万元

（2）如采用电锅炉供热，每日运行8 小时提供170 m3热水（热量6800000 kcal），则需配备一台1.05MW 的电锅炉，15kW 给水泵，1.1kW 补水泵各一台，年耗电量311.4 万kWh，费用211.75万元（电价0.68 元/kWh）。

（3）如采用燃气锅炉供热，每日运行8 小时提供170 m3热水（热量6800000 kcal），则需配备一台1.5 吨的燃气锅炉（105 m3/h），15kW 给水泵，1.1kW 补水泵各一台。年耗燃气量：30.66 万m3，电量：4.8 万kWh。燃气按5 元/ m3计算，使用燃气锅炉系统供热年运行费用：30.66 ×5+4.8×0.68=156.56 万元。

表1 能耗及运行费用对比

通过以上四种供热方式对比，采用空压机余热利用及空气能热泵联合给澡堂供热的方式能耗和运行费用远低于其他三种方式。

3 系统运行存在的问题及解决办法

系统自2017 年11 月投入使用以来运行正常，达到了预期的节能效果，且维护检修量很低，运行费用只有原来燃煤锅炉的三分之一，经济效益显著。在运行过程中出现了两个问题，煤矿制定了解决办法。

3.1 板换结垢换热效率降低

在系统投入运行两个月后换热效率降低，产生热水量明显下降，空压机热量散不走，排气温度达120℃，空压机温度保护动作无法开机。经检查发现由于煤矿水质较硬导致换热器结垢严重，拆开清理了里边的水垢后系统运行恢复正常。

解决办法：（1）在水箱自来水进水口安装硅磷晶罐大大缓解了结垢问题；（2）每两个月清理一次换热器水垢。

采取以上措施后，空压机和换热系统运行正常，再未发生同类故障。

3.2 冬季极端天气空气能泵效率低

煤矿处北方丘陵地区，冬季最低温度零下二十度左右，在冬季极端天气，空气能泵效率下降，热水产量少。而澡堂洗浴池因散热快，热水需求量加大，供热不足。

解决办法：采取定时供热水。根据工人洗澡时间和用水量，由24小时供水改为一天分四个时间段集中供水，每次供水每个洗浴池水位比原来降低10cm，这样即减少了供水量又保证了洗浴温度。

结语

通过炉峪口煤矿空压机余热利用及空气能热泵联合给澡堂提供热水的实际案例可以看出，空压机余热利用是减少能源浪费、提高能源利用率最有效的手段，且投资少、见效快，值得大力推广应用。