煤礦離心式空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)的改造

孟全

(淮滬煤電公司 丁集煤礦， 安徽 淮南 230141)

0 引言

空壓機(jī)是煤礦企業(yè)的主要大型設(shè)備之一，在正常生產(chǎn)中具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特性。但空壓機(jī)的能耗較高，在產(chǎn)生壓縮空氣過程中用于增加空氣勢(shì)能所消耗的電能僅占總耗電量的15%，大約85%的電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣熱能，熱量作為副產(chǎn)品則通過冷卻系統(tǒng)排放到大氣環(huán)境中。如果將這部分余熱回收并有效利用可以給煤礦企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本。

從上世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者和專家對(duì)空氣壓縮機(jī)余熱回收進(jìn)行了大量的研究與運(yùn)用，以期對(duì)空壓機(jī)中排放的大量熱能進(jìn)行回收。1982年威萊姆弗.麥克雷斯提出空氣壓縮機(jī)廢熱回收，對(duì)英格索蘭50馬力以上壓縮機(jī)通過熱力計(jì)算得到的理論回收值[1]。針對(duì)螺桿式空壓機(jī)的熱回收技術(shù)較成熟，應(yīng)用案例較多[2-5],但對(duì)離心式空壓機(jī)的熱回收技術(shù)及應(yīng)用案例較少，英格索蘭提出對(duì)離心式空壓機(jī)的全級(jí)熱回收技術(shù)并取得應(yīng)用[6-7]，開發(fā)了適用于多級(jí)離心機(jī)的高效熱能回收系統(tǒng)，綜合利用壓縮廢熱，通過換熱能向外界提供80 ℃～90 ℃的高品位熱源水。

本文針對(duì)淮滬煤電有限公司丁集煤礦3臺(tái)C950MX3HP型英格索蘭離心式空壓機(jī)，每臺(tái)空壓機(jī)功率為820 kW，壓風(fēng)量為153 m3/min，其運(yùn)行方式為2臺(tái)使用，1臺(tái)備用。考慮丁集煤礦職工的洗浴用熱水和空壓機(jī)低溫余熱的綜合利用，采用英格索蘭離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)[7]對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收改造，利用高效換熱器、板式換熱器和可編程控制技術(shù)(PLC)對(duì)3臺(tái)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，該系統(tǒng)經(jīng)改造實(shí)際運(yùn)行，其回收空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，用于員工的洗浴用熱水，取得了較好的效果。

1 離心式空壓機(jī)余熱利用原理

離心式空壓機(jī)的主要特點(diǎn)是氣量大,供氣穩(wěn)定。其工作原理是氣體進(jìn)入空壓機(jī)后，隨葉輪葉片高速旋轉(zhuǎn)并向葉輪出口流動(dòng)，空氣的壓力和動(dòng)能不斷提高，然后在擴(kuò)壓器作用下，壓力進(jìn)一步提高，再經(jīng)過彎道、回流器流入下一級(jí)葉輪進(jìn)一步壓縮，從而不斷提高氣體壓力。

針對(duì)多級(jí)離心式空壓機(jī)的特點(diǎn)，英格索蘭離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)采用全級(jí)熱回收，即對(duì)每級(jí)壓縮熱都進(jìn)行熱回收。采用高效換熱器實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)余熱的回收，同時(shí)保證空壓機(jī)的冷卻，利用二次換熱系統(tǒng)和熱量輸運(yùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓縮廢熱到70℃高品位熱水的轉(zhuǎn)化，并應(yīng)用于員工的洗浴用水，實(shí)現(xiàn)了離心式空壓機(jī)壓縮廢熱的高效回收利用。

2 離心式空壓機(jī)余熱利用方案

離心式空壓機(jī)余熱回收的同時(shí)兼顧離心式空壓機(jī)的可靠性、運(yùn)行性能、熱回收效率這三方面要求。英格索蘭多級(jí)離心機(jī)的高效熱能回收系統(tǒng)包含3個(gè)子系統(tǒng),即熱量交換系統(tǒng)(高效換熱器);熱量輸送系統(tǒng)(二次換熱)；可編程控制系統(tǒng)(PLC)。圖1是3臺(tái)三級(jí)壓縮的離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)流程圖。

圖1 離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)流程

1) 在離心式空壓機(jī)的第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)分別設(shè)置了高效換熱器。通過一次閉式循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)熱量的回收，其循環(huán)水要求必須是經(jīng)過處理的軟化水或除鹽水。高效換熱器是離心式空壓機(jī)熱量交換系統(tǒng)的核心部件，如圖2所示，用于替代原離心壓縮機(jī)的內(nèi)置式冷卻系統(tǒng)。通過專門設(shè)計(jì)的換熱流程，將每級(jí)壓縮后的空氣和循環(huán)水進(jìn)行熱交換，獲得高品質(zhì)的90 ℃熱源水，為確保壓縮空氣品質(zhì)，獨(dú)特的內(nèi)部設(shè)計(jì)能充分分離并析出冷卻過程產(chǎn)生的冷凝水。

2) 板式換熱器是熱量輸送系統(tǒng)(二次換熱)的主要設(shè)備，如圖3所示。主要是實(shí)現(xiàn)高溫?zé)嵩此c洗浴用水的換熱，由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進(jìn)行熱量交換。它具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應(yīng)用廣泛、使用壽命長等特點(diǎn)，熱回收率可高達(dá)90%以上。

圖2 高效換熱器

圖3 板式換熱器

3) PLC控制模塊采用程序邏輯控制器。采用彩色液晶顯示屏，主要控制循環(huán)水泵的啟停，系統(tǒng)補(bǔ)水，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各處水溫和水壓，控制系統(tǒng)安全、可靠、使用廣泛。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)經(jīng)改造后,其運(yùn)行參數(shù)如表1所示。其系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)余熱的綜合高效利用，替代了員工洗浴用的鍋爐，節(jié)約了能源。

表1 空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表

產(chǎn)水量要求(冬季環(huán)境溫度≥2 ℃)按2臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行計(jì)算。員工洗浴用水的溫度從平均20 ℃升至70 ℃計(jì)算，每天回收熱量約為1.0億kJ。改造前員工洗浴用水采用燃煤鍋爐加熱，燃用煤的發(fā)熱量平均為3 800 kcal/kg,按燃燒效率回收熱量60%計(jì)，則可節(jié)約燃煤約11 t/d，可節(jié)約4 000 t/d燃煤，則每年可節(jié)約費(fèi)用約200萬元。

4 結(jié)論

離心式空壓機(jī)在產(chǎn)生壓縮空氣過程中產(chǎn)生大量的余熱，將這部分余熱回收并有效利用能給煤礦企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益?？紤]丁集煤礦職工的洗浴用熱水和空壓機(jī)低溫余熱的綜合利用，采用英格索蘭離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)對(duì)3臺(tái)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收改造，回收空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，用于員工的洗浴用水加熱。改造后系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，每年可節(jié)約費(fèi)用約200萬元。