空压机能量回收系统简介

总结其能耗情况；介绍空气压缩机热量回收的原理以及应用，阐述其优缺点；最终结合2014年设计完成的具体案例，对实际项目中的设备与系统进行分析，主要对余热回收系统的经济性和回报周期进行计算并得出结论。

【关键词】空压站节能压缩热余热回收

1 概述

在工业领域迅速发展的今天，压缩空气以它安全、清洁、应用方便等独特的优势，已经被广泛应用到工业领域的各个环节中，成为了名副其实的第二大动力源，所有制造型工厂都或多或少在使用着这一动力源。作为产生压缩空气的主要设备，各种各样形式的空气压缩机都被应用到各种工厂，它的电耗平均约占企业总能源消耗的10～30%。空气压缩机输入功率中的大部分被转化成了热能，并伴随冷却器排到周围的环境中。所以，压缩空气系统成了工业企业中重要的节能对象。

2 空气压缩机的分类

空压机主要是以其压缩机的结构形式可分为二类，分别为动力式和位移式，而位移式根据其运动形式可细分为旋转式和往复式。动力式可分为：喷射式，离行式，轴流式等；旋转式可分为：滑片式，液环式，螺杆式，罗茨式等；往复式可分为直连式，十字头式，活塞式，迷宫式和膜片式等，见图1。

图1 空气压缩机的形式

实际工程中，比较常见的只有二种，即螺杆式和离心式，见图2。螺杆式一般运用在15-750KW机组中，离心式一般运用在560KW以上的机组。实际工程中的热回收也主要是针对这两种机型展开。

螺杆式 离心式

图2 螺杆式和离心式的结构

3 空压机生产中的热量分析

对于电驱动的空压机而言，可近似把它看成是一台电加热器，因为其在压缩空气的过程中，几乎将所有的电能将转换成热能，这些热能的产生会影响空压机的正常使用寿命和运行质量，所以，为了保证空压机能够正常运行，需要给空压机安装良好的散热系统，来确保空压机的正常、安全运行。上述环节产生的热能不但没有被有效地利用，还需要增加额外的系统来帮助冷却，并消耗更多的能量。

我们就以最常见的螺杆式空压机和离心式空压机为例，螺杆式空压机组通常分为喷油螺杆和无油螺杆两种，喷油螺杆的主要冷却介质为油，通过润滑油降低核心转子和空气的温度，工作原理见图3。无油螺杆的冷却方式更接近于离心机，主要冷却介质为水，工作原理见图4。

图3 喷油螺杆式空压机工作原理示意图

图4 无油螺杆式空压机工作原理示意图

以某厂家提供的空压机样本为例，进行计算：

举例1（ZA5G-300无后冷却的空压机参数）：

空气密度为1.293 kg/m3

空气比热为0.24 Kcal/Kg ≈1005 J/Kg.K

该空压机压缩的空气重量为：1062*3.6*1.29/1000= 4.932吨/小时

空气的温升：197-20=177℃

空气的热量=4.932*177*1005/3600= 244 KW

热效率 244/315*100%=77.46%

即：有77.46%的电能转化为热能，并且最终将会被冷却。

举例2 （GA160W喷油螺杆空压机）

空气比热为0.24 Kcal/Kg ≈ 1005 J/Kg.K

润滑油密度为0.875 kg/L

润滑油比热为2030 J/Kg.K

此空压机所压缩的空气重：475X3.6X1.29/1000= 2.21 吨/小时

压缩空气的温升为80-20 = 60K

压缩空气侧的热量为 2.21X60X1005/3600= 37 KW

润滑油重量为2.53X3.6X875/1000=7.97 吨/小时

润滑油温升为80-53 = 27 k

润滑油侧的热量为 7.97X27X2030/3600= 121.4 KW

本台设备的总的热量为： 37 + 121.4 KW = 158.4 KW

热效率 158.4/160*100%=99%

即：有99%的电能转化为热能，并且最终将会被冷却。

以上计算表明，在空压机压缩过程消耗的所有电能，绝大部分都转化为热能，这些热能，需要通过冷却水或者通风将气流带入大气中成为废热。那就可以简单的描述为：空气压缩机的主要产物是热，副产物才是压缩空气，而我们正常生产和生活中只运用到了他的副产物。

4空压机热量回收系统及应用

在当今节能减排的严峻形势下，空气压缩系统的这种粗放用能形式已无法满足社会的要求。我们再设计压缩空气站房时，增加空压机余热回收系统应该成为一种常规模式，即需要增设一套油-水热交换模块，把空压机的冷却油管道与外部管道及连接件相连，置换出油系统中的热量，并用于生活用热水，淋浴用热水，空调采暖热源，锅炉给水预热，软水或纯水加热等，空压机散热原理及余热回收原理见图5、6。

图5 空压机散热原理图

图6空压机余热回收原理图

空压机的余热回收系统，不仅能够产生巨大的经济效益，同时，还具有以下优点：

（1）运行可靠，经济实用。离心式和螺杆式空压机增加余热回收系统后，空压机自身的运行、维护、保养完全不会被影响。

（2）延长了空压机的使用寿命。传统空压机冷却油系统的工作温度约为80-90℃，有系统工作温度的降低，减少了机器出现使用故障的几率，变向延长了机器的使用寿命，增加了油系统各部件（如：机油、机油隔、油/气分离器等）的更换时限，同时降低了维修的成本，并相应的也就延长了设备的更换期限。

（3）方便、卫生、安全。传统螺杆式和离心式空压机的余热回收系统与燃气燃油锅炉相比，具有无污染、无黑烟、无二氧化硫、无一氧化碳、无噪音的优势。一旦空压机和余热回收系统安装并投入正常使用，工厂的员工和行政人员就可以随时有热水使用，无需定时定量专门制备和供应，为企业带来更大收益和社会效益。

5实际工程中的余热回收系统经济性分析

南京依维柯项目中，空压站内采用了4台150m3/h离行式空压机，2台43m3/h和1台51m3/h的喷油螺杆式空压机组。其中，螺杆式机组采用了余热回收系统，以此项目为例进行分析。

5.1热回收量分析

43m3/h空压机耗电量为250KW，51m3/h空压机耗电量为315KW，按其可回收热量为轴功率的50%，加载量按75%计算，可回收热功率：

W=（250*2+315）kW×75%×50%=305.63kW

查《给水排水设计手册》，南京地区冬季自来水温按5℃计算，加热至60℃，回收的热功率可加热水量L：

L=305.63kW×860÷1000÷（60-5）℃≈4.78m³/h

用空压机余热回收，即冬季冷水温度按5℃计算时，8h可加热约38.24吨热水。

夏季冷水温度按15℃计算。

L=305.63kW×860÷1000÷（60-15）℃≈5.84m³/h

即夏季冷水温度按15℃计算时，8h可加热约46.72吨热水。

按每天工作20小时计算，可回收热量为：305.63 kW×20h=6112.6kWh。约523.94万kcal。

全年工作时间按300天考虑，全年回收热量为：

523.94万kcal×300=157182 万kcal

每年节约运行费用为：

天然气热值为约9227kcal/m3，按每立方4.2元计算，年节约费用为：

157182万kcal÷9227 kcal/m3×4.2元/ m3=71.54万元。

节约折算标煤约为：

6112.6kWh×300×3吨标煤/万kWh =550吨标煤

5.2投资估算（见表1）

表1 某项目投资估算表

序号名称及规格单位数量单价（元）总价（元）备注

一、主设备报价

1. 余热回收装置台3150000450000

2. 循环水泵台3600018000

3. 120吨保温水箱个1100000100000

4. 智能控制系统套15000050000

二、工程安装

5. 管道、阀门、保温等材料及安装、人工费项1140000200000

6. 工程管理费项15000050000

7. 不可预计费项1100000100000

合计金额（人民币）：￥968000

投资回报期：96.8/71.54万元=1.35年

6结语

可见，螺杆式空压机和离心式空压机的余热回收系统在经济上和技术上都是成熟的。这项技术的运用既可以回收空压机释放出的废热从而降低了冷却水的温度，提高空压机的稳定性，又可以提供热水。同时，从企业的运行费用角度来说也是一种节约，企业能源消耗总量角度上也是一种节约。

但是余热回收系统也有不足之处，由于制备出来的热水温度约为50℃，倘若运行不够稳定，温度可能会更低，所以有时需要借助热泵机组，而较低的热水温度在平时的生活运用上会受到限制。大型企业或者公司的大型空压站制备出来的热水可能会无法用掉，最终自然冷却有变成常温热水。

总而言之，螺杆式空压机和离心式空压机的余热回收技术，既节约了企业用能，又改善了环境，还提高了设备本身的使用寿命，是一项成熟的、一举多得的节能技术，需要大力推广。

参考文献：

[1]廉乐明等.工程热力学.第四版，中国建筑工业出版社，1999.

[2]徐明等.压缩空气站设计手册.机械工业出版社，1993.

[3]《建筑给水排水设计规范》.GB50015-2003.

[4]《压缩空气站设计规范》.GB50029-2014.

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