刘武臣 李亚超

[摘    要]空压机运行时会产生大量的压缩热，压缩热消耗的能量占机组运行功率的85%，通常这部分能量通过机组的风冷或水冷系统交换到大气当中。根据相应类型压缩机的结构和原理适当地进行改造，将其热量回收，结合矿区实际情况对这些热源进行利用，那么就可以变废为宝，将原本排入环境的热量收集利用，减少锅炉加热的燃气消耗量。

[关键词]空压机;余热回收;洗浴;节能

[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）03–00–03

Design of Waste Heat Utilization System of Air Compressor in Yi'an Mining

Liu Wu-chen，Li Ya-chao

[Abstract]When an air compressor is running， a large amount of heat of compression will be generated， and the energy consumed by the heat of compression accounts for 85% of the operating power of the unit. Usually， this part of the energy is exchanged to the atmosphere through the air-cooling or water-cooling system of the unit. According to the structure and principle of the corresponding type of compressor， it is appropriate to transform， recover its heat， and use these heat sources in combination with the actual situation of the mining area， then you can turn waste into treasure， collect and utilize the heat originally discharged into the environment， and reduce boiler heating. of gas consumption.

[Keywords]air compressor; waste heat recovery; employee bathing; energy saving

1 义安矿业职工洗浴用水状况及空压机运行情况

1.1 职工洗浴用水情况

目前的洗浴主要采用浴池和淋浴相结合的形式，淋浴供水和浴池供水为2路供水。现有22 m3和11.6 m3的客人浴池2个，每天一换水，12.5 m3的中层干部浴池2个，每天三班，一次一换水;25 m3的职工浴池2个，每天三换水;现单天平均洗浴人数为1200人，洗浴用水温度为40～45 ℃。每天洗浴热水使用量大约300 t。

1.2 空压机运行情况

義安矿业共有功率为250 kW的复盛空压机4台，总装机容量1000 kW，两台运行，1台备用，1台检修，见表1。

2 空压机余热回收的可行性及计算结果

根据实际测试数据统计分析，在空压机工作时，空压机卸载时的产热量较小暂不考虑，根据实际运行时间及功率数据计算，当运行2台250 kW空压机时（2台每天开机24 h，备用1台每天开机12 h），电力热值为3600 kJ/（kW·h），总计热量回收（250 kW×2×0.95×0.72×3600 kJ/kW·h×24 h）+（250 kW×0.95×0.72×3600 kJ/kW·h×12 h）=36936000 kJ。当运行1台250 kW空压机时（每天开机24 h），总计热量回收250 kw×0.95×0.72×3600 kJ/kW·h×24 h=14774400 kJ，见表2。

制热水量计算：水的比热容公式为Q=C×M×Δt（C=4.2 kJ/kg·℃），比如：1台250 kW空压机运行24 h，按进水温度15 ℃所产热水温度50 ℃计算，则每天产热水为101 t。

式中，M为热水产量、C为水溶热比4.2 kJ/kg·℃、Q为回收热量、Δt为温差。

根据上述内容综述：在3台250 kW的空压机运行时（2台每天开机24 h，另1台每天开机12 h），冬季每天可以生产50 ℃热水252 t左右，春秋季每天可以生产50 ℃热水292 t左右，夏季每天可以生产50 ℃热水315 t左右，供职工澡堂全天洗浴用水。

3 空压机余热回收系统设备及管路的选择

3.1 空压机余热回收机组

空压机余热回收机4台，规格为250 kW余热回收机组，每1台余热回收机组含有循环水泵1台、温度控制器1个，可根据油温和水温情况，自动运行。空压机余热回收机配合水泵和管路能够起到高效、安全和可靠地回收压缩机润滑油产生的热能，同时有效减少了空压机原风冷循环系统的运行时间，能在短时间内将水加热[1]。

空压机原有冷却系统与余热回收系统为两套完全独立的系统，两套系统的切换通过机组油温和风冷双重控制，在余热回收系统不需要启用时，使用空压机原来的风循环冷却系统;当余热回收系统启动时，通过温控阀切换至余热回收系统，如图1所示。

3.2 循环及保温储热水箱

考虑到水箱保温效果好坏关系到能耗，采用保温性能良好、寿命较长的双层不锈钢水箱。水箱为方形双层不锈钢水箱，水箱材料为430，保温层为5 cm聚氨脂发泡。在不用水的情况下，24 h温度下降幅度小于5 ℃。在空压机房设计循环水箱18 m3，在净化站设计保温储热水箱168 m3。

3.3 供水管道

考虑到供水管道必须耐热、防锈、耐腐蚀，所采用管材全部为镀锌钢管。管道外部采用橡塑保温棉包裹，能达到降低冷损和热损的效果。橡塑保温棉外部再以铝皮全部包裹[2-3]，外观整洁美观，保温效果好。

3.4 水泵

考虑到空压机循环水箱至净化站保温储热水箱高差为10 m，供水距离约150 m，供水水质无杂质，水温最高为60 ℃，特选择型号为50-160（1）A型立式管道泵，流量23.4 m3、扬程28 m、电机功率3 kW，一备一用。

3.5 阻垢设备

为减少水垢产生和保障人体健康，在空压机循环水箱前端设计安装1台进水量为20 m3/h的硅磷晶罐，当系统用水时，“硅磷晶”即可进入用水系统，并开始起作用。

4 自动控制系统设计

4.1 空压机余热利用工艺流程

空压机余热回收系统由4台空压机余热回收机、热水增加泵、硅磷晶罐、进水电动阀门、空压机余热循环水箱、保温储热水箱、温度和液位传感器组成，工艺流程是：打开空压机余热循环水箱进水端电动阀门，达到空压机余热循环水箱设定液位，启动空压机余热回收机进行热量交换，将循环水箱水温加热至设定温度，开启热水增压泵，把水搬运至净化站保温储热水箱，当循环水箱水位低至设定的液位下限时打开进水电动阀门，周而复始循环。

4.2 余热利用控制原理及PLC模块选择

空压机余热回收机通过自身温度控制器来控制余热回收机组的启停，PLC通过监测水箱的温度、液位来控制热水增压泵、进水电动阀门的启停，同时把各运行参数与设定上下限值进行比对，超过则自动报警或停机，保护设备安全。

空压机余热利用系统采用西门子S7-200SMART（CPU SR20）PLC和S7-200SMART（EM AE04）模拟量采集模块，PLC配置有以太网通讯接口，方便数据传输和信号采集。通过显示屏可以随时对空压机余热利用系统运行的各项参数进行全方位的监测和控制。PLC程控功能包括：水箱进水自动控制、热水增压泵自动控制、热水增压泵自动轮换、各温度液位上下限报警、硅磷晶罐药量报警等功能。

4.3 电气控制回路设计

4.3.1 主电路设计

4台余热回收机分别由4个三相空气开关提供电源，1#热水增压泵由接触器KM1控制，2#热水增压泵由接触器KM2控制，进水电动阀门正转（开）由接触器KM3控制，进水电动阀门反转（关）由接触器KM4控制。主电路图如图2所示。

4.3.2 控制电路设计

控制电路有手动和自动模式，由旋钮SA1进行选择，当选择手动时，分别按下相应的启停按钮时，可分别控制相应水泵的启停和电动阀门开关，当选择自动时，由PLC程序自动控制，控制电路图如图3所示。

4.3.3 自动控制程序设计

进水阀门的自动控制：在自动状态下，当循环水箱实际液位小于设定液位下限时，进水电动阀门自动打开，当循环水箱实际液位大于设定液位上限时，进水电动阀门自动关闭。

热水增压泵的自动控制：在自动状态下，循环水箱实际液位大于设定液位上限、循环水箱水温大于设定温度上限、净化站保温储热水箱水位小于设定水位上限时，热水增压泵具备启动条件;当以上3个条件有1项不具备时，热增压泵停止运行。热水泵增压的1#泵和2#泵的选择，由水泵轮换子程序自动执行，当运行时间在设定的轮换时间以内时，选择1#泵，当运行时间在设定的轮换时间以外时，选择2#泵。

自动控制程序的联锁：进水阀门开、关联锁;1#热水增压泵、2#增压泵启动联锁;水箱温度液位与热水增压泵启动联锁。

4.3.4 系统报警设计

当余热利用系统各各项运行参数或状态出现异常时，显示屏立即弹出报警界面，并触发声光报警信号，提醒值班人员，及时处理。余热利用系统设置的报警有：循环水箱水位高低报警、循环水箱水温高低报警、余热回收机管路水温高报警、热水增压泵故障报警、硅磷晶罐药量少报警、净化站保温储热水箱水温高报警。

5 结语

目前，该余热利用系统在在洛阳矿业公司压风机房运行良好，空压机运行时产生的多余热量每天可产生250～350 m3热水供职工洗浴，每月可节约锅炉燃气费用15万元，同时空压机排气温度保持在70～85 ℃，有效避免了排气温度过高导致空压机油质变坏的问题，延长了空压机的维护保养周期，产生了良好的经济效益。

参考文獻

[1] 孙守孝，卢进南.空压机余热回收利用系统设计[J].节能，2020，39（5）：4.

[2] 刘晓峰，张昌建，王雪，等.段王矿空压机余热回收利用系统设计[J].煤炭与化工，2021，44（11）：3.

[3] 孙鹏飞，张昌建，胡旺盛，等.葛泉矿空压机余热回收利用系统设计与经济性分析[J].节能，2020，39（6）：3.