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无油空压机余热回收应用案例分析

  【压缩机网引言

  空压机是一种应用广泛的通用机械,运行时其输入能源的85%~98%将转化为热能,如不将热量回收,热能将由冷却器、排风扇带走,排放到环境中,这些热能并没有得到很好的利用。目前有许多工厂使用余热回收装置,回收的热量大多用于洗浴用水、采暖及工艺预热。

  在广汽本田增城工厂,压缩空气的电力消耗约占全部电力消耗的12%。2019年已完成喷油螺杆空压机的改造,将原本废弃的热量回收。由于工厂中空压站紧邻制冷站,制冷站中的冷冻机为生产工艺以及环境提供冷冻水。制冷系统用量最高时每天需要为工厂提供冷量超过1000GJ。经过研讨确定将热水用于制冷。这也是公司内首次引入溴化锂制冷机组,同时开创了汽车行业用空压机余热零成本制冷且用于生产工艺的先例。螺杆空压机余热回收制冷节能项目自2019年11月14日投入使用,全年24小时不间断稳定运行,未发生任何故障。每年实际节约电力近120万kWh,节省费用逾100万元。在此基础上,推进无油空压的余热回收。

  1 无油空压机热回收原理分析

  目前工厂在用的无油空压机主要是离心式空压机和无油螺杆空压机

  离心式空气压缩机的空气系统并不复杂,空气经吸风口和空气过滤器接入空压机一段进气口,通过空压机内部高速旋转的叶轮对空气做功,使空气压力、温度、流速提高,然后流入扩压器,再使空气流速降低,压力进一步提高,并经导向装置使空气流入下一级叶轮继续压缩。由于空气经逐级压缩后的温度不断升高,而在下一级中压缩温度高的空气则需多耗功。为了降低空气温度,减少压缩功耗,空气系统中采用了分段中间冷却的结构。在空气系统中没有油的参与,所有热量蕴含在空气当中,压缩后的空气通过各级冷却器与循环水进行换热,由循环水带走大部分热量,其余热量散发到空气。

  本次余热回收系统回收的热量主要来源于高温的压缩空气。根据离心式空压机特性,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。离心空压机分三级压缩,根据相关的技术资料,对于离心式压缩机,一、二级的潜热小,不仅回收热水的温度不能满足需求,而且改造会对设备造成不良影响,而其第三级主机出口气温一般可以达到110℃,可回收65℃~75℃的热水,之后经过冷却的压缩空气一般控制在30~35℃。所以对离心机第三级压缩热量进行回收,可获得最大效益(一台离心机每小时最多可回收12万kcal热量)。对于无油螺杆空压机,同样回收最后一级的热量,可获得最大效益(一台无油螺杆机每小时最多可回收7.7万kcal热量),四台离心机和一台无油螺杆机通过热回收以后,在热水69℃回、75℃出的工况之下,每小时可以有约100吨的流量。

  2 溴化锂制冷原理分析

  利用空压机余热产出的热水来用于溴化锂机组制冷,则几乎不需要花费运转费用,便能获得大量的冷源,具有很好的节能效果,有利于热量的综合利用。

  溴化锂吸收式制冷机以热能为驱动力,以水为制冷剂,溴化锂溶液为吸收剂,制取制冷温度在0℃以上的冷量,可用作空调或生产工艺过程的冷源。以热能为动力,无需耗用大量电能,而且对热能要求不高,75℃的热水可被其利用。

  溴化锂吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器、循环等部分组成。制冷循环过程:当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水的加热后,溶液中的水不断汽化,溶液浓度不断升高,进入吸收器;水蒸气进入冷凝器,被冷凝器内的冷却水降温后凝结,成为高压低温的液态水;当冷凝器内的水通过节流进入蒸发器时,急速膨胀而汽化,并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量,低温水蒸气进入吸收器,被吸收器内的溴化锂水溶液吸收,溶液浓度逐步降低,再由循环送回发生器,完成整个循环。如此循环不息,连续制取冷量。

  因此制冷循环实际上是溴化锂水溶液由稀变浓再由浓变稀和冷剂水由液态变汽态再由汽态变液态的循环过程。在溴化锂机组,热量输入输出的媒介分别由热媒水、冷媒水、循环水三个独立循环系统组成, 由其工作原理可知,热媒水和冷媒水输入的热量应等于循环水输出的热量。制冷循环是物理变化过程,且是负压状态。溴化锂机组的主要参数见下表。

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  3 解决方案

  无油空压机工作时,将供给它的能量(电能)的85%转变成了热能,这些热能中的大部分都传给了冷却介质(水),对这部分热量进行回收利用,其效益是很可观的。对4台离心空压机及1台无油螺杆空压机进行余热回收改造,用于溴化锂吸收式制冷机生产冷冻水。

  压缩完的空气在换热冷却前温度达110℃,确认此次改造的主要内容:空压机提供热源(高温的压缩空气),通过控制,出口水温可达75℃。参考一期项目,由于空压站紧邻制冷房旁,制冷站房最高时需要提供冷量2700RT左右,淡季也需要提供冷量150RT。引入溴化锂吸收式制冷机,将利用空压机余热产出的热水用于溴化锂制冷,即可满足淡季时的供冷量。

  具体改造过程是在不改变空压机正常工作状态的前提下,在空压机原有的后冷却器前增加余热回收机组,通过余热回收机组对高温空气进行换热冷却,利用高温空气对热媒水进行加热,热媒水由水泵抽出,把得到的热水供溴化锂制冷机使用。

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  每台空压机配置一台热回收机组,根据所需温度进行设定,热回收机组循环末端管道接入溴化锂制冷机形成闭式循环系统。循环介质使用纯水,不易结垢。余热回收系统将在保障空压机稳定运行的基础上,最大限度地提供热量利用。同时保留原有的冷却水系统作为保障系统,当某一时间段无热量消耗时,循环将与原有冷却水系统进行换热,充分保障空压机的负载温度,保障生产运行稳定。空压机余热回收项目,一次性投资,收益多年,仅有热水循环水泵能耗,几乎可以忽略。只要空压机正常运转,就能源源不断地产生所需温度的热水,节省更多的资源。如果空压机余热回收的热量完全被利用,按照空压机目前的运行情况,每年可以回收的热量为9244800MJ(按4000小时计)。 

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  4 改造后效果

  利用余热回收机组将压缩空气系统与制冷系统联合起来,2021年11月在余热回收机组和管道顺利完成安装和调试。

  经过现场运行后,热回收系统在不影响空压机正常工作的前提下,达到了效果,完全可以满足制冷机的要求。热媒水经过几次循环即达到目标温度,回收效果完全达到了预期的目标。

  项目落地后,能有效减少制冷机运行能耗,同时有效改善了空压机的运行状态:空压散热效果、空压机冷却效果、运行稳定性均有优化,有利于延长机组寿命,空压机冷却水出口温度也有下降,间接减轻了冷却塔的工作负担,减少保养费用。以上改善预计每年可节省电力超过120万元。通过实践,证明了无油空压机热回收制冷的可行性和合理性及其巨大的节能效益。

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  创新贯穿该项目节能技改全方位、全过程,理念、观念创新,让团队成员深入了解相关专业内容、技术、工艺要求,提高团队技术水平的同时,在施工监管中可以指导施工人员,更能保证施工进度和施工质量。并在项目推进过程中不断反思,改善方案或设计的缺陷。如溴化锂机组的冷却水增加并入空压机冷却水系统,可以提高余热回收系统的稳定性和效率,同时也提高空压机系统运行稳定性。设备厂家的专业工程师和站房的运维人员共同参与了本次节能改造,也从中受益匪浅。

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  5 结论

  空压机在目前的市场上应用广泛,只需进行适当的改造,就可以提供品位较高的热源,除了用于员工的洗浴,还可以用于制冷等用途。在11台喷油螺杆空压机完成热回收的基础上,此次广汽本田增城工厂成功实现5台无油空压机热回收,对于使用压缩机的企业进行节能减排工作,提供了具有一定借鉴意义的案例。

  参考文献

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