摘 要：分析空压机压缩过程热力学原理，及根据热工原理分析了压缩过程的节能方向，在站房设计中分析了空压站余热回收原理 ，在具体案例中分析了余热回收系统的经济可行性。

关键词：压缩过程；空气压缩机节能；余热回收；高温水源热泵

中图分类号：TK018 文献标识码：B 文章编号：1671-3362（2013）05-0126-03

概述

2011年，我国GDP约占世界的8.6%，但能源消耗占世界的19.3%。我国单位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍，美国的3.3倍，日本的7倍。我国的节能降耗形势严峻。工业和信息化部已提出了工业节能的“十二五”目标是单位工业增加值能耗较“十一五”末下降21%。要实现这一节能指标，任务非常艰巨。

能源是工业企业运行的动力，而压缩空气作为机械行业的重要动力介质，扮演着重要的角色；空压站是压缩空气的生产场所，在大、中型工厂中一般为集中设置；生产压缩空气需要消耗了大量的电能；空压站是工厂中能耗较大的一个单体。占到机械类工厂总耗电的10%～35%；压缩空气系统成为了工业企业重要的节能工作对象。

2空气压缩原理及节能分析

空气经压气机压缩后，压力升高，称为压缩空气，压缩空气在工程上应用广泛，如用于各种气动机械的动力、颗粒物料的输送、吹扫等；空压机消耗一定的轴功，将定量的空气自大气环境状态压缩到需要的最终压力。根据热力原理，略去压气机进出口气体动能和位能变化，压气机压缩过程中理论轴功可写为：

WS=Q+△H

式中：

WS——压气机轴功

Q——气体向外界传热

△H——气体焓增

上式说明，压气机消耗的轴功，一部分用于增加气体的焓，一部分转化为热能向外界传热。压缩过程存在两种假想极端情况，一种是过程极快，近似绝热定熵压缩；一种是过程极慢，气缸冷却效果好，近似定温压缩过程。对于理想气体的定温压缩，气体焓增为零（△H=0），消耗的轴功全部转化为热能（WS=Q）向外释放。而绝热定熵压缩过程中（Q=0）轴功全部转化为气体的焓增（WS=△H），使气体温度升高。

实际空气压缩机的压缩空气为等温和绝热之间的多变过程（1

由图1可知，当初态和终压给定时，定温压缩耗功最小，压缩终温也最低；绝热压缩耗功最大且终温最高。为了减少压气机耗功量，应使压缩过程尽量接近定温压缩。所以改善压气机的冷却措施，降低多变指数n值，是提高压气机整机效率的关键所在。体现在空压机组设计中主要是增加中间冷却器，分级压缩等措施，体现到空压站的设计中主要是设计高效的冷却系统，尽可能的快速将机芯热量置换出来，降低设备及压缩空气的温度。而空压机热回收系统既可以很好的满足降低压缩机及空气温度又能回收其热量作为生活用能源。

3空压机组冷却系统的余热回收方案

在压缩过程消耗的所有电能，都转化为热能；即压缩空气的焓增和压缩过程向外界的散热，其中压缩空气自身焓增约占总热能的3%，其余97%的热能都需要通过冷却水或通风气流带入大气中成为废热。空气压缩机提供的散热方式主要采用两级换热冷却，首先冷却油将螺杆及压缩空气的热能换出，然后采用风冷或水冷的方式再将冷却油的热量换出。换出的热能排入大气中，成为大气环境中的一种热污染。

在国家节能减排的政策形势下，这种粗放的空气压缩系统已无法满足新形势的要求。在压缩空气站房设计中，对空压机的冷却系统进行适当的改造，增加空压机余热回收系统，对压缩过程中产生的废热进行回收，可作为工厂浴室及生活用热。余热回收系统回收部分约为压缩机产生总热量的80%；折合成空压机输入电功率约占总功率的68%（电动机的效率按85%计算）。

空压机散热及余热回收原理如下图示：

在实际工程设计中空压机余热回收技术方案一般有两种：

1）方案一.

增加外置油-水交换热回收单元，通过油管以及连接件与空压机冷却油管道进行相连，通过对空压机油路改造，接出冷却油量至回收单元进行换热，冷却油的出口温度约为85℃；通过换热器换热，可以使热水的出口温度达到60℃，同时可保证压缩机的正常运行。

其原理流程图如下：

上述空压机余热回收系统简单，运行安全稳定，运行能耗小，仅热水侧循环水泵消耗电能。循环水泵根据保温水箱内的水温启停，当温度低于50℃时启动循环水泵，加热水箱内的水，当温度高于60℃时关闭循环水泵。该系统管路简单，控制系统也简单，但需要对空压机组本体进行改造，同时该系统的应用也有局限性，它只适用于喷油螺杆式机组，对于无油系统以及离心式空压机组就不适用。

2）方案二.

对于空压机设备的形式为离心式和无油螺杆式以及采用水冷却系统的空压机房，由于循环冷却水的进水温度要求低于35℃；循环水温度偏低，无法加热生活用水。这时可在冷却水出水管上增加一路高温水源热泵机组，提升热源品位，将低于35℃的低品位热能提升到55℃，就可以作为生活用热能。

热泵实质上是一种能源采掘机械，消耗一部分高质能（电能、机械能），通过逆循环，把低质能（低温热能）加以提升。将低温介质中得热能输送到高温介质中。其工作原理如下图示：

假设：高温水温度为60℃，低温水（循环冷却水）温度为30℃；

由上式可知，理想状态下热泵机组的压缩机消耗1kW.h的电能大约可以回收11kW.h的低品位余热。可见热泵的供热方式是经济、高效的。

热泵机组可以扩大余热回收的范围，同时可降低循环冷却水温度；改善了压缩机的冷却效果，有利于空气压缩机的运行。

该方案对空压机组本体不做任何修改，只是在循环冷却水管道上进行开口，增设旁路；不影响机组的正常供气，其系统流程图如图3所示。

该方案对机组改动小，系统稳定，应用范围广；但该系统需增加电能消耗，系统耗电部分有热泵机组和循环水泵。

4实际工程中的余热回收系统设计

北方某汽车整车厂空压站房的配置如下：1）210m³/min的离心式空压机3台（2用1备），轴功率1288kW/台；2）40m³/min的无油螺杆式空压机5台，轴功率250kW/台（4用1备）。8台空压机设备合用一套冷却水系统。另厂区有职工浴室，需制备生活热水。而空压机系统运行时产生大量的热量，可将这部分废热进行热回收，制成员工洗浴热水，一方面可以节约制取热水能源费用，另一方面可以改善空压机的运行工况，延长空压机的使用寿命。

空压机余热回收系统回收的总热量拟用于满足厂区浴室800个洗浴水龙头的热水需求。职工洗浴时间按照三班制，每班洗浴时间为半小时。

由于空压机设备的形式为离心式和无油螺杆式，冷却系统为水冷式，因此采用技术方案二。按回收热量为空压机额定功率的50%计。则空压站房每小时可以回收的热量为：（1288 kW×2+250kW×4）×50%=1788kW。

根据《建筑给水排水设计规范》和《给水排水设计手册》中提供的数据，工业企业淋浴间每个水龙头小时用水量为540L，使用水温为40℃。冷水计算温度为5℃。当供给热水温度为55℃，热水量占混合水量的70%。则每班洗浴热水耗水量为： 540L/h×0.5h×800×70%=151200L。热水耗热量为：540L/h×0.5h×800×70%×（55-5）℃×4.2=31752000kJ。

根据实际洗浴需求，选取的水源热泵机组需要在6小时内将151.2m³的热水加热到55℃，热泵机组供热量为：31752000kJ/（6×3600）=1470kW；小于可可回收的热量（1788kW）。余热回收系统设备选型以生活用热量为选型依据，故选用2台供热量为755kW的高温型水源热泵机组，供水温度为55℃。余热回收系统如下：

系统设备选型如下：

水源热泵余热回收系统启动后，实时检测水箱热水温度，当热水箱热水温度达到设定值（55℃）时，停止源水泵（B）和热水泵（C）运行；当热水箱热水温度低于设定值（48℃）时，开启源水泵和热水泵进行循环加热。

由于热泵蒸发器侧进水温度需低于29℃，故在进水总管上设电动三通阀（V6）根据水源热泵主机蒸发器侧进口温度实时进行开度调节，增减冷却水进水量；保证蒸发器侧进水温度低于设备允许温度。

5余热回收系统经济性分析

两台高温水源热泵可以从冷却水中回收热量：1510Kw；消耗的电能为：170 ×2 +（5.5 + 22） × 2= 395kW；日运行时间为：3班/天 × 6=18小时/天；系统年运行天数为300天。

则全年可回收热量为：1510kW×18h×300 = 8154000 kW.h

回收系统年耗电量为395kW×18h×300 = 2133000kWh，

每年电费为2133000kWh ×0.7元/kWh =149万元（平均电价按照0.7元/kWh估算）。

若采用燃气锅炉来提供同样的热量，则需天然气V = Q /C.△t = 8154000×3600 kJ/（8500kcal/m³×4.18×80%）=103.3万m³/年（80%为燃气锅炉效率）。折算成燃气费用为：103.3万m³×2.7元/m³ = 279万元。

与燃气锅炉相比较，使用空压机余热回收系统后：

（1）每年约可以节约燃料费用： 279-149 = 130万元；

（2）每年可以节约天然气量： 103万m³；

（3）每年可以节约标煤：103万m³ ×12.143tce/万m³ = 1251tce。

6结束语

通过以上分析可见空压站热回收系统在技术、经济上是可行的。既可以回收废热降低空压机组冷却水温度，改善空压机运行工况，又可以产生的洗浴用热水，提高员工的生活质量。同时也节约了企业运行费用，降低企业能源消耗总量。

但该余热回收系统也有不足之处，就是受到热泵机组压缩机及冷媒的温度限制，热泵机组制备的热水温度比较低，这就限制了热水的应用范围，对于某些大型的空压站，企业可能无法消耗掉所回收的余热。

总之，空压机组的废热回收技术的应用，既可节约企业用能，又改善了环境，还提高了空压机组的使用年限，是一举多得的节能技术，值得大力推广。

参考文献

[1]廉乐明等.工程热力学第四版[M].中国建筑工业出版社，1999.

[2]徐明等.压缩空气站设计手册[M].机械工业出版社，1993.

[3]建筑给水排水设计规范.GB50015-2003.

[4]压缩空气站设计规范.GB50029-2003.

（编辑：蒋东旭）