空压机余热利用在精密铜管生产中的应用

曾何生

（江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096）

1 引言

铜管广泛应用于电子、机械、建筑、制冷行业，铜管因制造特性主要生产方法有挤压-拉拔法、轧制-拉拔法（既铸轧法），而铸轧法具有工艺流程短、能耗低、生产效率高、成本低等特点，所以被广泛应用于精密铜盘管生产工艺［1］。为了避免无氟制冷剂带来的高能耗、高污染等问题，内螺纹铜管在空调和制冷行业应用不断推广［2］。铸轧法生产精密铜盘管主要工艺包括水平连铸、铣面、三辊行星轧制、三联拉、盘拉、在线退火、成型、精整、成品退火等，在上述工序中大部分要应用压缩空气，确保生产的稳定运行，为此空压机是精密铜管生产中重要的辅助设备之一。

空压机在实际运行中有效能源利用率仅为15%左右，随着我国工业的不断发展，国家提出了一系列的节能、减排的政策，这对空压机的余热利用提出了新的要求。近年来，国内外有许多学者对空压机预热利用做了深入的研究，杨林［3］等系统分析了空压机余热回收系统在工业企业中的应用及研究，并提出了相应措施，黄平安［4］对啤酒生产中的热能回收与综合利用进行了研究分析，张帆［5］对无油螺杆式空压机的压缩和冷却过程进行分析计算,得出空压机可供回收的热量,结合热用户的用热参数，设计出余热回收系统，唐良刚［6］研究了用空气压缩机产生的余热来替代天然气为烫干池提供热源。但是，对精密铜管生产系统空压机的余热利用研究太少，实际铜管生产中包装材料还需要大量电来取暖烘烤木制品。

本文以JTLC公司连铸连轧铜盘管生产线中的空压机系统为研究对象，通过分析空压机工作原理，结合木制品烘干系统进行余热回收的系统设计。

2 工况特点

2.1 空压机工况

JT L C公司有四条连铸连轧铜盘管生产线，为了确保生产线的稳定运行空压房共配有2台阿特拉斯GA132工频机空压机、1台阿特拉斯GA132WVSD水冷机空压机，2台柳富达LU160W工频机空压机，如图1所示，装机总功率约为716kW。五台空压机为四台正常运行一台备用，用气量大时需全部开启，整个空压房空压机的加载率约为90%。

图1 空压机工艺流程示意图

空压机转子循环运动产生大量的热量，需通过冷却水和冷却塔来循环降温，空压机自身产生的热能没有得到充分利用外还需通过相关设施进行降温处置。

2.2 烘干系统工况

精密铜盘管根据客户的需要对产品包装有严格的要求，尤其是确保包装的稳定性，对包装材料的湿度有明确的要求，包装材料主要是定位木托、盖板、木条等木制品。地处南方的JTTL公司控制包装材料的干湿度就更难，尤其是雨水天气，南方的精密铜管生产线均配备了专有的烘干房，JTLC公司配备了约600m2的烘干房，配有2台56 kW抽湿机和2台27.2kW抽湿机，供热抽湿机总装机功率约166.4kW。

2.3 空压机与烘干系统用电成本

空压机和烘干系统独立运行，空压机热量散漫空气中，烘干系统用电供暖，按照空压机装机总功率716kW、烘干系统装机总功率166.4kW计算，全年电费约380余万元。

3 热回收系统设计

3.1 热能回收原理

根据热力学理论，流动空气的绝对能量由焓、运动能和势能组成。其中，运动能和势能比较小以致基本可以忽略不计，而焓由内能与传递能组成。所以，空气流动过程中所具有的绝对能量可表示为：

空气的绝对能量取决于空气的质量和温度，与压力无关。即使是大气状态的空气，也含有大量的焓。

图2 空压机能量原理

假设比热不变，如果压缩机出口温度与初始状态的入口温度相同，则压缩空气中的能量与压缩前的能量相同。当压缩空气在用气端被排出时,空气发生膨胀并从环境中吸收热量，这个过程会使得周边范围内的环境温度降低。

所以，能量回收系统事实上从环境中得到了能量，可以看作是100%回收电能，而得到免费的压缩空气。

3.2 余热利用设计

将5台空压机运行产生的余热通过全智能热能回收控制主机收集到一个20t集热循环保温水箱，再通过相关管道及自动控制系统，将热水传送到木托烘干房的28台热交换机组，对4个木托烘干房进行加热升温，烘干房内配备温度、湿度自动检测控制装置，最终烘干房温度可达到50～55℃、环境湿度≤30%、木托材料含水率≤8%的生产条件。

图3 余热利用工作示意图

图4 余热回收系统流程图

通过系统改造，将空压机油冷却系统纳入交换模块进行换热，使回收的目标终端水箱的水温控制在用户生产工艺所需的温度带内。而且会将全天和全月水箱温度变化数据显示和保存。控制系统完全智能化，无需人为操作，系统会根据用户设置的各项数据来监测循环水箱中温度、水位的情况，及使用终端的工艺需求来做出判断，自行决定换热方式、供热方式。空压机原有冷却系统完全保留。与能量回收系统是两套完全独立的系统，加装后只是增加了空压机二次降温过程，使用企业不用担心由于新增热能回收系统的原因而影响空压机的正常运行。在保证生产工艺上用热的前提下，系统可根据用户的设定，自动将多余的热水用于其它用途。考虑到工厂节假日、晚班用气量变化，空压机停机检修、冬季气温下降等因素影响，使回收的热量满足不了生产工艺用热时，系统将自动启用辅助加热设备来保证生产工艺用热的持续性，使整个回收系统可在任何外部条件变化下自动为工艺点提供稳定的热源。

3.3 实施效果

空压机余热利用后，对包装材料的烘干效果进行统计分析，如表1所示。购进包装材料湿度均在20%左右，均通过烘干24h进行检测，余热利用前后烘干的包装材料湿度均能达到≤8%，在5%左右，与仅用电烘干效果相当。

表1 余热利用前后包装材料烘干效果统计表

余热利用后，电耗显著下降，停用电加热除湿机前两个烘干房运行功率为166.4kW，实际功率为116.5kW，改后平均为12kW，按月运行28天，每天20小时计算，月节约电量为：（116.5-12）×28×20=58520kW·h，年 节 约 电 量 为：58520×12=702240kW·h。

4 结语

通过对连铸连轧精密铜盘管生产线的空压机系统、烘干房系统使用现状进行分析，研究空压机余热利用的工作原理，设计余热回收系统，大幅提升了空压机的余热利用，降低了烘干房的电耗。

空压机余热得到较好的利用，符合国家绿色发展理念，反复应用了热能的快速交换和热能的传递技术，同时烘干房温度、湿度实现无级自动可调。