煤矿空气压缩机余热回收系统设计及应用

贺佳贝，刘文辉

(延安市禾草沟煤业有限公司，陕西 延安 717300)

0 引言

对于煤矿生产企业而言，空压机是一种常见压缩气体的设备，其主要作用是将电能转换为增加空气压力的势能，以及增加机械做功形成的热能[1]。当前，煤矿生产企业中，传统空压机在运行过程中，只能将极少部分的能源转换为有用的空气势能，其余全部电能均转化为热能，并以水冷或风冷的形式，逐渐排放到空气当中。产生的大量余热被排放到大气环境当中，造成对环境的严重破坏[2]。若对煤矿空压机的余热进行充分利用，不仅可以避免能源出现浪费，实现企业节能减排的可持续发展，更能够提升企业的经济效益。基于此，有必要开展对煤矿空压机余热回收系统的设计及应用研究。

1 硬件设计

1.1 换热器选型

为满足在煤矿生产过程中对空压机产生的余热进行回收的要求，选用板式结构换热器作为系统中的重要硬件组成。选用KSD-27440型号，传热系数值在2 500～5 500 W/(m2·℃)范围内的板式换热器装置。KSD-27440型号板式换热器装置总长度210 mm，总宽度约188 mm，下接口距为45.2 mm，上接口距为63.5 mm，工作压力为0.8 MPa，最大处理流量为15 m3/h，重量为15.4 kg。该型号换热器由于结构更加紧密，且体积相对较小，因此热损失较低，设备本身不需要额外进行保温；在该型号换热器板片结构之间，装有两道密封结构，并布设多个信号孔，当出现泄漏问题时，通过密封结构可将气流快速排除到换热器的外部，放置在气流的作用下，导致多种介质发生混合，以此也可以起到一定的安全报警效果[3-5]。KSD-27440型号板式换热器装置整体结构是通过多个冲压薄板按照一定规则进行组合，周围密封通过垫片结构实现，整体由框架以及压紧螺旋相互连接。利用板片结构上布设的孔洞，使流进换热器的空气形成流体，并均匀分配到各个管道当中，将热流体与冷流体分隔，使流体从板片结构的两侧流道流动，以此实现对热的交换。

1.2 空压机螺杆结构设计

传统空压机结构主要包括驱动装置、机体本身和支撑底座3部分，为保证空压机运行过程中形成一个紧凑的机组，对传统空压机增加螺杆结构。将螺旋杆上的2个螺旋转子结构轮流啮合，其中一个转子的转动速度比另一个转子的转动速度提高45%。将空压机放入的空气在螺杆结构转子与外壳之间进行压缩。通过增加精确定时齿轮，使转子表面产生微小的细缝，保证压缩转子之间不会互相接触，避免在空压机运行过程中出现磨损。由于传统空压机并未安装进气阀和排气阀，因此进气只能通过调节阀的开启或关闭进行调节，在进气侧吸气口位置上，按照系统的运行需要进行设计，从而保证压缩室可以进行更加充分的吸气操作。当转子结构进行旋转运动时，主转子会与副转子之间形成较大的孔隙，并且在这一阶段，齿槽空间中的气体是可以自由流动的[6-8]。根据这一特点，在进行排气时，可通过螺杆结构将齿槽中的空气排除。待全部排除后，将新的空气重新灌入到齿槽中，螺旋杆的运动会使齿槽内形成密闭空间，辅助空压机完成吸气过程。

2 软件设计

2.1 换热控制

为实现对煤矿空压机余热的回收，首先对其换热进行控制，利用补水测得水泵变频控制补水量。利用Pt150热敏电阻对冷却水的出水温度进行检测，再利用Pt150电阻输出的微弱信号，通过温度变送转换器转变为电压信号。再通过中央处理器将所有采集到的温度与设定的温度范围进行比较，利用生成树协议中的控制算法对其温度调节参数进行逻辑运算[9-10]。最后将计算结果发送到可编程逻辑控制器中，利用模拟量输出模块，将电压信号转换为电流信号，对进行补水的水泵频率控制。控制流程如图1所示。

图1 换热控制流程示意Fig.1 Heat exchange control process

利用温度变送器将获取到的温度信号转换为电压信号传输到可编程逻辑控制模拟量输入口，经过其内部的运算与处理，获取到相应的控制量，以此改变水泵频率，实现对水泵的供给量调节，对水量进行控制，进而控制空压机换热。

2.2 空压机冷却

空压机的冷却主要依靠水泵输送的冷却水，而输送冷却水的量直接影响空压机的冷却效果。由于水泵电机具有较强的耦合性和非线性，因此在冷却过程中，通过传统线性控制器很难达到最佳的控制性能。基于此，本文采用模糊控制技术，将线性控制与模糊控制结合，形成二维模糊控制模块，将误差的变化率及误差设定为输入值，假设误差的变化率为γ，误差值为t，积分修正系数为k。当达到不同γ和t时，通过调节线性控制参数进行调节[11-12]。当t值较大时，为了使系统响应速度加快，应将k取较大值，防止响应出现超调过大线性。当γ值和t值中等大小时，应当将k取较小值，使系统超调降低，保证系统响应速度。当t值偏小时，应当适当增加k值大小，保证系统稳态运行，以此控制空压机的冷却。

3 系统应用测试

选用某煤矿生产企业中常用热水系统作为试验对象，在生产过程中，每月热水总用量约为1.3×105m3，该企业在未安装余热回收系统时，原始热源是通过电厂余热供应。为验证提出的煤矿空压机余热回收系统的有效性，在没有其他外部能源可以利用的情况下，利用新提出的余热回收系统与传统余热回收系统为该生产企业提供热源。为保证试验结果的可靠性，另设置一台电锅炉对水进行加热。测试时间为1年，分别将试验过程中的数据进行记录，并对比2种系统的节能效果，见表1。由表1可以看出，在满足企业日常用水温度所需的前提条件下，新设计的煤矿空压机余热回收系统与传统系统相比回收热量更多，可为企业节约更多的能源，对空压机余热进行循环利用，保证其热量的高效利用。

表1 新设计系统与传统系统节能效果对比

4 结语

选用板式结构换热器作为矿井余热回收系统空气压缩机中的重要硬件组成，并将所设计的煤矿空压机余热回收系统应用于实际，可以有效避免传统空压机耗能高的问题，充分利用废热，实现对余热的二次利用。同时，对该系统进行应用推广可以为煤矿企业节约更多的能耗，降低热排放量，对减少企业碳排放具有积极的应用价值，实现企业节能减排和可持续发展。