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[摘 要]空气压缩机是矿井生产压风的通用设备，处于长期不间断运行状态，但是真正用于增加空气势能所消耗的电能仅占消耗总电能的15%，其余85%的能量以热能形式被散发到空气中被白白浪费。本文介绍了一种通过对空气压缩机进行技术改造的方式，安装余热回收装置、转换装置和控制装置，有效利用空气压缩机余热，用于职工洗浴，既节能环保，又可创造良好效益。
[关键词]空气压缩机 余热 利用
中图分类号：TM963 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0330-02
1、空气压缩机使用现状
硫磺沟煤矿空气压缩机房内共安装5台空气压缩机，型号：SA200A-660V-T，功率：200kW，冷却方式：风冷，正常开机2台（注氮期间为3台），单台每日开机时间：24h。根据统计，空气压缩机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占15%，大约85%的电能转化为热量，通过风冷的方式排放到空气中，造成良好的资源被白白浪费。
2、余热利用目标
（1）通过对矿井现有5台空气压缩机进行技术改造，实现对空气压缩机运转过程中产生的余热进行回收、转换和利用，为全矿500多名洗浴职工每天提供洗浴热水。
（2）有效降低空气压缩机运行温度，提高制气效率，减少机器故障，提高空气压缩机使用寿命，降低维修成本。
（3）停用为澡堂提供热水的1台2T蒸汽锅炉，减少燃煤向大气排放污染物，减少煤炭消耗和人員配置，达到环保节能。
3、技术方案
3.1 技术原理
空气压缩机产热原因：空气由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，从而产生高温高压的油、气。由于机器工作温度的要求，这些高温高压的油、气必须送入各自的冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，送入使用系统；而高温高压的润滑油经冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环.根据计算，在上述过程中，高温高压的油、气所携带的热量大约相当于空气压缩机功耗的85%的转化热量，余热温度通常在88℃-96℃之间。空气压缩机运行产生的余热，如果不散发掉，可引起电机高温及排气高温，不但影响空气压缩机的使用寿命，而且影响压缩空气的质量。
空气压缩机余热回收系统充分利用空气压缩机及系统设计特点，与其散热系统充分结合，最大效果利用空气压缩机运转过程中产生的热量。
3.2 空气压缩机热量回收装置（图1）
空气压缩机热量回收装置，是一种利用压缩机高温油气热能，通过热交换将热能充分利用的节能设备。它通过热量交换和节电控制，收集空气压缩机运行过程中产生的热能，同时改善空气压缩机的运行工况，是一种高效的废热利用设备。
4、余热利用工艺
4.1 主要设备、设施
（1）5台余热提取设备SAR-CA-200，2台3KW供水泵DFG50-125（Ⅰ）/2，1台4KW循环水泵DFRG50-160（Ⅰ）/2，1个DN-80多级强磁除垢器、1个西门子电动温控阀。
（2）1个5m3循环水箱，1个30m3蓄热水箱。在压风机房内建一个5m3循环水箱，在压风机房外建一个30m3蓄热水箱。利用矿原有40m3水箱作为洗浴用水箱。水箱为双层水箱，内外层之间整体灌入发泡保温材料。管路采用双层保温，最外层加一层白铝皮保护壳。紧贴管路敷设伴热带（冬季管壁温度小于2℃时自动加热，管壁温度加热到5℃时停止加热，设定温度可调）。
4.2 工艺流程
空气压缩机运行产热→液压油升温→提热设备→5m3循环水箱→30m3热水储水箱→澡堂洗浴热水箱→洗浴
空气压缩机启动时，高温液压油进入提热设备，5m3水箱与提热模块循环模块启动，利用自来水温度给液压油降温，将液压油温度引入5m3水箱。此时水经过机房内板换，西门子温控阀门检测到温度达到设定值42℃（可调），阀门开启经板换向30m3水箱内供热水。30m3水箱作为洗浴热水储水箱，当澡堂水箱水位到达设定值下限1.0m，通过洗浴热水泵向澡堂水箱供水，达到设定水位上限1.5m水泵停止启动。
4.3 系统日常运行流程
控制箱具有四种工作方式：手动控制、远程控制、自动控制和检修控制。
手动模式：操作人员根据水位高低、温度高低，手动开停水泵、阀门。
远程控制：监控电脑实现手动和自动操作。
自动模式：控制系统根据检测信号，自动开停水泵和阀门；
检修模式：在设备检修和调试情况下工作。
4.4 系统自动运行原理：
（1）高温供水：30m3水箱做为蓄热箱使用，同时设置为水温42℃以上，24小时随时满足洗浴需要。
（2）恒温高温补水：当板换二次出水升高上限时，西门子温控阀出口探测到温度大于目标温度上限时，PID自动打开电动阀，自来水进入板换把热水送入蓄热水箱。PID自动根据出口探测到温度控制打开电动阀开度。
（3）提热设备：热水加热的热源主要是空气压缩机机房5个提热模块提供，加热主要通过板换与加热水箱中的水进行换热，加热水箱中的温度升高满足洗浴热水的温度。
5、余热利用主要系统
5.1 余热回收系统（如图2）
通过在空气压缩机高温油路管道上并联热能回收机组，对空气压缩机产生的高温油气热能进行回收，同时改善空气压缩机的运行工况，回收的热能通过回收机组内的循环管路运送至蓄热水箱进行二次热能交换。
5.2 换热系统
采用铜镍钎焊换热器和可拆卸板式换热器（图3），设计压力30-45bar；设计温度-185～250℃；压损<0.25bar；使用寿命可达10年以上。 5.3 补（进）水系统
为了实现自动补水功能，配置补水电磁阀，在进水端安装了水质过滤器，所有的管道和阀门均采用304不锈钢材料，采用活动分段式安装，均配有维修阀，即保证系统的可靠运行，安装维护极其方便。这样系统不但可以保证优良的水质，系统中不易结垢，使用寿命更长久。
5.4 电气控制系统
电气控制系统是空气压缩机热回收系统的心脏，对最大限度利用清洁能源、节约能源起决定性作用。空气压缩机余热回收系统专用微电脑逻辑控制系统，具有自我诊断及自我保护功能，良好的人机中文显示面板能显示机组实际运转情况，可实现启动前系统自检，并在运行中监测所有安全相關参数。如机组发生故障，电脑控制系统会根据不同情况作出相应的反应。电脑控制系统能及时提示用户更换部件并作必要的维护。液晶面板显示，实时数据跟踪，历史数据记录，预防性保养。机组电脑系统留有备用输出，输入接线端可实现多台机组连锁控制及远程控制。可在无人值守的情况下，保证24小时安全运行。
6、运行技术指标
（1）制热水量25T/h，出水温度控制在42℃-45℃，可满足井每天约500名职工的洗浴要求。
（2）有效降低空气压缩机运行温度（冷却油降温20℃～30℃），产气量提高8%～10%，提高了空气压缩机的运行效率，减少机器的故障。
（3）降低了空气压缩机维修保养成本，延长了设备的使用寿命。通过余热利用的改造，使空气压缩机在80～85℃间运行，可防止机油乳化、降低积碳现象，延长了机油、油气分离器等的更换及清洗周期，耗材的使用周期可延长35%左右。
（4）自动化运行。完全实现系统智能控制，水温控制、自动补水、自动送水、智能停机等全部通过程序控制，无需专人值守。
7、经济效益
每年可节约1台2T蒸汽锅炉运行成本，节省人工、配件费、大修费、电费58.6万元；节省原煤2190T，资金约29.6万元，一年即可收回投资成本68万元。
8、结论
空气压缩机余热回收系统有效地对空气压缩机的余热进行回收利用，系统运行稳定、可靠，提高了空气压缩机的使用效率和寿命，无污染、零排放，特别是在环境保护越来越严格的“新常态”下，在长期不间断使用空气压缩机且有生产、生活需用热能的行业，可作为零污染的环保节能项目推广应用。
参考文献
[1] 李宗耀.螺杆式空气压缩机.纺织出版社，2002.
[2] 德能机电.螺杆式空压机余热回收技术的应用及节能效益分析，2016.
[关键词]空气压缩机 余热 利用
中图分类号：TM963 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0330-02
1、空气压缩机使用现状
硫磺沟煤矿空气压缩机房内共安装5台空气压缩机，型号：SA200A-660V-T，功率：200kW，冷却方式：风冷，正常开机2台（注氮期间为3台），单台每日开机时间：24h。根据统计，空气压缩机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占15%，大约85%的电能转化为热量，通过风冷的方式排放到空气中，造成良好的资源被白白浪费。
2、余热利用目标
（1）通过对矿井现有5台空气压缩机进行技术改造，实现对空气压缩机运转过程中产生的余热进行回收、转换和利用，为全矿500多名洗浴职工每天提供洗浴热水。
（2）有效降低空气压缩机运行温度，提高制气效率，减少机器故障，提高空气压缩机使用寿命，降低维修成本。
（3）停用为澡堂提供热水的1台2T蒸汽锅炉，减少燃煤向大气排放污染物，减少煤炭消耗和人員配置，达到环保节能。
3、技术方案
3.1 技术原理
空气压缩机产热原因：空气由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，从而产生高温高压的油、气。由于机器工作温度的要求，这些高温高压的油、气必须送入各自的冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，送入使用系统；而高温高压的润滑油经冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环.根据计算，在上述过程中，高温高压的油、气所携带的热量大约相当于空气压缩机功耗的85%的转化热量，余热温度通常在88℃-96℃之间。空气压缩机运行产生的余热，如果不散发掉，可引起电机高温及排气高温，不但影响空气压缩机的使用寿命，而且影响压缩空气的质量。
空气压缩机余热回收系统充分利用空气压缩机及系统设计特点，与其散热系统充分结合，最大效果利用空气压缩机运转过程中产生的热量。
3.2 空气压缩机热量回收装置（图1）
空气压缩机热量回收装置，是一种利用压缩机高温油气热能，通过热交换将热能充分利用的节能设备。它通过热量交换和节电控制，收集空气压缩机运行过程中产生的热能，同时改善空气压缩机的运行工况，是一种高效的废热利用设备。
4、余热利用工艺
4.1 主要设备、设施
（1）5台余热提取设备SAR-CA-200，2台3KW供水泵DFG50-125（Ⅰ）/2，1台4KW循环水泵DFRG50-160（Ⅰ）/2，1个DN-80多级强磁除垢器、1个西门子电动温控阀。
（2）1个5m3循环水箱，1个30m3蓄热水箱。在压风机房内建一个5m3循环水箱，在压风机房外建一个30m3蓄热水箱。利用矿原有40m3水箱作为洗浴用水箱。水箱为双层水箱，内外层之间整体灌入发泡保温材料。管路采用双层保温，最外层加一层白铝皮保护壳。紧贴管路敷设伴热带（冬季管壁温度小于2℃时自动加热，管壁温度加热到5℃时停止加热，设定温度可调）。
4.2 工艺流程
空气压缩机运行产热→液压油升温→提热设备→5m3循环水箱→30m3热水储水箱→澡堂洗浴热水箱→洗浴
空气压缩机启动时，高温液压油进入提热设备，5m3水箱与提热模块循环模块启动，利用自来水温度给液压油降温，将液压油温度引入5m3水箱。此时水经过机房内板换，西门子温控阀门检测到温度达到设定值42℃（可调），阀门开启经板换向30m3水箱内供热水。30m3水箱作为洗浴热水储水箱，当澡堂水箱水位到达设定值下限1.0m，通过洗浴热水泵向澡堂水箱供水，达到设定水位上限1.5m水泵停止启动。
4.3 系统日常运行流程
控制箱具有四种工作方式：手动控制、远程控制、自动控制和检修控制。
手动模式：操作人员根据水位高低、温度高低，手动开停水泵、阀门。
远程控制：监控电脑实现手动和自动操作。
自动模式：控制系统根据检测信号，自动开停水泵和阀门；
检修模式：在设备检修和调试情况下工作。
4.4 系统自动运行原理：
（1）高温供水：30m3水箱做为蓄热箱使用，同时设置为水温42℃以上，24小时随时满足洗浴需要。
（2）恒温高温补水：当板换二次出水升高上限时，西门子温控阀出口探测到温度大于目标温度上限时，PID自动打开电动阀，自来水进入板换把热水送入蓄热水箱。PID自动根据出口探测到温度控制打开电动阀开度。
（3）提热设备：热水加热的热源主要是空气压缩机机房5个提热模块提供，加热主要通过板换与加热水箱中的水进行换热，加热水箱中的温度升高满足洗浴热水的温度。
5、余热利用主要系统
5.1 余热回收系统（如图2）
通过在空气压缩机高温油路管道上并联热能回收机组，对空气压缩机产生的高温油气热能进行回收，同时改善空气压缩机的运行工况，回收的热能通过回收机组内的循环管路运送至蓄热水箱进行二次热能交换。
5.2 换热系统
采用铜镍钎焊换热器和可拆卸板式换热器（图3），设计压力30-45bar；设计温度-185～250℃；压损<0.25bar；使用寿命可达10年以上。 5.3 补（进）水系统
为了实现自动补水功能，配置补水电磁阀，在进水端安装了水质过滤器，所有的管道和阀门均采用304不锈钢材料，采用活动分段式安装，均配有维修阀，即保证系统的可靠运行，安装维护极其方便。这样系统不但可以保证优良的水质，系统中不易结垢，使用寿命更长久。
5.4 电气控制系统
电气控制系统是空气压缩机热回收系统的心脏，对最大限度利用清洁能源、节约能源起决定性作用。空气压缩机余热回收系统专用微电脑逻辑控制系统，具有自我诊断及自我保护功能，良好的人机中文显示面板能显示机组实际运转情况，可实现启动前系统自检，并在运行中监测所有安全相關参数。如机组发生故障，电脑控制系统会根据不同情况作出相应的反应。电脑控制系统能及时提示用户更换部件并作必要的维护。液晶面板显示，实时数据跟踪，历史数据记录，预防性保养。机组电脑系统留有备用输出，输入接线端可实现多台机组连锁控制及远程控制。可在无人值守的情况下，保证24小时安全运行。
6、运行技术指标
（1）制热水量25T/h，出水温度控制在42℃-45℃，可满足井每天约500名职工的洗浴要求。
（2）有效降低空气压缩机运行温度（冷却油降温20℃～30℃），产气量提高8%～10%，提高了空气压缩机的运行效率，减少机器的故障。
（3）降低了空气压缩机维修保养成本，延长了设备的使用寿命。通过余热利用的改造，使空气压缩机在80～85℃间运行，可防止机油乳化、降低积碳现象，延长了机油、油气分离器等的更换及清洗周期，耗材的使用周期可延长35%左右。
（4）自动化运行。完全实现系统智能控制，水温控制、自动补水、自动送水、智能停机等全部通过程序控制，无需专人值守。
7、经济效益
每年可节约1台2T蒸汽锅炉运行成本，节省人工、配件费、大修费、电费58.6万元；节省原煤2190T，资金约29.6万元，一年即可收回投资成本68万元。
8、结论
空气压缩机余热回收系统有效地对空气压缩机的余热进行回收利用，系统运行稳定、可靠，提高了空气压缩机的使用效率和寿命，无污染、零排放，特别是在环境保护越来越严格的“新常态”下，在长期不间断使用空气压缩机且有生产、生活需用热能的行业，可作为零污染的环保节能项目推广应用。
参考文献
[1] 李宗耀.螺杆式空气压缩机.纺织出版社，2002.
[2] 德能机电.螺杆式空压机余热回收技术的应用及节能效益分析，2016.