高寒隧道空壓機(jī)余熱回收供暖節(jié)能研究與應(yīng)用

楊勇YANG Yong

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著國家鐵路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，高原嚴(yán)寒地區(qū)的隧道建設(shè)規(guī)模也在日益擴(kuò)大，但由于高海拔地區(qū)缺氧環(huán)境的限制，機(jī)械設(shè)備的工作性能受到嚴(yán)重制約，而空壓機(jī)組作為隧道高壓供風(fēng)設(shè)備，長時間運轉(zhuǎn)，高溫機(jī)油余熱持續(xù)擴(kuò)散并進(jìn)一步影響空壓機(jī)運轉(zhuǎn)，降低了供風(fēng)效率，增加了施工成本[1]。

高原嚴(yán)寒地區(qū)海拔高、氣溫極低，給管理及施工人員的生活造成了嚴(yán)峻的考驗，傳統(tǒng)的供暖方式有鍋爐供暖及電加熱供暖，日常供暖需要不斷消耗資源，成本高、利用率低。近年來，隨著太陽能綠色供暖技術(shù)的出現(xiàn)，供暖的過程成本得到了控制，但是設(shè)備的安裝成本較高，加之高原嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境惡劣，設(shè)備使用壽命短，維護(hù)更換代價高。

本文依托高原嚴(yán)寒地區(qū)鐵路隧道，對空壓機(jī)余熱回收原理進(jìn)行研究，并應(yīng)用于隧道的生活及辦公區(qū)，可為今后類似工程的空壓機(jī)余熱回收利用及生活保障問題提供一定的參考和經(jīng)驗。

1 依托工程概況

高原某鐵路隧道位于四川省甘孜藏族自治州，海拔約3100m，10 月即進(jìn)入冬季，可持續(xù)到第二年3 月，近6 個月天氣寒冷，雨雪天氣較多，一般冬季最低氣溫達(dá)-20℃左右。高海拔、嚴(yán)寒環(huán)境給施工生產(chǎn)及職工生活、辦公帶來了嚴(yán)峻考驗，需要安裝取暖設(shè)備進(jìn)行供暖，以保證正常的生活辦公需要。隧道空壓機(jī)組設(shè)置于隧道洞口，通過供風(fēng)鋼管管路將高壓風(fēng)輸送到隧道掌子面。隧道生活區(qū)、辦公區(qū)住房建設(shè)在隧道洞口，以方便施工組織及日常管理，隧道進(jìn)口建有簡易房33 間，總面積約750m2，隧道平導(dǎo)洞口建有簡易房10 間，總面積約180m2。

2 技術(shù)原理[2-4]

空壓機(jī)工作余熱回收系統(tǒng)由空壓機(jī)、空壓機(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)、循環(huán)保溫水箱、潤滑油管路、循環(huán)水管路及用水點等組成。空壓機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中，在機(jī)頭內(nèi)，螺桿高速旋轉(zhuǎn)，空氣依次通過濾清器、進(jìn)氣閥進(jìn)入機(jī)頭，空氣在高壓作用下被強(qiáng)烈地壓縮，混入潤滑油的空氣溫度急劇升高，油汽的高溫混合物排出機(jī)頭，進(jìn)入油氣分離器。一方面，潤滑油（80~90℃）從油氣分離器排出后進(jìn)入管路，經(jīng)過空壓機(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)，在轉(zhuǎn)換機(jī)內(nèi)將熱量傳遞到高導(dǎo)熱合金材料中，高導(dǎo)熱合金材料溫度升高，潤滑油降溫（60~65℃）后再流向油冷器，最終經(jīng)過管路返回到機(jī)頭內(nèi)；另一方面，高壓氣（80~90℃）從油氣分離器排出后進(jìn)入管路，經(jīng)過空壓機(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)，在轉(zhuǎn)換機(jī)內(nèi)將熱量傳遞到高導(dǎo)熱合金材料中，高導(dǎo)熱合金材料溫度升高，高壓氣降溫（45~50℃）后再流向空冷器，經(jīng)過氣水分離器將多余水分排出，形成高壓風(fēng)，經(jīng)管路輸送到隧道工作面。

循環(huán)保溫水箱內(nèi)的水，在循環(huán)水泵的作用下，經(jīng)管路進(jìn)入空壓機(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)，高溫高導(dǎo)熱合金材料將熱量交換到管路中的水中，水溫升高，流回循環(huán)保溫水箱，熱水在熱水輸送泵的作用下，經(jīng)管路流向用水點。循環(huán)保溫水箱內(nèi)的水量通過補水電磁閥進(jìn)行補充。

3 空壓機(jī)工作余熱回收供暖節(jié)能技術(shù)應(yīng)用[5-9]

圖1 空壓機(jī)工作余熱回收技術(shù)原理圖

隧道洞口的簡易房均為彩鋼房，以輕鋼、槽鋼為骨架、以夾芯板為墻板材料構(gòu)建的環(huán)保經(jīng)濟(jì)型房屋，較磚混結(jié)構(gòu)房屋保溫效果差，所以，為了保證職工的生活及辦公環(huán)境，取暖設(shè)施必須滿足要求。隧道進(jìn)口安裝4 套余熱回收機(jī)，對33 間簡易房（總面積約750m2）進(jìn)行供暖，隧道平導(dǎo)洞口安裝2 套余熱回收機(jī)，對10 間簡易房（總面積約180m2）進(jìn)行供暖。該供暖系統(tǒng)內(nèi)，用水點為布置在簡易房內(nèi)的暖氣片，熱水流經(jīng)暖氣片，通過暖氣片散熱，使房間內(nèi)溫度升高，達(dá)到取暖的目的，熱水再通過管路流回循環(huán)保溫水箱，達(dá)到水循環(huán)利用?？諌簷C(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)見圖2，循環(huán)保溫水箱見圖3，熱水供應(yīng)管路見圖4，室內(nèi)暖氣片見圖5。

圖2 空壓機(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)

圖3 循環(huán)保溫水箱

圖4 熱水供應(yīng)管路

圖5 室內(nèi)暖氣片

經(jīng)溫度測試，房間內(nèi)可調(diào)溫度恒定值可達(dá)到22~50℃，供暖效果良好，滿足生活、辦公環(huán)境需求。

4 經(jīng)濟(jì)性對比

以隧道進(jìn)口33 間簡易房為例，與傳統(tǒng)電暖器供暖方式進(jìn)行對比，進(jìn)行供暖節(jié)約成本計算，工期按5 年計。傳統(tǒng)電暖器與余熱回收機(jī)經(jīng)濟(jì)對比見表1。

表1 傳統(tǒng)電暖器與余熱回收機(jī)經(jīng)濟(jì)對比表

計算說明：

4.1 設(shè)備費用

①33 個電暖器費用400×33=13200 元。

②余熱回收系統(tǒng)（含4 臺余熱回收機(jī)、管道、水泵及暖氣片全部費用）共計17 萬元。

4.2 用電費用

①電暖器33 個房間按照每年150d，每天12h 運行費用為118800 元（不含購買成本），按照使用時間5 年計算共計電費支出594000 元。

②余熱回收采用空壓機(jī)工作時，由油溫進(jìn)行冷水的熱交換，可調(diào)溫度恒定在22~50℃，給33 個房間供暖（洗澡）無需任何電能能耗。水泵電費按照150d 每天12h 運行費用為4320 元。按照使用時間5 年計算共計電費支出21600 元。

4.3 空壓機(jī)節(jié)能費用

安裝余熱回收系統(tǒng)后，空壓機(jī)散熱風(fēng)扇停止運行，每臺空壓機(jī)散熱風(fēng)扇電機(jī)1.5kW，按照150d 每天12h 運行費用1.5×12×150×0.8=2160 元，則4 臺空壓機(jī)風(fēng)扇5 年的用電費用為2160×4×5=43200 元。

通過計算，隧道進(jìn)口安裝4 套余熱回收機(jī)，對33 間簡易房（總面積約750m2）進(jìn)行供暖，與傳統(tǒng)電暖器供暖方式進(jìn)行對比，按5 年工期計，共計節(jié)約成本45.88 萬元。

同時，在使用設(shè)備使用壽命[10]、房間供暖溫度方面，余熱機(jī)較傳統(tǒng)電暖器均具有較大優(yōu)勢，傳統(tǒng)電暖器與余熱回收機(jī)使用效果對比見表2。

表2 傳統(tǒng)電暖器與余熱回收機(jī)使用效果對比

通過對比，傳統(tǒng)電暖器使用壽命為1~3 年，房間供暖溫度為18~22℃，而余熱回收機(jī)使用壽命可達(dá)10 年，房間內(nèi)可調(diào)溫度恒定值可達(dá)到22~50℃。如果采用傳統(tǒng)電暖器[11-12]，一般工程工期內(nèi)，需要對電暖器進(jìn)行多次更換、維修，增加了成本投入，同時，傳統(tǒng)電暖器所提供的房間供暖溫度不滿足嚴(yán)寒地區(qū)生活辦公需要，造成了大量的電力資源浪費。

5 結(jié)論

依托高原嚴(yán)寒地區(qū)某鐵路隧道，對空壓機(jī)工作余熱回收供暖節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究并應(yīng)用，得到了如下結(jié)論：

①空壓機(jī)工作余熱回收供暖節(jié)能技術(shù)，通過余熱機(jī)提供高溫油氣混合物，將熱量通過空壓機(jī)熱能轉(zhuǎn)換機(jī)傳遞到管路水體中，供應(yīng)到用水點，該技術(shù)僅在循環(huán)水泵環(huán)節(jié)需要較少量電量，其他環(huán)節(jié)均不需要能源供應(yīng)，將原本要排向大氣中的余熱進(jìn)行了充分利用，同時，采用循環(huán)水路，僅需添加少量蒸發(fā)水補給，極大程度降低了施工成本，屬于環(huán)保節(jié)能技術(shù)。

②空壓機(jī)機(jī)油經(jīng)循環(huán)管路降溫，流回機(jī)頭內(nèi)，降低了空壓機(jī)運行溫度，無需降溫裝置運轉(zhuǎn)降溫，保證了空壓機(jī)的工作性能，不僅降低了施工、設(shè)備使用及維護(hù)成本，同時提高了高海拔地區(qū)空壓機(jī)使用壽命。

③余熱機(jī)房間供暖溫度可調(diào)且恒定，能夠滿足高海拔嚴(yán)寒地區(qū)生活辦公環(huán)境需要，可獲得較好的體驗。

下一步建議在冬期較長的地區(qū)，隧道洞口布置時可結(jié)合空壓機(jī)數(shù)量提前規(guī)劃，充分利用空壓機(jī)余熱回收技術(shù)，全面解決冬季房屋供暖、工人洗澡、施工用水等問題，并同步考慮拌和站設(shè)置距離以實現(xiàn)拌和站生活及生產(chǎn)用水加熱問題。