高寒隧道空压机余热回收供暖节能研究与应用

杨勇YANG Yong

（中铁十二局集团有限公司，太原 030024）

0 引言

随着国家铁路隧道建设的快速发展，高原严寒地区的隧道建设规模也在日益扩大，但由于高海拔地区缺氧环境的限制，机械设备的工作性能受到严重制约，而空压机组作为隧道高压供风设备，长时间运转，高温机油余热持续扩散并进一步影响空压机运转，降低了供风效率，增加了施工成本[1]。

高原严寒地区海拔高、气温极低，给管理及施工人员的生活造成了严峻的考验，传统的供暖方式有锅炉供暖及电加热供暖，日常供暖需要不断消耗资源，成本高、利用率低。近年来，随着太阳能绿色供暖技术的出现，供暖的过程成本得到了控制，但是设备的安装成本较高，加之高原严寒地区环境恶劣，设备使用寿命短，维护更换代价高。

本文依托高原严寒地区铁路隧道，对空压机余热回收原理进行研究，并应用于隧道的生活及办公区，可为今后类似工程的空压机余热回收利用及生活保障问题提供一定的参考和经验。

1 依托工程概况

高原某铁路隧道位于四川省甘孜藏族自治州，海拔约3100m，10 月即进入冬季，可持续到第二年3 月，近6 个月天气寒冷，雨雪天气较多，一般冬季最低气温达-20℃左右。高海拔、严寒环境给施工生产及职工生活、办公带来了严峻考验，需要安装取暖设备进行供暖，以保证正常的生活办公需要。隧道空压机组设置于隧道洞口，通过供风钢管管路将高压风输送到隧道掌子面。隧道生活区、办公区住房建设在隧道洞口，以方便施工组织及日常管理，隧道进口建有简易房33 间，总面积约750m2，隧道平导洞口建有简易房10 间，总面积约180m2。

2 技术原理[2-4]

空压机工作余热回收系统由空压机、空压机热能转换机、循环保温水箱、润滑油管路、循环水管路及用水点等组成。空压机在运转过程中，在机头内，螺杆高速旋转，空气依次通过滤清器、进气阀进入机头，空气在高压作用下被强烈地压缩，混入润滑油的空气温度急剧升高，油汽的高温混合物排出机头，进入油气分离器。一方面，润滑油（80~90℃）从油气分离器排出后进入管路，经过空压机热能转换机，在转换机内将热量传递到高导热合金材料中，高导热合金材料温度升高，润滑油降温（60~65℃）后再流向油冷器，最终经过管路返回到机头内；另一方面，高压气（80~90℃）从油气分离器排出后进入管路，经过空压机热能转换机，在转换机内将热量传递到高导热合金材料中，高导热合金材料温度升高，高压气降温（45~50℃）后再流向空冷器，经过气水分离器将多余水分排出，形成高压风，经管路输送到隧道工作面。

循环保温水箱内的水，在循环水泵的作用下，经管路进入空压机热能转换机，高温高导热合金材料将热量交换到管路中的水中，水温升高，流回循环保温水箱，热水在热水输送泵的作用下，经管路流向用水点。循环保温水箱内的水量通过补水电磁阀进行补充。

3 空压机工作余热回收供暖节能技术应用[5-9]

图1 空压机工作余热回收技术原理图

隧道洞口的简易房均为彩钢房，以轻钢、槽钢为骨架、以夹芯板为墙板材料构建的环保经济型房屋，较砖混结构房屋保温效果差，所以，为了保证职工的生活及办公环境，取暖设施必须满足要求。隧道进口安装4 套余热回收机，对33 间简易房（总面积约750m2）进行供暖，隧道平导洞口安装2 套余热回收机，对10 间简易房（总面积约180m2）进行供暖。该供暖系统内，用水点为布置在简易房内的暖气片，热水流经暖气片，通过暖气片散热，使房间内温度升高，达到取暖的目的，热水再通过管路流回循环保温水箱，达到水循环利用。空压机热能转换机见图2，循环保温水箱见图3，热水供应管路见图4，室内暖气片见图5。

图2 空压机热能转换机

图3 循环保温水箱

图4 热水供应管路

图5 室内暖气片

经温度测试，房间内可调温度恒定值可达到22~50℃，供暖效果良好，满足生活、办公环境需求。

4 经济性对比

以隧道进口33 间简易房为例，与传统电暖器供暖方式进行对比，进行供暖节约成本计算，工期按5 年计。传统电暖器与余热回收机经济对比见表1。

表1 传统电暖器与余热回收机经济对比表

计算说明：

4.1 设备费用

①33 个电暖器费用400×33=13200 元。

②余热回收系统（含4 台余热回收机、管道、水泵及暖气片全部费用）共计17 万元。

4.2 用电费用

①电暖器33 个房间按照每年150d，每天12h 运行费用为118800 元（不含购买成本），按照使用时间5 年计算共计电费支出594000 元。

②余热回收采用空压机工作时，由油温进行冷水的热交换，可调温度恒定在22~50℃，给33 个房间供暖（洗澡）无需任何电能能耗。水泵电费按照150d 每天12h 运行费用为4320 元。按照使用时间5 年计算共计电费支出21600 元。

4.3 空压机节能费用

安装余热回收系统后，空压机散热风扇停止运行，每台空压机散热风扇电机1.5kW，按照150d 每天12h 运行费用1.5×12×150×0.8=2160 元，则4 台空压机风扇5 年的用电费用为2160×4×5=43200 元。

通过计算，隧道进口安装4 套余热回收机，对33 间简易房（总面积约750m2）进行供暖，与传统电暖器供暖方式进行对比，按5 年工期计，共计节约成本45.88 万元。

同时，在使用设备使用寿命[10]、房间供暖温度方面，余热机较传统电暖器均具有较大优势，传统电暖器与余热回收机使用效果对比见表2。

表2 传统电暖器与余热回收机使用效果对比

通过对比，传统电暖器使用寿命为1~3 年，房间供暖温度为18~22℃，而余热回收机使用寿命可达10 年，房间内可调温度恒定值可达到22~50℃。如果采用传统电暖器[11-12]，一般工程工期内，需要对电暖器进行多次更换、维修，增加了成本投入，同时，传统电暖器所提供的房间供暖温度不满足严寒地区生活办公需要，造成了大量的电力资源浪费。

5 结论

依托高原严寒地区某铁路隧道，对空压机工作余热回收供暖节能技术进行了研究并应用，得到了如下结论：

①空压机工作余热回收供暖节能技术，通过余热机提供高温油气混合物，将热量通过空压机热能转换机传递到管路水体中，供应到用水点，该技术仅在循环水泵环节需要较少量电量，其他环节均不需要能源供应，将原本要排向大气中的余热进行了充分利用，同时，采用循环水路，仅需添加少量蒸发水补给，极大程度降低了施工成本，属于环保节能技术。

②空压机机油经循环管路降温，流回机头内，降低了空压机运行温度，无需降温装置运转降温，保证了空压机的工作性能，不仅降低了施工、设备使用及维护成本，同时提高了高海拔地区空压机使用寿命。

③余热机房间供暖温度可调且恒定，能够满足高海拔严寒地区生活办公环境需要，可获得较好的体验。

下一步建议在冬期较长的地区，隧道洞口布置时可结合空压机数量提前规划，充分利用空压机余热回收技术，全面解决冬季房屋供暖、工人洗澡、施工用水等问题，并同步考虑拌和站设置距离以实现拌和站生活及生产用水加热问题。