離心式空壓機余熱回收和水源熱泵洗浴系統(tǒng)設(shè)計

張潔雄，穆永超，張昌建，2，羅景輝，2

（1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

空壓機是煤礦企業(yè)的大型設(shè)備之一，常年運轉(zhuǎn)。空壓機工作過程中消耗的大量電能只有15%的能量轉(zhuǎn)換為空氣勢能，剩下85%的能量均轉(zhuǎn)換為熱能，通過風(fēng)冷或水冷的方式排放到大氣中，造成了能源的巨大浪費。因此，深度挖掘空壓機余熱資源，利用合適的解決方案，不僅可以提高能源的利用率、減少環(huán)境污染，也可以為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。目前空壓機余熱回收系統(tǒng)多是噴油螺桿式空壓機系統(tǒng)，離心式無油空壓機余熱回收系統(tǒng)改造還相對較少。本文以東龐礦為研究對象，利用離心式無油空壓機余熱回收+水源熱泵系統(tǒng)制取熱水。此次設(shè)計在不改變離心式無油空壓機原有工作狀態(tài)的條件下，對散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，既可以使空壓機達到安全的工作狀態(tài)，又可以解決東龐礦洗浴問題。

1 項目概況

東龐礦現(xiàn)有1 007 kW 的三級壓縮離心式無油空壓機5 臺，其中2 臺正常運行，3 臺備用?？諌簷C排氣量為196 m3/min，空氣經(jīng)過一、二級壓縮變成高溫氣體，溫度達到100～120 ℃，三級壓縮后氣體的溫度為90 ℃。原冷卻系統(tǒng)是采用冷卻塔進行冷卻，冷卻水經(jīng)過一、二級冷卻后出水溫度為37.4 ℃，經(jīng)過冷卻塔冷卻后溫度為33 ℃，并返回一、二級冷卻系統(tǒng)，三級高溫氣體熱量未利用。通過評估分析，該礦區(qū)空壓機系統(tǒng)運行特性具備良好的余熱回收利用條件，利用空壓機余熱制取熱水，作為職工洗浴熱水的供水熱源，經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保。原有離心式無油空壓機冷卻系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 離心式無油空壓機冷卻系統(tǒng)Fig.1 Centrifugal oil Free air compressor cooling system

2 余熱回收利用系統(tǒng)方案設(shè)計

通過對東龐礦區(qū)離心式空壓機系統(tǒng)進行分析，以及現(xiàn)場測量，提出針對該礦區(qū)的離心式無油空壓機余熱回收+水源熱泵洗浴熱水系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)主要對一、二級冷卻高溫空氣的冷卻水的熱量以及三級高溫空氣的熱量進行回收，并以冷卻塔水池中水為熱源，通過水源熱泵機組來加熱洗浴用水。該系統(tǒng)具有換熱性能強、節(jié)能、維修簡單、自動除垢等優(yōu)點。系統(tǒng)工藝流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)工藝流程Fig.2 System process flow

（1）在現(xiàn)有的空壓機房內(nèi)安裝3 套余熱回收熱水機組，在一級和二級冷卻系統(tǒng)進水口添加調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)流量使出水口水溫達到45 ℃，在空壓機一級和二級冷卻系統(tǒng)出水口及三級高溫空氣出氣口處各增加3 個閥門，使余熱回收熱水機組一級和二級換熱器與空壓機的一級、二級的冷卻系統(tǒng)出水口連接，三級換熱器與三級高溫氣體出氣口相連接，冷卻水在余熱回收熱水機組換熱后水溫下降到40 ℃，返回冷卻塔。

（2）將余熱回收熱水機組一級和二級換熱器并聯(lián)，然后與三級換熱器串聯(lián)，冷水箱的15 ℃自來水通過循環(huán)泵先進入一級和二級換熱器進行換熱，水溫提升到35 ℃，再經(jīng)三級換熱器進行提溫，水溫提升至45 ℃，進入熱水箱，供洗浴使用。

（3）添加1 臺600 kW 水源熱泵，熱源端從冷卻水池中吸取熱量，提升熱水箱中水的熱量。冷水箱與熱水箱通過閥門連接，當熱水箱水溫達到45 ℃，閥門打開，自來水進入熱水箱，再由水源熱泵進行提溫至45 ℃，供洗浴使用。

3 余熱回收設(shè)計計算

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

制取洗浴熱水所需熱負荷為：

式中：Q 為制取洗浴熱水所需熱負荷，kW；cp為水的比熱容，J/(kg·℃)；m 為水的質(zhì)量流量，m3/h；t2為制取熱水溫度，℃；t1為進水溫度，℃。

空壓機可回收的熱量為：

式中：Q 為空壓機所制取的熱量，kW；cp為空氣的比熱容，kJ/(kg·℃)；v 為空壓機排氣量，m3/min；ρ 為空壓機排氣溫度下的空氣質(zhì)量密度，kg/m3；t3為換熱前氣體溫度，℃；t4為換熱后氣體溫度，℃。

空氣的比熱容為：

式中：cp為空氣冷卻前后比熱容的均值，kJ/(kg·℃)；cp1為壓縮空氣冷卻前溫度下的比熱容，kJ/(kg·℃)；cp2為壓縮空氣冷卻后溫度下的比熱容，kJ/(kg·℃)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 洗浴熱水所需熱負荷

經(jīng)現(xiàn)場累積測算及東龐礦所提供資料分析，礦區(qū)職工洗浴用水量約600 t/d。自來水溫度為15 ℃，洗浴熱水溫度為45 ℃，經(jīng)上式計算，制取洗浴熱水所需熱負荷為872.25 kW，考慮熱損失為10%，總熱負荷為959 kW。此負荷作為該項目設(shè)計依據(jù)。

3.2.2 空壓機可回收熱量

經(jīng)現(xiàn)場測試，一級和二級壓縮后的排氣溫度均為110℃，經(jīng)冷卻水降溫后空氣溫度降至48 ℃。三級壓縮后的排氣溫度為90 ℃，經(jīng)熱水機組的三級換熱器換熱后溫度降為50 ℃，供礦井使用。空壓機可回收熱量見表1。

表1 空壓機可回收的熱量Table 1 Recoverable heat of air compressor

系統(tǒng)冷卻水端進入空壓機一級和二級冷卻系統(tǒng)流量為17 m3/h，45 ℃冷卻水經(jīng)換熱器降溫至40℃；由冷水箱流出的自來水進入余熱回收熱水機組流量為8 m3/h，自來水經(jīng)一級和二級換熱器水溫從15 ℃升溫至35 ℃，換熱器內(nèi)流量為4 m3/h，經(jīng)三級換熱器水溫從35 ℃升溫至45 ℃。經(jīng)計算，1 臺空壓機利用熱水機組可回收熱量為279 kW，熱水機組總回收熱量為558 kW。

4 系統(tǒng)設(shè)備選型

系統(tǒng)主要由熱水機組、水源熱泵機組、冷水箱、熱水箱、潛水泵、循環(huán)水泵、洗浴供水泵、硅磷晶罐等設(shè)備組成。具體參數(shù)見表2。

表2 主要設(shè)備參數(shù)Table 2 Main equipment parameters

5 經(jīng)濟效益分析

5.1 投資費用

項目投資費用主要包括設(shè)計費用、設(shè)備投資費用、管網(wǎng)安裝施工費，總投資約320 萬元。

5.2 系統(tǒng)運行費用

東龐礦職工工作班制為三班，每班8 h，洗浴熱水需要全天24 h 供給，礦區(qū)電價為0.6 元/（kW·h），離心式無油空壓機的余熱回收系統(tǒng)在礦區(qū)全年投入使用，主要運行設(shè)備有熱水機組、水源熱泵機組、水泵等，設(shè)備運行費用見表3。

表3 系統(tǒng)運行費用Table 3 System operating costs

由表3 系統(tǒng)運行費用可知，電費共計62.11 萬元，運行期間每年所需的人工費用為3 萬元/人，共1 人，總運行費用65.11 萬元。

5.3 原系統(tǒng)運行費用

東龐礦目前由電廠蒸汽加熱洗浴熱水，全年用于制取洗浴熱水所需蒸汽量為14 292 t，現(xiàn)蒸汽費用為180 元/t，全年蒸汽費用為257.3 萬元。另需人工費用9 萬元，總運行費用為266.3 萬元。

5.4 經(jīng)濟性評價

本系統(tǒng)全年運行費用為65.11 萬元，原有蒸汽系統(tǒng)運行費用為246.5 萬元，節(jié)約運行費用201.19萬元；項目投資需要320 萬元，投資回收期為1.59 a，經(jīng)濟效益顯著。

6 結(jié) 論

（1）本文根據(jù)東龐礦實際情況和需要，設(shè)計了一種新型的離心式無油空壓機余熱回收+水源熱泵系統(tǒng)用于加熱洗浴熱水，替代原有蒸汽加熱系統(tǒng)。

（2）該系統(tǒng)利用離心式無油空壓機+水源熱泵系統(tǒng)解決了礦區(qū)600 t/d 熱水的需求，即不影響原有系統(tǒng)的正常運行，又提高了能源的利用率，節(jié)能減排效果顯著。

（3）該項目每年可以節(jié)約運行費用201.19 萬元，投資回收期1.59 a，投資回收期短，經(jīng)濟效益良好。