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喷油螺杆式空压机实现热能回收浅析

文章附图


摘要:节能减排、绿色环保是国家“十二五”期间重点发展的目标,空压机是工业制造中耗电最多的设备之一,针对它的节能减排越来越被各企业所重视,热能回收就是提高效益的节能措施之一。本文对空压机实现热能回收进行了剖析,重点介绍了露点控温热能回收技术,并阐述了在使用及保养中应注意的问题。

  关键词:空压机、热能回收、露点控温、节能减排

  前言

  目前喷油螺杆空压机广泛应用于各行各业,压缩空气过程中产生大量的压缩热,这些热能散发到压缩机附近的空间或被冷却水带走,白白浪费了,没有得到很好的利用。随着节能意识的深入人心,越来越多的企业已认识到通过回收空气的压缩热,对其综合利用,使之用于生产或生活中,可以节约能源消耗,即节约用来生产等量于空压机余热的热量所消耗的燃料或电力。我国是以火力发电为主的国家,利用燃烧燃料(煤、石油及其制品、天然气等)所得到的热能进行发电,节约能源可减少二氧化碳、二氧化硫的排放量,可见空压机实现热能回收,有着良好的经济、环境和社会效益。

  空压机热能回收的应用

  (1)利用废热气与室外冷空气混合,实现办公室、生产车间采暖或物品烘干(仅限于风冷机型)。

  夏季风阀1开启,风阀2关闭,热空气直接排至室外;冬季根据需供热房间的温度控制要求,对风阀1、风阀2进行调节。


  (2)利用压缩热加热热水(风冷、水冷机型均可满足)。

  a)生活热水,可用于员工热水洗澡。

  b)锅炉补水预热,可大大降低锅炉使用过程中的燃料成本。

  c)可用作其它液体介质的加热。

  d)电子、造纸行业生产线或其它工业用热水。


  从上述介绍可以看出前者应用有一定的局限性,后者目前应用较为广泛,本文主要围绕后者展开。

  空压机热能回收技术优势

  (1)余热回收,再生能源,降低企业自身的运营成本。

  (2)只要空压机运行,即可实现采暖或供应热水。

  (3)与太阳能相比,不受夜晚、阴雨天气影响,投入成本低,维护费用小。

  (4)热能回收系统对空压机的运行维护保养无任何影响。

  常规热能回收的方法

  压缩机冷态启动时,油温较低,油气桶内润滑油经温控阀1、油滤进入机头,此时热能回收换热器、油冷被旁通。

  油温升高达到温控阀1控制温度时,润滑油流入热能回收换热器,将热量传递给需加热的水。

  换热后的油温若低于温控阀2的控制温度,则旁通油冷,经油滤进入机头。若油温达到温控阀2的控制温度,则进入油冷,再经油滤进入机头。油冷换热后若油温下降,经温控阀1、温控阀2依次判断,如此周而复始进行循环。



  空压机油冷出口设置一个温度传感器,风冷空压机设置风扇变频器,根据油温的变化实现风扇变频调速。旁通油冷时风扇低频运转,冷却风扇的风量仅用来冷却后冷即可。若油温升高,润滑油经过油冷,此时风扇工频运转。功率较大的空压机,有的设置两个风扇(F1、F2),空压机启动,F1运行,F2的启/停受控于空压机排气温度的变化,排气温度升高达到温控设定值时F2启动,排气温度降低至设定值以下某个温度时F2停止,风扇变频器可加装在F1线路上。水冷空压机如水泵与空压机一一对应配置工况,冷却水路也可设置水泵变频器,根据油冷油温的变化实现水泵的变频调速,如此设计可节能降耗。

  有些企业在热能回收换热器油管路上设置了旁通阀门,空压机调试、维修时可先将热能回收换热器用阀门旁通,待空压机调试正常后,手动切换阀门;不需要热能回收时,可用阀门旁通热能回收换热器,此时与普通空压机基本无异。有的企业用电动阀门替代温控阀2,控制原理基本相同。



  点控温热能回收

  (1)常规热能回收方法利弊分析

  由于其利用温控阀实现对润滑油流程的控制,结构简单、成本低。JB/T6430-2002《一般用喷油螺杆空气压缩机》规定:“压缩空气的最低温度应不低于其露点温度”,这就要求空压机的排气温度较高(一般75℃~95℃),以避免压缩空气中水分析出,润滑油乳化导致油品寿命降低。温控阀感应油温的变化,只能定温控制,空压机在高温高湿的环境中运行时,例如:环境温度35℃、相对湿度50%、排气压力0.8MPa(G),压力露点温度为65℃,若环境温度和相对湿度升高,难以避免压缩空气中水分的析出。反之,天气较凉,相对湿度较低运行时,例如:环境温度15℃、相对湿度30%、排气压力0.8MPa(G),压力露点温度仅为31.5℃,采用温控阀的空压机,排气温度依然维持在较高的数值,润滑油温度高,长期运行导致油品寿命降低。

  (2)露点控温的控制原理及技术优势

  控制原理:监测环境温度和相对湿度,结合排气压力计算出压力露点温度,从而控制空压机排气温度,将其始终控制在压力露点温度之上某个温度。


  技术优势:压力露点温度是计算得出,根据工作环境的变化,自动调节空压机的排气温度,确保润滑油不会乳化。环境温度、湿度降低时,排气温度降低,润滑油温随之降低,可以提高油气分离效率,延长油品使用寿命。这项技术应用到空压机热能回收上,会带来明显的经济效益。

  (3)系统流程介绍

  气动阀旁通油冷时,润滑油通过热能回收换热器给水箱来的水加热,露点控温控制器通过感应的润滑油温(T油)与计算的压力露点温度(T露点)比较来控制热回收水量控制阀(CV1)通过的水量。排气温度(T排气)较低时,T油若小于T露点,CV1开闭角度逐渐变小,水流量减少,T排气↑;若T排气升高,导致T油超过T露点之上某个温度,CV1开闭角度逐渐变大,水流量加大,T排气↓。空压机的排气温度始终控制在压力露点温度之上某个温度。

  随着水箱里的水温逐步加热升高,热回收出水温度超过设定值时,电磁阀失电,气动阀接通油冷。若热回收出水温度低于设定值以下某个温度,电磁阀得电,气动阀又旁通油冷,如此周而复始进行循环。

  风冷机器配置风扇变频器,水冷机器配置冷却水控制阀(CV2),T油与T露点比较实现风扇变频调速或控制CV2通过的水量。控制原理与CV1相同,将CV1开闭角度的变化理解为风扇的转速变化或CV2开闭角度的变化即可。热回收水路的水泵与空压机一一对应配置工况,也可去掉CV1另设置水泵变频器,T油与T露点比较实现水泵变频调速。

  油路系统中设置了一个温控阀有两个作用:其一是通过温控阀的油路压损最小,流程最短,空压机启动时,可实现油路快速循环,迅速建立油压。其二是此温控阀与常规热能回收空压机用温控阀相比控制温度可低一些,以保证空压机维持最低的排气温度。

  热回收水路水泵故障或其它异常因素导致排气温度达到露点控温控制器高温报警值时,强制气动阀接通油冷、CV2开启。



  用电动阀替代气动阀,无需控制气源还可节省电磁阀,这里主要考虑到前者响应时间一般最短的为3~5s,响应时间达到1s的多为进口阀门,价格相对高。后者适合频繁操作,响应时间为1s,普通国产阀门即可满足,技术较为成熟,价格相对便宜。需要说明的是其气动执行器一般工作压力为0.4~0.7MPa,最高1.0MPa,对于排气压力1.0MPa以上的空压机,需前置加装减压阀。

  热能回收效益

  已知热回收冷却水量、进/出水温差,计算换热量:

  公式

  Q——换热量 KJ/s,

  qm——热回收冷却水量l/min

  Cp——水的比热4.1868KJ/kg.℃

  ρ——水的密度1000kg/m3

  t1——进水温度 ℃

  t2——出水温度 ℃

  空压机运行1h,节约用来生产等量于空压机余热的热量所消耗电力为Q×1度(kW.h),减少二氧化碳排放量Q×1×0.997kg,减少二氧化硫排放量Q×1×0.03kg(节约1度电量就相应减少污染排放0.997kg二氧化碳排放量、减少0.03kg二氧化硫排放量)

  热能回收空压机使用及保养中应注意的问题

  (1)由于板式换热器节能、高效,尤其整体钎焊的结构,其体积小、重量轻、卫生、环保,为大多数热能回收空压机所采用,内置空压机安装,可节省用户空间。缺点是整体钎焊结构不可拆卸,一旦水路结垢只能进行化学清洗。有资料介绍,产生1mm厚的水垢,板式换热器效率下降10%。建议用户前置加装软水装置,条件不具备的用户,只能定期进行清洗。板式换热器在安装时要充分考虑到清洗操作的方便。


  (2)增加热能回收换热器后,油管加长加上换热器自身的阻损,润滑油压有所降低。

  (3)空压机热能回收水路的进、出口应设置温度传感器或显示仪表,便于直接观测进、出水温度。水箱补水回路建议用户设置流量计或水表,利用前面介绍的公式可计算出热回收效益。

  (4)空压机实现热能回收是一项系统工程,外围所配置的水箱、水泵、采取保温措施的热回收水管路以及管路的施工铺设,均需用户在预算中予以通盘考虑。

  (5)空压机重载运行时热能回收效果最佳,热能回收不适合空载率较高的场合。

  结论

  空压机热能回收有着广阔的发展空间,目前推广普及的动力与我国能源分布、产业结构有关,南方沿海地区资源匮乏,劳动密集型企业较多,热能回收空压机已被许多企业所应用;北方地区的应用尚不多,相信随着人们认识的深入,会有越来越多的企业关注这个环节。在这一领域中,露点控温热能回收技术有着更加突出的优势。节能减排、改善气候环境、造福人类,让我们从现在做起。

  参考文献:

  [1]徐树风,螺杆压缩机的能量回收[J],流体机械,2000,(10):35-36

  [2]欧阳焰肃,空压机的节能改造方式[J],石油和化工节能,2009,(5):18-19

  [3]朱立民,闵圣恺,喷油螺杆空压机热能回收节能实践[J],通用机械,2009,(2):79-81

  [4]全国压缩机标准化技术委员会编,中国机械工业标准汇编,压缩机卷(上)[G],北京:中国标准出版社,2004.6:373-382



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