余热回收电控系统设计及效益分析

傅文杰

（湖南湘安新能源科技有限公司，湖南长沙 410000）

0.前言

空压机作为矿山主要四大件之一，是主要的动力源设备，在企业的生产中发挥着重大的作用。螺杆式空气压缩机具有结构简单、性能可靠和操作方便、节能、安全环保、管理费用低等优点得到了广泛的应用。在空压机使用寿命内的成本核算中可以看出，空压机的采购成本只占到5%，维护成本占比5%，而占使用成本最大块的是能耗，达到90%。空压机运行时产生的热资源如果无法充分利用。往往会造成大量的能耗损失。如何结合我矿现有加热方式把这部分热资源利用起来，及利用这部分热资源后又产生了多少效益，正是本文所探究的课题。

1.系统的组成

1.1 余热回收系统组成

整个余热回收系统由机组冷却循环系统、回水系统、补水系统、电气控制系统、内压保护系统等组成。

1.2 电控系统组成

我矿自行设计的余热回收电控系统主要由温度控制器、水位控制器、空气开关、接触器、温度传感器、水位传感器、电磁阀等组成。

2.原理论述

2.1 余热回收系统原理

螺杆式空气压缩机在长期而又连续的运行过程中，首先把电能转换为机械能，再把机械能转换为高压压缩空气的内能。在机械能转换为高压压缩空气内能的过程中，空气被强烈压缩后温度急剧上升，而空压机机头的双螺杆在高速旋转时也产生了大量热量。这两部分热量叠加后经油气混合物带出机头进入油气筒，再把机械能转换为高压压缩空气的动能。在机械能转换为高压压缩空气动能过程中，空压机机头的双螺杆在高速旋转时产生了含有大量热量的油气混合物，经油气分离后，高温的润滑油最后以风冷的形式把热量散发出去。螺杆式空压机的润滑油温度通常在85℃（冬季）－98℃（夏季），这些热能都通过空压机的风冷散热系统作为废热排放到环境中去。

螺杆式空压机余热回收节能设备，采用热交换器的冷热交换、同程截流的原理，将高温润滑油的热量把20℃的冷水转换为45℃～72℃的热水，从而解除了企业为解决员工生活热水及供暖系统所长期承受的经济负担。空气压缩机在工作过程中所耗电能转变热量后大部分被压缩后的油气混合物带走，这些混合物经过分离，分别在各自的冷却器（油冷却和气冷却）中被冷却介质（水或空气）带走，白白浪费了。从理论上来看，除了4%的热辐射和6%被气体带走的热量外，还有高达90%的热量可以被回收利用[1]。

空压机在运行一段时间后，温度开始升高，当润滑油温度升高到70℃时，此时油路的阀门自动打开，润滑油进入热交换器将热量传递给循环桶里的冷水，将冷水的温度加热至45℃以上，然后进入下一流程。如果经过热交换器后润滑油的温度仍然低于油冷却器旁通阀设定值，则不进入油冷却器而直接进入空压机油气桶循环，以防止润滑油温度过低于在空压机工作腔内产生冷凝水。水温不断加热至72℃或以上时，余热回收热交换器内不再发生热量的交换。当润滑油的温度升高到85℃以上时，此时余热回收装置会自动切换到原有的风机冷却系统，通过风冷对润滑油进行降温冷却，以保证空压机的正常运转。

2.2 电控系统原理

余热回收系统随着空压机运行而启动后，循环桶里的冷水经余热回收的热交换机不断加热，当水温达到设定的温度（42℃）时，若热泵储水桶的水位传感器检测到水位不足，则抽热水泵的电机自动启动，开始往储水桶加热水。当热泵储水桶水位达最高点或循环桶水位达最低点又或是循环桶水温下降至下限设定温度（37℃）时，抽热水泵的电机自动停止，完成热水输送的过程。

当循环桶的水位下降到设定点，同时水井的水位传感器检测到水位充足时，抽冷水泵的电机自动启动，开始往循环桶补充冷水，直到循环桶的水位达最高点或水井的水位达最低点，抽冷水泵的电机自动停止，完成补充冷水的过程。

两个循环桶有各自装有水位传感器和温度传感器，通过各自的控制器进行控制水位和水温。同时各自的进水端和出水端均安装有电磁阀，通过补充冷水和输送热水的接触器的常开触点控制电磁阀的开闭，能各自完成输送热水和补充冷水，互不影响。

2.3 电气原理图

图1中：QX为缺相保护器的常开触点，缺相保护器的QX触点在无电源时处于断开状态，在三相电源正常时处于闭合状态，接通控制回路。当三相电源发生缺相故障时，缺相保护器动作，自动断开QX，控制回路随之断电，保护三相电机避免因缺相运行而烧坏[2]。

图1 电气原理图

K1、K2分别为1#循环桶和2#循环桶控制补充冷水的水位控制器的常开触点，它们与控制1#循环桶和2#循环桶的冷水补充泵的接触器KM1、KM2的线圈串联形成回路。当两个循环桶的水位不足时，水位控制器动作，K1、K2相应闭合接通回路，接触器KM1、KM2相应吸合，补充冷水的水泵工作。当循环桶的水位达到最高点或者水井的水位达到最低点时，水位控制器的K1、K2触点断开，补充冷水的水泵停止工作。

K5为热泵储水桶水位控制器的常开触点，当澡堂楼顶上的热泵储水桶的水位到达最低点时，K5闭合，为接触器KM3、KM4线圈的接通作前提条件。

K3、K4分别为1#循环桶和2#循环桶控制输送热水的水位控制器的常开触点，它们分别与1#循环桶和2#循环桶温度控制器的常开触点T1、T2串联，再与热水泵的接触器KM3、KM4的线圈串联形成回路。

因此，输送热水的水泵电机的启动需要具备以下3个条件：（1）澡堂楼顶上的热泵储水桶的水位到达最低点时，即K5闭合。（2）1#循环桶和2#循环桶的水位高于最低点，即K3或K4闭合。（3）1#循环桶和2#循环桶的温度大于设定值（42℃）时，即T1或T2闭合。

D1、D2分别为1#循环桶和2#循环桶控制补充冷水的电磁阀，它们随冷水泵的启停而开闭。D3、D4分别为1#循环桶和2#循环桶控制输送热水的电磁阀，它们随热水泵的启停而开闭。

3.余热回收电控系统产生的效益分析

自安装了余热回收电控系统以来，我矿机电值班技术员对余热回收每天产生的热水吨数均有记录。通过对记录的测算，平均每天产生热水的吨数为30t。

3.1 余热回收系统对冷水加热产生的效益（按等效电耗计算）

年电耗1=年工作日×（余热产生平均温度-进水平均温度）×1吨水每温升1℃需耗电量×每天平均产生热水吨数=320d×(45℃ -20℃ )×1.16kW·h/t·℃ ×30t=278400kW·h。

3.2 停掉空压机冷却风机产生的效益（按电耗计算）

年电耗2=年工作日×每天开机时间×电机功率×台数=320d×6h×4.4kW×3=25344kW·h。

3.3 余热回收电控系统一年产生的经济效益总和

节省电费总和=（年电耗1+年电耗2）×平均电价=（278400+25344）kW·h×0.66元=200471.04元，约为20万元。

经计算，我矿三套余热回收系统一年产生的直接经济效益总和为20万元。因余热回收系统故障率低，在相比用空气源热水泵的情况下，每年还可节省约5万元的维护费用（间接经济效益）。同时可以通过调节空压机的原始参数，来决定风机冷却的时机。空压机的高温润滑油经过余热回收系统的热交换器与冷水交换热量后，润滑油的温度已降到空压机运行时所允许的范围内，没有必要再经过风机冷却，这时就可以使原空压机设计的风机散热转变为备用散热系统，减少风机的使用率，进一步达到节电的节能效果。

4.结语

余热回收系统不仅有利于空压机的稳定安全运行，且可以充分利用空压机运行时产生的热能资源，生产热水用于职工澡堂的热水供应，还可以使空压机的运行温度得到有效改善，尤其减少空压机在夏季频繁因“高温故障跳机”而引起空压机大故障，减少影响生产的不良因素，空气压缩机的产气率也提高了5%～8%[3]。由此可见，余热回收系统在实际应用中，不仅产生了非常可观的直接及间接的经济效益，而且在企业节能降耗的环节中占有重要的一席之地。