中国轻工业武汉设计工程有限责任公司      吴青娇   肖荣子   陈飞龙

摘   要：喷油式螺杆空气压缩机在运行过程中，其中有超过3/4的热能被排往大气中，对这部分能量进行回收利用，可以减少电能消耗，对节能降耗和增加经济效益有重要意义。本文结合工程运用实例，某PVC塑料管材生产企业对喷油螺杆压缩机的余热进行回收利用，用于加热厂区内工作人员的卫生生活热水，并对余热回收所产生的经济效益进行分析。

关键词：压缩机；余热回收；节能；降耗；经济

       0   引言

       喷油螺杆空气压缩机在运行过程中，将电能转换为机械能，机械能压缩空气，空气受到强烈的高压压缩，温度骤升，与此同时，机械螺杆的高速旋转也摩擦发热。高温压缩空气散热和摩擦所产生的热量通过空压机的混合油/气蒸汽排出空压机体。这部分高温油/气气流的热量相当于空压机输入功率的3/4，它的温度通常在80℃（冬季）至100℃（夏秋季），为了达到机器运行温度的要求，这些热能都在压缩空气进入管路系统之前被排往大气中，即借由空压机的散热系统来达到机器运行的温度要求[1]，否则机器会停止运转。在某PVC塑料管材生产企业中，员工宿舍需大量卫生生活热水，采用空压机余热回收来取代电加热，不仅能减少大量电能，节约成本，还能改善空压机的运行环境，延长空压机设备的使用寿命，有效降低空压机的后期维护和保养费用^[1]。

       1   空压机热回收理论计算

       在空气被压缩的过程中，假设被压缩的空气为理想气体，并且为等熵绝热过程，则压缩机的等熵绝热功率Wad为^[2]：

       式中：W_ad为压缩机的等熵绝热功率（kW）；p_s为压缩机的吸气压力（绝压，kPa）；p_d为压缩机的排气压力（绝压，kPa）；k为被压缩气体的等熵指数，空气的等熵指数为1.4；q_v为压缩机的实际容积流量（m³/s）。

       根据公式1，在标准大气压下，压缩机吸入的空气温度为20℃，排出的空气温度为80℃，将1m³/s的空气压缩至8.5bar（表压），其压缩机的理论等熵绝热功率Wad为：

       在这个过程中，压缩空气所带走的热量Q为：

       可以得到：

       由上述的计算结果可以看出，压缩空气所带走的热量仅占整个绝热压缩过程中所消耗功率的22.3%，超过3/4的热量被排往大气中，其中仅很小一部分以辐射散热的方式排往大气中，剩下的热量都可以进行回收利用。

       2   空压机热交换原理

       空压机的热交换过如程图1所示：从大气中吸入的空气与机油在转子内压缩后产生高温的压缩油气混合物，温度约为80-95℃，然后进入油气分离器，油气分离后，压缩气体进入后冷却器进行冷却，通过管道进入各用压缩空气用气点。而高温润滑油进入热交换器与冷水进行热交换，高温润滑油冷却后重新进入压缩机螺杆。如果润滑油油温仍然过高，则进入空压机原油冷却器系统进行冷却，油温达到要求后再进入空压机。增加热回收系统后，不但不影响原空压机的所有性能，并且可以降低空压机整体的温度，提高产气量。温度与产气量成反比关系：空气排出温度每上升1℃，产气量就下降0.05%；上升10℃就下降0.5%；反之则相应提高产气量^[3]。增加热回收系统还减少后冷却器冷却风扇的使用时间，具有一定的节电效果，延长机器及耗材使用(如油气分离器、润滑油、机油格)时间，节省维保费用等多种好处。

图1   空压机热交换过程原理图

       3   余热回收原理及工艺流程

       在某PVC塑料管材生产企业中，根据工艺生产使用要求，共设有四台水冷式喷油螺杆空压机。其中有三台160kW定频带内置热回收装置的水冷空压机（常用），一台160kW变频不带热回收的水冷空压机（备用）。变频不带热回收的空压机采用屋顶冷却塔的循环水进行冷却。定频带热回收的空压机提供生活热水至食堂和倒班楼。制备热水时，打开循环水泵和生活热水循环水泵，当生活热水水箱中的温度、液位达到设定值时，关闭热回收系统的阀门及热循环水泵，开启冷却塔系统，采用冷却水进行冷却。生活热水系统和屋顶冷却塔系统的启动通过电动阀门进行转换。空压机余热回收系统的原理图如图2所示。

图2   空压机余热回收系统原理图

       如图2所示，空压机组平时工作时采用屋面冷却塔的进出水进行冷却。需要制备生活热水时，采用空压机余热回收代替电加热制备热水供给倒班楼。空压机组采用冷却塔冷却时，阀门A和阀门B关闭，阀门C和阀门D打开。当空压机组采用热回收制备热水时，阀门A和阀门B打开，阀门C和阀门D关闭。当循环水箱中水温达到设定温度时，温控阀门A自动关闭，同时关闭循环水泵和阀门B，阀门C和阀门D打开，转换成冷却塔冷却模式。图中循环水箱中水低于一定水位时，水箱中的浮球阀会自动打开，并向水箱中注水；当高于一定水位时，浮球阀关闭，自动停水。

       4   设计计算和节能效益分析

       倒班楼共计420人，其中有30间房为双人间，90间房为4人间，共计120间房，每人每日的最高日用热水水量按80L/d进行设计计算^[5]。每天早、晚两班定时供应热水，每班工作时间为8小时，每天供水两次，每班的供应时间为1小时，一天热水供应时间共为2小时。循环热水供回水温度为60/50℃，自来水进水温度按5℃计算。

       宿舍楼每天的生活热水总量G和热水总耗热功率Q分别为：

       生活热水箱的容积为10m³，水箱内的热水由非供水时间加热，在供水时间内，当水箱内的热水全部用完时，需补充的热水为：

       供水时间内的小时耗热量为：

q峰 =G峰Cp水 Δt水/Δt峰

       水箱内的热水在非供水时间（共14小时）内加热，水箱内热水全天被放空两次，即每次的热水制备时间为7小时，热水制备时间内的小时耗热量为：

       本项目采用三台160kW的水冷空压机，考虑到转换效率、换热器的换热效率等因素，每台空压机的余热回收效率按总功率的65%计算，则单台160 kW水冷空压机所产生的余热q空为：

       空压机产生的余热q总共为：

       q总大于q峰和q平时，因此无论平时加热水箱内热水还是供水时加热生活供水，空压机余热都可以满足生活热水所需的热量，可直接用来加热生活热水。

       倒班楼每天加热生活热水所需的耗热量为W=6190060.8kJ/d=1719.46(kW·h)/d，即每天需1720度电。项目所在地无天然气来源，而太阳能热水系统投资大，对室外温度要求高，冬天还需要增加电辅热系统，一般都使用电加热热水器。当地的工业用电电价为1元/(kW·h)，每天可节约1720元，全年可节约60.2万元（工作日350天）。此空压机余热回收系统仅需要购买水泵、水箱、换热盘管、阀门、管道等，前期投资费用低，后期无其他运行费用，节能效果明显，经济效益也相当可观。

       5   结论

       此PVC塑料管材生产线在不改变工艺生产的前提下，合理利用空压机余热，通过换热盘管用生活热水把空压机的热油冷却，加热生活热水供给职工洗浴，减少了前期电热水器的投资，节省大量的电能，后期维护和运行费用低，带来巨大的经济效益。与此同时还能改善空压机的运行环境，延长空压机设备的使用寿命，有效降低空压机的后期维护和保养费用。

参考文献

       [1] 罗海华. 空气压缩机冷却循环水余热利用系统设计[J]. 华电技术, 2013(6):80–81.

       [2] 全国勘察设计注册工程师公用设备专业管理委员会秘书处. 全国勘察设计注册公用设备工程师动力专业职业资格考试教材（第3版）.[M] 2014. 

       [3] 阿特拉斯.科普柯有限公司.压缩空气手册（第六版）. [M] 1998. 

       [4] 席海涛. 空压机余热回收利用设计与效益分析[J].煤炭工程，2014 (6):22–24.

       [5] GB 50015—2003. 建筑给水排水设计规范[S].

备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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