英格索蘭空壓機熱回收解決方案

上海英格索蘭壓縮機有限公司 劉洋 唐勇 王文真

英格索蘭空壓機熱回收解決方案

上海英格索蘭壓縮機有限公司 劉洋 唐勇 王文真

空壓機在運行中產(chǎn)生大量壓縮熱，這些壓縮熱最終被冷卻塔排放到環(huán)境中，造成了極大浪費。本文主要探討對這些壓縮熱的回收方式，以提高能源利用率。

空壓機；熱回收；螺桿機；離心機

工業(yè)生產(chǎn)過程中存在各種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備、用能設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)設(shè)備，這些設(shè)備產(chǎn)生大量未被利用的余熱。在我國工業(yè)企業(yè)中，余熱資源占整個輸入能源的7.3%，而余熱資源回收利用率僅34.9%[1]。

壓縮空氣是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的動力源之一。由于其具有安全、無公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點，使其在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。但要得到品質(zhì)優(yōu)良的壓縮空氣需要消耗大量能源，在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，壓縮空氣的能源消耗占全部電力消耗的10%—35%[2]。

根據(jù)行業(yè)調(diào)查分析，空壓機系統(tǒng)5年的運行費用組成為：系統(tǒng)的初期設(shè)備投資及設(shè)備維護費用占到總費用的23%，而電能消耗（電費）占到77%，幾乎所有的系統(tǒng)浪費最終都是體現(xiàn)在電費上[3]。

空壓機系統(tǒng)在長期連續(xù)的運行過程中，輸入功率的85%以上轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量隨未處理的空壓機油/氣蒸汽排出，這些被排放到外界的熱量，其中有85%是可以被利用的，折合空壓機軸功率的80%以上。在保證空壓機穩(wěn)定運行的前提下，充分利用空壓機余熱資源，全面提高能源利用率，具有重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)空壓機種類的不同，英格索蘭將空壓機熱回收系統(tǒng)分為兩大類：螺桿式空壓機的熱回收和離心式空壓機的熱回收。

余熱回收后，熱量是以熱水的形式存在的，熱水可根據(jù)用戶用熱需求溫度的不同用于鍋爐補水、采暖、生活用水、RO純水預(yù)熱等，具體應(yīng)用應(yīng)遵循能量梯級利用的原理。圖1給出了空壓機熱回收的一些應(yīng)用。

圖1空壓機熱回收的應(yīng)用

1 螺桿式空壓機的熱回收

根據(jù)壓縮空氣過程中壓縮腔中有無潤滑油，螺桿式空壓機又分為噴油螺桿式空壓機和無油螺桿式空壓機，因此，英格索蘭對螺桿式空壓機的熱回收也分為了噴油螺桿式空壓機熱回收和無油螺桿式空壓機熱回收。

1.1 噴油螺桿式空壓機熱回收

（1）熱回收原理

現(xiàn)有技術(shù)中，噴油螺桿式空壓機的工作流程如下：空氣通過吸氣過濾器將大氣中的灰塵或雜質(zhì)濾除后，由進氣控制閥進入壓縮機主機，在壓縮過程中與噴入的冷卻潤滑油混合，經(jīng)壓縮后的混合氣體從壓縮腔排入油氣分離器，從而分別得到高溫高壓的油、氣。由于機器工作溫度的要求，這些高溫高壓的油、氣必須送入各自的冷卻系統(tǒng)，其中壓縮空氣經(jīng)冷卻器冷卻后，最后送入壓縮空氣管網(wǎng)；而高溫高壓的潤滑油經(jīng)油冷卻器冷卻后，返回油路進入下一輪循環(huán)。

在上述過程中，高溫高壓的油、氣所攜帶的熱量大約相當(dāng)于空壓機軸功率的85%，油溫通常在80℃—100℃之間。這些熱量如果不及時排掉，可引起電機高溫及排氣高溫，不但影響空壓機的使用壽命，更影響壓縮空氣的質(zhì)量。但直接通過冷卻系統(tǒng)將熱量排放，不但浪費了能源，更會造成熱污染。因此，噴油螺桿機的熱回收系統(tǒng)的主要功能是替換原有冷卻系統(tǒng)，生產(chǎn)高溫?zé)崴?，同時帶走空壓機運行中潤滑油的熱量。

對于噴油螺桿式空壓機而言，熱回收的主要來源在于壓縮機潤滑油，噴油螺桿式空壓機最常用的熱能回收方法就是在油氣分離器內(nèi)裝置一個熱回收裝置，利用油和空氣中蘊含的熱量將冷水加熱，即把壓縮空氣中的熱能轉(zhuǎn)移到水中來完成熱回收。

若用戶用熱量不足，熱回收裝置出口油溫高于設(shè)計溫度，潤滑油還會經(jīng)過原有油冷卻器進一步冷卻，保證空壓機的正常運行。英格索蘭噴油螺桿式空壓機熱回收裝置示意圖如圖2。

（2）產(chǎn)品特點

英格索蘭噴油螺桿式空壓機熱回收系統(tǒng)是安裝在空壓機外部的系統(tǒng)，通過油管以及連接件與空壓機進行相連，可以對螺桿式空壓機所產(chǎn)生的高溫高壓的潤滑油進行冷卻，不僅可以提高空壓機的產(chǎn)氣效率，而且可使企業(yè)獲得生產(chǎn)和生活所需的熱水，出水最高溫度70℃以上（冬季出水溫度可達50℃以上）。英格索蘭噴油螺桿式空壓機熱回收系統(tǒng)覆蓋了任何品牌的從55KW-350KW的噴油螺桿機，從而解決了企業(yè)生活熱水的問題。

圖2英格索蘭噴油螺桿機熱回收系統(tǒng)示意圖

該熱回收裝置可以同時滿足：

1)壓縮機的正常的工作油溫；

2)不破壞壓縮機的正常工作；

3)整潔的外表，安全可靠的系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；

4)余熱利用，節(jié)能環(huán)保，減少溫室氣體排放，良好的經(jīng)濟和社會效益。

目前，市場上對于噴油螺桿式空壓機的熱回收，品牌眾多，各個廠商發(fā)布了其噴油螺桿空壓機熱回收產(chǎn)品，可以說是“紅海市場”，英格索蘭認為，對于噴油螺桿式空壓機熱回收這個“紅海市場”仍需要“藍海創(chuàng)新”。對此，英格索蘭發(fā)布了第三代噴油螺桿式空壓機熱回收系統(tǒng)—S系列噴油螺桿式空壓機高效熱能回收系統(tǒng)，S系列在秉承了英格索蘭前兩代噴油螺桿式空壓機熱回收系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全等優(yōu)點的同時，根據(jù)市場需求，引入了PLC控制系統(tǒng)、更高效的換熱元件等技術(shù)，并將噴油螺桿式空壓機熱回收控制接入到了空壓機整機的控制系統(tǒng)中，可根據(jù)空壓機的運行狀態(tài)對熱回收裝置進行控制，將噴油螺桿式空壓機熱回收帶入了數(shù)字化時代。

（3）項目案例

上海某傳動設(shè)備公司共有7臺160kW噴油螺桿式空壓機，在運用了英格索蘭噴油螺桿式空壓機熱回收系統(tǒng)后，每天可生產(chǎn)70℃的熱水300t，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1000t，空壓機熱回收生產(chǎn)的熱水可用于辦公采暖、鍋爐補水預(yù)加熱、職工浴室熱水等，獲得了良好的節(jié)能效果。

1.2 無油螺桿式空壓機熱回收

（1）熱回收原理

無油螺桿式空壓機的工作原理與噴油螺桿式空壓機是完全相同的，二者的最大不同點在于驅(qū)動方式：無油螺桿式空壓機是通過電機或燃氣輪機帶動增速齒輪，再由增速齒輪來驅(qū)動兩個螺桿，實現(xiàn)氣體壓縮的。而噴油螺桿式空壓機是由電機或燃氣輪機通過聯(lián)軸器直接帶動陽螺桿，然后由陽螺桿帶動陰螺桿實現(xiàn)氣體壓縮的。這樣兩者潤滑部位就不同。前者是在增速齒輪箱和軸承上，后者是在壓縮機殼內(nèi)和軸承上[4]。

驅(qū)動方式的不同決定了噴油螺桿式空壓機在壓縮過程中向機殼內(nèi)噴入了少量的潤滑油，油進入殼體內(nèi)轉(zhuǎn)化成油霧，然后與殼體內(nèi)的壓縮空氣混合后在轉(zhuǎn)子的齒槽間被有效地壓縮。與噴油螺桿式空壓機不同，無油螺桿與箱體之間，螺桿之間不接觸，不需要內(nèi)部的潤滑，所以可以得到不含油分的清潔壓縮空氣。

無油螺桿式空壓機壓縮腔中由于沒有潤滑油的冷卻，因此其壓縮過程更加接近絕熱壓縮，換言之，其可回收壓縮熱更多，排氣溫度更高，熱回收的效果會更好。

對于無油螺桿式空壓機，熱回收的來源是壓縮過后的高溫壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)熱回收裝置冷卻后，送至用氣端；循環(huán)水經(jīng)熱回收裝置和壓縮空氣進行熱交換，升溫后的循環(huán)水送至用熱端完成循環(huán)。英格索蘭無油螺桿式空壓機熱回收原理圖如圖3所示。

英格索蘭無油螺桿式空壓機熱回收產(chǎn)品可以對90kW-300kW的任意品牌無油螺桿式空壓機進行熱回收，出水溫度可達60℃以上，回收效率高達80%以上。

（2）項目案例

上海某精密復(fù)合銅管有限公司現(xiàn)有2臺英格索蘭ML250無油螺桿式空壓機，供制取氮氣用，一開一備。該公司生產(chǎn)工藝中需用到45-60℃的熱水，原用電加熱（90kW）方式解決需求。

經(jīng)過熱量計算，對1臺無油螺桿式空壓機進行熱回收，其熱量足以滿足該道工序?qū)崃康男枨蟆＝?jīng)過改造后，電加熱完全停用，年節(jié)約電費49.8萬元，投資回報期18個月。

此外，該企業(yè)得到政府節(jié)能獎勵20萬元人民幣。

2 離心式空壓機熱回收系統(tǒng)

2.1 熱回收原理

圖3英格索蘭無油螺桿式空壓機熱回收原理圖

圖4離心式空壓機熱回收流程圖

離心式空壓機一般應(yīng)用在大氣量、用氣需求穩(wěn)定的場合，其工作原理是氣體進入離心式空壓機的葉輪后，在葉輪葉片的作用下，一邊跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，一邊在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下向葉輪出口流動，并受到葉輪的擴壓作用，其壓力能和動能均得到提高，氣體進入擴壓器后，動能又進一步轉(zhuǎn)化為壓力能，氣體再通過彎道、回流器流入下一級葉輪進一步壓縮，從而使氣體壓力達到工藝所需的要求[5]。

對離心式空壓機的熱回收，是全級熱回收，即對每級壓縮熱都進行熱回收。離心式空壓機熱回收的同時兼顧離心式空壓機的可靠性、運行性能、熱回收效率這三大要求，英格索蘭為離心式空壓機設(shè)計了專用熱回收系統(tǒng)，壓縮機冷卻系統(tǒng)，熱量輸送系統(tǒng)（成橇設(shè)計）。因此，離心式空壓機的熱回收主要內(nèi)容包含壓縮機改造，熱量交換系統(tǒng)和熱量輸送系統(tǒng)。

圖4是一臺兩級壓縮的離心式空壓機熱回收系統(tǒng)流程圖。對于兩級壓縮的離心式空壓機，其第一級和第二級都設(shè)置了高效換熱器，高效換熱器是專為離心式空壓機所設(shè)計的熱回收裝置，是離心機熱回收的核心部件，其工作原理是將每級壓縮后的空氣和循環(huán)水進行熱交換，回收壓縮熱的同時有效降低排氣溫度。

在確保離心式空壓機全天連續(xù)穩(wěn)定運行的前提下，英格索蘭可以對90%的壓縮機輸入功率進行有效回收，生產(chǎn)出90℃的高品位熱源水，以滿足后端對不同溫度熱源的需求；同時確保壓降損失控制在0.06-0.08bar左右；覆蓋了從400kW—3500kW的任意品牌離心式空壓機。通過該裝置來對原有的內(nèi)置冷卻系統(tǒng)進行改造，采用高效熱回收換熱系統(tǒng)，實現(xiàn)如下熱回收目標(biāo)：

水側(cè)：入水25-30℃，出水最高可達95℃

氣側(cè)：高溫110-130℃，冷卻后35-45℃

為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，熱交換系統(tǒng)應(yīng)使用軟化水，以減輕結(jié)垢。

對于客戶的用熱端，要根據(jù)現(xiàn)場實際的負荷配比和應(yīng)用的溫度要求進行針對性設(shè)計。根據(jù)結(jié)構(gòu)一般分為直通式換熱或循環(huán)加熱兩種方式；根據(jù)控制方式一般可分為定溫控制、定溫差控制以及定流量控制等幾種方式。

2.2 離心式空壓機熱回收控制系統(tǒng)

離心式空壓機熱回收控制系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)下列功能：

（1）進/出水溫度、壓力就地儀表監(jiān)測；

（2）95℃熱水流量、溫度顯示，記錄；

（3）PLC遠程監(jiān)控和異常報警；

（4）進/出水溫度、壓力PLC遠程監(jiān)測和異常報警；

（5）單位時間節(jié)能量統(tǒng)計和單位時間節(jié)省成本統(tǒng)計。

2.3 項目案例

國藥集團山西某制藥公司有5臺英格索蘭5CII離心式空壓機，單機功率3500kW，四開一備。

現(xiàn)對這5臺5CII空壓機進行熱回收，現(xiàn)場實測循環(huán)熱功率達11.5Gcal/h，折合熱功率13372kW，回收效率高達95%，出水溫度90.1℃（進水23℃），水流量220m3/h，折合蒸汽16.6萬t/a，可回收價值約1796萬元/a。

3 結(jié)束語

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，壓縮空氣的用氣量日益增大，壓縮空氣余熱的利用也越來越被重視。英格索蘭認為，在回收利用空壓機壓縮熱時，必須保證空壓機的正常運行，這是對空壓機進行熱回收的前提條件。

空壓機熱回收帶來的節(jié)能潛力巨大，空壓機的熱能回收是提高壓縮空氣系統(tǒng)能源利用水平，提高客戶生產(chǎn)力的必要手段。

[1]孟嘉.工業(yè)煙氣余熱回收利用方案優(yōu)化研究[D].武漢:華中科技大學(xué)能源與動力學(xué)院，2008.

[2]潘志旸.壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能[J].壓縮機. 2007，3.

[3]郭坤閃，劉新重.煤礦空壓機余熱利用節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].科技視野.2003，1.

[4]邢子文.螺桿壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社.2000.

[5]徐忠.離心式壓縮機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社.1990.

英國推出無需跑道的最大航空器可節(jié)能70%

英國一家公司最近推出目前世界上最大的航空飛行器，它不僅續(xù)航時間能夠長達3周之久，還能把大型貨物運送到傳統(tǒng)航空器難以抵達的地區(qū)。

這一航空器外形像是飛機、飛艇和直升機的混合體，長達91米，由英國“混合航空器有限公司”研制，耗資大約5000萬美元。該航空器由于使用惰性氣體氦氣，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)貨機相比，能節(jié)約70%的能源，且不需要跑道起降。

（網(wǎng)易新聞）

節(jié)能的微型木結(jié)構(gòu)房

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（李忠東編譯自www.dailymail.co.uk）

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