螺杆式空压机余热回收在矿区供暖工程中的应用

2020-02-25杨世冬

世界有色金属 2020年23期

温超，杨世冬，潘川

（山东黄金集团蓬莱矿业有限公司，山东烟台 265400）

空气压缩机将机械能转换为气压能，广泛应用于矿山、冶金等行业，主要用于风动工具和气力输送等环节，螺杆式空压机具有使用寿命长、工作稳定等优点，但螺杆空压机在大功率能耗方面的实际运行利用率较低，因此，加快螺杆式空压机的循环利用，是提高企业空压机使用效率，节省能耗和降低成本的关键。本文通过两种空压机的比对，分析螺杆式空压机的应用情况，为后续提供参考。

1 工程概况

蓬莱公司现有强家沟分矿、齐家沟分矿、候格庄分矿共三个生产矿区，各矿区采暖点包括办公室、宿舍区、食堂、浴室、井口操作室等，冬季采暖现状为空调+油汀电暖器设施。由于蓬莱公司3 个生产矿区地处分散，无法实现集中供暖，为了选用环保高效的供暖热源对矿区建筑供暖，达到国家要求的环保、高效供暖效果，公司采用螺杆式空压机余热回收应用供暖方案。

2 螺杆式空压机余热回收应用供暖方案

2.1 基本情况介绍

普通螺杆式空压机分为吸气、压缩、输送、排气四个环节，由进出控制阀控制空压机的吸气量，但空压机处于均速状态下容易出现低效率运行，造成大量资源浪费，加快设备磨损。压缩机的工作原理是将电能转换为热量，剩余热量转换为压缩空气能，能耗变成热量压缩后的油气混合物分散至冷却器中分散到空气中，造成一定的热能浪费。螺杆式空压机的交流异步电动机的转速和电源频率成正比，可改变空压机的排气量，实现变频调速，螺杆式压缩机利用运行过程中的高热热能，传递压缩机的余热，降低压缩机温度，从而实现节能。

2.2 散热器选择

由于板翅式换热器适用的压力范围比较窄，目前只适用于4.0MPa 以下的场合。下面列表比较其他三种换热器：

表1 三种换热器对比介绍

通过以上比对，螺杆式管式换热器在实现充分换热的同时还改变液体状态，从而提高综合换热效率。

2.3 供暖热量核算

（1）强家沟分矿：现有3 台250KW 螺杆空压机组和1台110KW 螺杆空压机组，正常生产时，只运行250KW 螺杆空压机组2 台，每天具体运行时间为7：00 到17:00，19：00～5:00，共计20 小时。按照1 台250KW 空压机热量进行回收（空压机加载率为70%～80%，每天工作20 小时）,热能回收机热量吸收率为80%（对油气热量同时回收）。总共可以转化成冬季供暖的功率为：140+24=164 千瓦×860 Kcal/h=141040Kcal。

经过保温处理并考虑热量损失10%计算，可供暖气片供暖的总功率为：147.6 千瓦。按照生活供暖加热到23 摄氏度为例计算，每平方米面积所需供暖的功率为150W，总体供暖的面积约576 ㎡，需要热量为86KW,由此核算满足供暖要求。

供暖系统正常运行供水温度55℃，回水温度45℃，温差10℃，每小时产热水量为14.1 吨。

（2）齐家沟分矿：齐家沟分矿现有的螺杆空压机运行时间20 小时，由两台机器正常运行，两台机器的热能回收吸收率为80%，可提供暖气片功率为129.88KW，每平方米的供热功率为150W，总体供暖的面积约681 ㎡，需要热量为102KW,由此核算满足供暖要求，每小时产热水量：12.4 吨。

（3）候格庄分矿：现有1 台250KW 螺杆空压机组和2台110KW 螺杆空压机组，正常生产时只运行1 台250KW 螺杆空压机组或1 台110KW 螺杆空压机组，候格庄分矿现有1台设备正常运行，运行20 小时产生的热能吸收率为80%，可供暖气片供暖64.95W，每平方米供暖功率为150W，总体供暖的面积约381 ㎡，供暖系统正常运行供水温度55℃，回水温度45℃，温差10℃，每小时产热水量6.4 吨。

2.4 系统设计

（1）空压机余热回收系统。现根据用水量及空压机的运行情况，将强家沟分矿2 台250KW 螺杆空压机组、齐家沟分矿2 台110KW 螺杆空压机组、候格庄分矿1 台250KW和1 台110KW 螺杆式空压机在机房安装油气热能双交换机组进行余热回收生产热水。

（2）供暖系统。根据分矿实际情况，需增设一个10m³的循环水箱增加保温并安装两套补水系统、回水系统、循环系统，自动补水系统：10m³循环保温水箱安装2 台TD80-13 热水循环泵连接循环管道DN100 镀锌钢管外包聚氨酯+玻璃丝布+沥青漆保温层连接到热能转换机进行循环加热，供暖系统设备详见表2。

表2 供暖系统设备清单

3 投资概算

本方案设计3 个分矿采暖工程新增总投资估算为85.71万元，其中：供热主设备费用36.9 万元，辅助设备费用2.6＊3=7.8 万元，材料费用9.67＊3=29.01 万元，土建施工费用0.5＊3=1.5 万元，安装施工费用3.5＊3=10.5 万元。

4 运行费用

按照平均电价：0.75 元/度，每年运行120 天，每天24小时平稳运行，计算用户的室内温度都按照标准要求温度18°C 考虑，每年采暖期供暖运行能源消耗费用计算如下：

45kW/h＊3台＊24h＊0.7＊120d＊0.75元/度=20.41万元/a。

5 实际效果

直热螺旋套管式余热系统回收热量效率高，空气、润滑油的温度回收效率可达80%，且空压机运行油温降低了将近十几个摄氏度，延长了润滑油的使用寿命，热水温度可达65℃以上，供暖系统一次试车成功并投入运行，室内温度可保持在23℃左右。

6 效益分析

（1）若采用空气源热泵供暖运行费用为20.41 元，若是空压机余热回收应用+智能电加热器方案正常生产时余热回收供暖运行电费为0 成本，因此采用空压机余热回收供暖节约运行电费为20.41 万元/年。

（2）安装空压机转换后，达到降低运行温度保障空压机最佳运行状态，空压机的产气效率可以增加2%左右，也就是可以节省空压机2%的耗电量，3个分矿共计3台共250KW、3台110kw空压机节省费用：（250×3+110×3）KW×2%×20h/天×140天/年×0.7元/kwh=42336元/年。

（3）安装空压机热能转换机后，耗材的使用周期可延长35%左右，改造前空压机机油、油过滤器、油气分离器等的更换及清洗维保费用为156000 万元，改造后减少维保费用为156000＊0.35=54600 元/年。

（4）空压机热能转换机不仅制造0成本热水供暖，在空压机热能转换机运行时空压机排风扇停止运行，降低运行费用。6台空压机排风扇（5.5＊6=33KW)每天开机24小时一年节能：33KW/台×20h/天×0.7元/KWh×140天=64665元/年。

7 取得效益亮点

（1）安全卫生方便。螺旋式管式换热器在螺杄空压机余热回收供暖改造工程中与不燃煤蒸汽锅炉比较，无一氧化碳、二氧化硫、黑烟和噪音、油污等对大气环境的污染。

（2）提高空压机的运行效率。普通螺杆式空压机变频节能改造后，按照实际需要的排气压力运转，有效调节电机输送功率，达到节能的目的，改造后的实际效果比改造前电能节省提高了20%，螺杆式管式换热器在余热回收改造后，将空压机运行温度控制在85℃内，螺杆空压机运行产生的气体量会随着机组运行温度逐渐上升，提高空压机的运行效率。

（3）降低了维修保养成本延长了设备的使用寿命。螺杆空气压缩机的运行主要是对机油、电能、油气分离器等器材的消耗，通过热能改造后，将温度控制在80-85℃之间，延长机油的使用效率，延长设备的使用寿命，空压机通过空气滤器吸入灰尘和杂质，通过合运动改变主机的容量，完成空气压缩，尤其混合物通过排气阀进入油气分离器，并各自输送到冷却器中，所产生的热量通过油气冷却挥发到周围空气中，达到余热回收的目的。