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螺杆空压机热能回收方法及行业应用分析

文章出处:人气:-发表时间:2017-01-20 16:36【

   摘要:随着能源的日益短缺,螺杆式空压机余热回收系统应用越来越广泛,热回收方式也不尽相同。为此,本文对目前常用的螺杆式空压机的几种热回收方式进行了介绍,并对螺杆式空压机余热回收系统进行了分析,明确了不同螺杆式空压机在各种热回收系统中的回收效果,同时也对热回收系统进行了合理评价。

 引言

  随着能源的日益短缺,节能减排成了国家的重要议题。为了响应国家十二五规划中节能减排的号召,极有必要对工业空气压缩机(以下简称空压机)做出合理的节能分析。

  空压机是气源装置中的主体,它是将原动机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能的装置,是压缩空气的气压发生装置。作为一种重要的能源产生形式,空压机被广泛应用于生活生产的各个环节。尤其是双螺杆式的空压机被广泛应用于机械、冶金、电子电力、医药、纺织、食品、制药工业、金属冶炼、交通、煤矿开采等工业领域,双螺杆空压机成为压缩空气的主流产品。

  空压机在广泛应用的同时,其能耗也成了各单位日益关注的主要问题。空压机的能源消耗中,最大的一块是电能的消耗,占到总消耗的77%,其次是维护费用,占到总消耗的18%,而设备投资只占到总成本的5%。可见空压机的电耗是十分惊人的。一台空压机,少则几万元,多则上百万,但购置成本只有5%的比例,可见其电耗数字的庞大。因此找到空压机耗能的原因,有针对性的解决,才能有效进行能效的提高。

  螺杆空压机常见的热回收方式及适用场所

  余热一般指的是空压机在生产高压空气过程中随之产生的多余热量。余热回收就是通过换热器等合适的手段将空气压缩过程中产生的热量回收用来加热空气或水,典型的使用如辅助采暖、工艺加热和锅炉补水预热等。目前较常采用的有喷油螺杆空压机余热回收系统和无油螺杆空压机余热回收系统。

  1. 螺杆式空压机常见冷却方式

  目前,空压机常用的冷却方式有风冷和水冷两种。在选择空压机的冷却方式时,应根据当地的气象条件、冷却水源水质情况进行分析确认。具体如表1;

图片3.png 

  相比之下,由于水冷采用蒸发冷却方式,一般可以得到低于空气温度的冷却水,而且水的比热和密度比空气大,对空压机的冷却效果好,一般较多采用。

  2.螺杆式空压机余热回收系统分类

  在能源日益短缺的今天,对螺杆式空压机余热回收系统的应用也越来越多。根据螺杆式空压机的冷却方式的不同,其热回收系统一般分为两种:风冷型空压机余热回收系统和水冷型空压机余热回收系统。

  目前,厂家大多数采用水冷系统对压缩机进行冷却,加上水冷型空压机余热回收系统回收热量稳定,得到的热水应用场所广泛,对压缩机冷却效果更好,因此水冷型空压机余热回收系统的改造应用更广泛。

  3.螺杆式空压机余热回收的优势

  空压机余热回收系统的优势主要有以下几点:a)绿色环保,循环再生,节能降耗,没有排放;b)提高职员的福利水平,有充足的无成本热水满足使用;c)降低了空压机的运行温度,提高了空压机产气量;d)延长空压机油品使用环境,减少空压机的运行故障;e)节约生活热水或采暖的制作热水经费,压缩了生产环节的经营成本;f)提倡国家政策,节约能源,降低排放的同时,获得收益[1]。

  风冷型空压机热回收系统

  风冷型空压机热回收系统,主要是利用换热器的热量加热自然空气,得到热空气供用热点使用。

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  风冷式空压机热回收具体应用方式,如图1。

  冬季时,根据需要调节风阀1和风阀2的开度,由压缩机出来的废热气与室外冷空气混合,达到供暖温度的要求,直接送到办公室、生产车间等用热点,实现用热点的采暖。

  夏季不需要供热时,风阀2关闭,废热气直接排放到室外。

  此系统结构简单,投资低,维护费用低,节省了冬季采暖的费用。适合于供热点距离空压机站近的场所。

  水冷型空压机余热回收系统

  1.喷油螺杆空压机热回收的改造应用

  对于有油螺杆空压机来说,压缩机工作过程中,室外空气经过过滤进入压缩机后,受到压缩,温度急剧上升。同时,空压机螺杆的高速旋转也会因为摩擦产生大量热,这些热量使得由空压机出来的油气混合物温度上升,通常达到80℃~100℃。而最终企业需要的只是空气的压力,为了保障空压机正常工作的温度要求,多余的热量需要经过冷却系统进行快速的降温,如果没有热回收系统,多余的热量就会通过冷却系统排放大气中,不仅需要额外的电能,而且造成了废热污染。因此,现在很多的老厂都对原有的有油螺杆空压机进行了热回收的改造,对这部分多余的热量进行合理的应用;在很多新厂中,设计开始就直接植入热回收系统,降低了经营费用,起到了节能减排的效果。

  1.1喷油螺杆空压机回收系统

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  影响喷油螺杆空压机余热回收的主要因素有:螺杆空压机排气温度、喷油温度以及喷油量等[2],其余热回收系统回收的热量主要来源于高温油。具体改造过程是在不改变空压机原有工作状态的前提下,将之前通过冷却塔的冷却系统换成余热回收系统,通过余热回收系统对高温油气进行冷却,把得到的热水供用热点使用,如图2。

  如图2所示,室外空气经过过滤器后,进入空压机进行压缩,在压缩过程中,空气与润滑油进行混合,得到高温的油气混合物;油气混合物进入油气分离器,得到高温油和气,高温气进入冷却后供厂房使用,高温油经过冷却后再次进入压缩主机进行使用。不采用余热回收系统时,高温油直接进入由冷却塔组成的冷却系统进行冷却;加入余热回收系统后,高温油首先由余热回收系统进行冷却,在冷却过程中,得到的热水进入蓄热水箱,当生活及生产工艺等用热水点需要时供其使用。当余热回收系统不能把高温油降温到合理温度时,由冷却塔组成的冷却系统对高温油进行冷却,这样由两个冷却系统对油进行冷却,能够保证油温在更加合理的温度,保证了空压机高效稳定的运行的同时,也实现了主机节能。

  1.2喷油螺杆空压机余热回收系统评价

  此系统的优点:可以更高效的对螺杆式空压机产生的高温润滑油进行冷却,对空压机工作时正常工作油温的保障更加稳定,提高了空压机工作的效率;另外,不仅节约了能源,减少了废热污染,而且获得了热水供企业使用,为企业带来了良好的经济和社会效益。 此系统的不足:在制备热水时,换热温差大,使得换热器容易结垢,影响换热效率;对于整个余热回收系统不容易实现油温自动控制。

  2.二次换热在喷油螺杆空压机中的应用

  2.1 空压机余热回收二次换热装置的设计研究

  目前,多数喷油螺杆式空压机余热回收系统的应用都是采用水冷型一次换热余热回收方式(水冷型一次换热余热回收方式就是图2介绍的余热回收系统),二次换热余热回收系统应用较少。但是部分企业为了克服一次换热余热回收系统的缺点,采用二次换热余热回收系统。具体如图3。

图片6.png 

  结合图2和图3,二次换热余热回收系统是在一次换热的基础上加入了软化水系统,接入软化水系统以后,从压缩主机出来的高温油、气和软化水进行换热,得到的高温软化水再和供给用热点使用的水进行换热。

  图3中,如果软化水循环系统直接连接的是空压机内部换热器,二次换热余热回收系统由于使用的是软化水,就不能和带冷却塔的开式冷却系统同时运行,两者只能运行其一;如果图3中软化水循环系统连接的是图2中的改造后加入的换热器,则两者可以同时运行。具体需要考虑企业的实际情况进行确定。

  2.2喷油螺杆空压机二次换热余热回收系统评价

  此系统的优点:换热器不容易结垢,更好的保证了换热器的换热效率;容易实现自动控制;防止油水混合污染末端用水,提高了用水质量和可靠性。

  此系统的不足:设备初期投资高。

  3.无油螺杆空压机热回收的改造应用

  目前,由于无油螺杆空压机制得的压缩空气洁净无油,被广泛使用。对于无油螺杆空压机,经过过滤后的室外空气进入压缩主机进行压缩后,得到高温高压的压缩空气,其温度在170~190之间。为了保证空压设备的正常运行,需要对空压机润滑油和高温压缩空气进行冷却,一般都是采用的带冷却塔的开式水冷却系统对高温压缩空气和高温润滑油进行冷却,最后通过冷却塔把多余的热量排放到大气中去,不仅浪费了资源,还造成了废热污染。因此对无油螺杆空压机也进行了热回收的改造,把这部分热量应用于生活及工艺用水,不仅为企业减少了日常支出,还减少了对环境的污染。

  3.1 一次换热在无油螺杆式空压机中的应用

  影响无油螺杆空压机余热回收的主要因素有:无油螺杆空压机排气温度、润滑油温度以及排气量等,其余热回收系统回收的热量主要来源于高温压缩空气。具体改造过程是在不改变空压机原有工作状态的前提下,将之前通过冷却塔的冷却系统换成余热回收系统,通过余热回收系统对高温油气进行冷却,把得到的热水供用热点使用,如图4。

图片7.png 

  图4中,室外空气经过过滤后进入压缩主机进行压缩,得到高温压缩空气。无余热热回收系统时,高温压缩空气与经冷却塔降温后的冷却水进行换热,得到要求温度的压缩空气供厂房使用。加入余热热回收系统后,根据具体需要,高温压缩空气先和余热回收系统中的换热器进行换热,以满足余热回收系统中用热点热水的使用要求;当用热点使用的热水不足以带走高温压缩空气达到要求温度散失的热量时,带开式冷却塔的冷却系统运行,把多余的热量散失到大气中。这样由两个冷却系统对高温压缩空气进行冷却,能够保证高温压缩空气在更加合适的温度,保证了高温压缩空气出气温度的稳定,也实现了主机节能。

  3.2 无油螺杆空压机一次换热余热回收系统评价

  此系统的优点:可以更好的保证高温压缩空气的出气温度,减少了废热污染,为企业制得了热水,相对与喷油螺杆空压机余热回收系统来说,可以得到更高温度的热水,热水应用范围更广,为企业带来了良好的经济和社会效益。

  此系统的缺点:余热回收系统中的换热器换热温差大,且压缩空气温度过高,使得换热器结垢严重,很大程度上影响换热效率,需要经常进行清洗,增加了维护费用。

  3.3 二次换热在无油螺杆式空压机中的应用

  由于无油螺杆空压机一次换热余热回收系统结构十分严重,所以无油螺杆空压机余热回收系统更多的是采用二次换热余热回收系统,具体如图5。

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  图5中,无油螺杆空压机二次换热余热回收系统也是在无油螺杆空压机一次换热余热回收系统的基础上加入软化水循环系统,由此,高温压缩空气和软化水换热,在换热温差较大的情况下,运行过程中也不会出现结垢严重的现象。这样可以值得更高温度的软化热水,能够提高整体的热回收换热效率。

  如图5所示,和喷油螺杆空压机二次换热余热回收系统一样,软化水系统和开式冷却塔冷却系统尽量不要同时运行。当然,也可以和图4中的改造那样,在软化水循环系统中加入新的换热器和高温空气进行换热,两者可以同时运行,但是对于软化水和高温空气换热时结垢现象不明显,加入新的换热器会带来初投资的提高,不是很经济。具体需要考虑企业的实际情况进行确定。

  3.4 无油螺杆空压机二次换热余热回收系统评价

  此系统的优点:在与高温高压空气进行换热时,换热器不容易结垢,更好的保证了换热器的换热效率,使空压机能够更加稳定高效的工作。

  此系统的不足:设备初期投资高。

  结束语

空压机对很多企业来说都是高能耗设备,而且存在着大量的能源浪费。本文通过以上对螺杆式空压机余热回收系统的介绍,充分论证和说明了余热回收系统能够在保证空压机稳定运行的前提下,可提高能源的有效利用率,能够为企业带来良好的经济效益,并减少了废热污染,保护了自然环境。

 

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