压缩空气系统余热回收利用探讨

压缩空气系统余热回收利用探讨

曾江川 柴燕 陈晶炜 洪映春

成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092

摘要：分析喷油螺杆式空压机工作原理，结合热力学理论，分析空气压缩系统的耗能情况,从理论上确定了空压机余热回收利用效率,详细阐述空气压缩系统余热利用原理及节能效益计算，从而实现节能降耗。

关键词：设备；系统；运行；节能率；投资回报率

1 背景介绍

一直以来，我国的工业产品制造的单位能耗高于国际先进制造水平，高能耗带来高污染高排放，同时也造成国家能源需求的紧张及浪费。为此，节能减排，降低能耗，提高能源的综合利用效率成为国家能源发展战略的重要内容。 

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力能源之一。其具有安全、洁净、调节性能好、输送方便等诸多优点，使其在现代工业领域中应用越来越广泛。但要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源。目前在公司压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的19%。

压缩空气系统主要由空气压缩机组、冷却干燥设备、过滤设备、储气罐、输配管网与阀门等组成。由于空压机的特殊生产性能，其输入的大部分电能变为压缩热，通过其自身的冷却散热系统，将高温的油和空气的热量带走，直接或间接排放到自然环境中，这不仅造成环境的温室效应，而且浪费冷却水资源及空压机余热资源。因此，如果可以根据各种类型压缩机的结构和原理，进行适当的改造，将其热量回收，并结合实际情况将这些热能利用，则可以变废为宝，将原本排入环境的热量进行回收利用，减少其他工艺加热的燃料需要，提高能源的综合使用效率，间接的进行节能减排。

2 压缩空气系统能耗分析

空压机在运行时，输入的电能主要会转化成两种其他的能量形态：增加空气压力的势能和机械做功产生的热能。

据统计，转化成势能的电能约占输入电能的15%左右，而转化成热能的电能却高达输入电能的85%左右。

转化的热能包含两部分：

通过电机机壳及空压机机壳散失掉的热量(不可回收)，约占输入电能的3%-5%

通过空压机冷却系统散失掉的热量(可回收)，约占输入电能的80%-82%

以公司620a空压站为例，其空气压缩机为喷油式螺杆机压缩机，其空压机内部的油主要作用为：冷却和吸收压缩热、密封和润滑。

其工作原理如图：

• 气路

空气进入机头经过螺杆压缩后，由于压力上升，产生热量，空气通过螺杆后，油气混合物由排气口排出，经过管路系统、油气分离系统，进入冷却系统，将高温的压缩空气降低到可接受的范围（各厂家不同），一般情况英格索兰的喷油螺杆式压缩机主机排气温度在92℃左右，在夏季，甚至更高，但是不能高于109℃。超过此值，则空压机故障停机，并报警。

• 油路

当油气混合物由主机出口排出，在油气分离筒体冷却油和压缩空气分离。然后经过相应的油路，进入油冷却器，将高温的油通过冷却系统将热量带走，然后冷却的油经过相应的油路重新喷入主机。这样，压缩机的油则进行着排出-冷却-密封-润滑-喷入的循环流程。

对于喷油螺杆式压缩机，其主机出口油温一般可以达到85℃~97℃，喷油温度（即冷却后的油温）一般控制在65℃~75℃左右。喷油螺杆压缩机的输入功率大约有80%（大部分轴功率）是作为热量通过冷却器带走。冷却器又分空气冷却器和油冷却器，其中油冷却器带走大约总散热量45%~55%的热量。

3 空压机余热回收利用原理及节能效益分析

从空气冷却器和油冷却器的热量回收效率分析，主要考虑油冷却器的热量回收。其空压机余热回收系统需要进行空压机内部油路改造和外部加装热交换器，热交换器通过油管以及连接件与空压机进行相连。空压机在运转时，全部或部分原本由油冷却器排风扇带走的热量通过热交换器回收，对自来水/软水进行加热，然后通过循环泵把热水循环至保温水箱，待需要热水时直接通过热水泵从水箱取热水。由于冷却器进口油温可以达到90~105℃，那么只要有合适的换热器，使用逆流换热和相应的油温和水温控制措施，可以将出口水温提高到60~80℃，同时保证压缩机的正常运行。收集的热水就可供相应的锅炉补给水、生产工艺应用等，减少原先加热所需的能源。如空压机余热回收简图：

以一台350kW空压机为例，喷油螺杆压缩机的输入功率大约有80%（大部分轴功率）是作为热量通过冷却器带走,如果以油冷却器的带走总散热量50%计算，那么通过的油冷却器的散热量大约占空压机输入功率的40%。

其冷却油路可供回收的热量大约有350×40%=140kW。

如果一台满载的350kW空压机24h运行，其每台可供回收的热量为；

Q=Pt=140×24×*3600=12096000kJ=12096MJ

式中 Q——热量，单位为kJ；

P——功率，单位为kW；

t——时间，单位为s

如果考虑进水20℃加热至60℃，即水温升40℃。这样可确定一台压缩机每天可加热多少吨热水：

Mm=Q/c/dt

12096000kJ÷4.2(kJ/kg.K) ÷40K=72000Kg=72t

式中 Q——热量，单位为kJ；

c——水的比热容，单位为4.2kJ/（kg.K）；

dt——温差，单位为K

m——水的质量，单位为Kg

即350KW压缩机运行一天，通过合理地进行改造压缩机，在不影响压缩机正常工作的前提下，与现有的热水需求系统进行整合，理论上完全可以在一天内将72t水提高40℃，对于热水需求的补水预热，减少燃油和天然气的消耗量，同时减少了CO2向大气的排放。

下面以平均回收加热功率140kW为例，即每天回收12096MJ，计算其具体的节能计算：

由此可得每天回收12096MJ，相当于每天节约能源计算：

日节约柴油：12096÷46.04÷0.9=291.92kg。

日节约柴油消耗费用=291.92*7=2043.44元/d。

年节约柴油消耗费用=2043.44*360=735638.4元。

年节约折合燃油计73.56万元。

日节约燃气：12096÷35.59÷0.92=369.42kg。

日节约燃气消耗费用=369.42*2.98=1100.87元/d。

年节约燃气消耗费用=1100.87*360=396313.2元。

年节约折合燃气计39.63万元。

4 结论

从以上的分析可知，空压机的余热利用具有非常大的节能潜力和经济效益。企业在进行余热回收技术改造时，只要选择符合企业实际情况的余热回收方案，不仅可以使空压机组能够保持最佳运行温度82-96℃，使润滑油的性能发挥更好，降低损耗，保证空压机正常的工作油温，还可以余热利用提供锅炉预加热补给水、生产工艺或生活用热水，即实现热能回收，节能环保，减少温室气体排放，从而获得良好的经济和社会效益。

参考文献：

[01]王忠海，空气压缩机的余热利用，液压与气动，2009（3）:66～68

[02]姚晶宏，空压机节能的新方式，节能与环保，2010（5）:54～55

[03]史美中，王中铮 热交换器原理与设计 南京：东南大学出版社，2009