阅读说明：本技术 一种空压机余热多级利用系统及方法 (Multistage utilization system and method for waste heat of air compressor ) 是由 徐伟 倪健勇 马光宇 王声 张天赋 陈鹏 刘芳 高军 王飞 王永 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种空压机余热多级利用系统,包括空压机一级压缩、空压机二级压缩、空压机三级压缩、一级换热器、二级换热器、三级换热器、制氧机、制冷用户、供热用户、热泵机组、冷却塔、补水泵、流量计；本发明通过对空压机三级压缩空气余热回收方案的设计,提出了一种空压机余热多级利用系统及方法,能够对空压机冷却水余热进行直接利用,减少了中间换热设备,避免了系统的过多散热损失,提高了系统的热效率；并通过部分回水驱动热泵方式加热一级换热器出水的方法,对空压机余热进行了多级有效利用,解决了空压机一级压缩后气体温度偏低进行余热回收后无法有效利用的问题,提高了系统的余热利用效率。具有节约能源、降低维护成本等特点。(The invention relates to a multistage utilization system for waste heat of an air compressor, which comprises primary compression of the air compressor, secondary compression of the air compressor, tertiary compression of the air compressor, a primary heat exchanger, a secondary heat exchanger, a tertiary heat exchanger, an oxygen generator, a refrigeration user, a heat supply user, a heat pump unit, a cooling tower, a water replenishing pump and a flow meter, wherein the primary compression of the air compressor is performed by the primary compression of the air compressor; the invention provides the multistage utilization system and the multistage utilization method for the waste heat of the air compressor through the design of the scheme for recovering the waste heat of the three-stage compressed air of the air compressor, so that the waste heat of the cooling water of the air compressor can be directly utilized, intermediate heat exchange equipment is reduced, excessive heat dissipation loss of the system is avoided, and the heat efficiency of the system is improved; and the method for heating the water discharged from the primary heat exchanger in a manner of driving the heat pump by partial backwater effectively utilizes the waste heat of the air compressor in multiple stages, solves the problem that the waste heat cannot be effectively utilized after the gas temperature is low after the primary compression of the air compressor and the waste heat recovery, and improves the waste heat utilization efficiency of the system. The method has the characteristics of saving energy, reducing maintenance cost and the like.)

一种空压机余热多级利用系统及方法

技术领域

本发明涉及钢铁行业的节能技术领域，特别涉及一种空压机余热多级利用系统及方法

背景技术

大型钢铁企业中多设有制氧工序，工序过程中会生产液氧、液氮、液氦等能源介质，当生产需要相应能源介质时需要将液氧、液氮、液氦等进行加热气化，并通过管网将气体能源介质输送给用户。目前，国内大多制氧工序采用水浴式气化器对低温能源介质进行加热，加热热源一般为蒸汽，这种加热方式会消耗大量高品质能源，增加企业生产成本。同时在制氧生产过程中有多台空压机；空压机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占很小的一部分，约15％左右。约85％的耗电转化为热量存在于压缩气体中，并通过风冷或者水冷的方式排放到空气中去。如果将压缩气体的这部分余热加以回收，就近用于制氧工序的生产、生活供热，即可以提高能源利用效率，又可以减低企业成本；同时也有利于减少燃煤量，降低燃煤对环境的污染。

目前，国内针对空压机余热回收及利用开展了多项研究与应用。

专利CN106762557A公开一种基于空压机余热回收的智能供热水设备；该发明通过在换热器与热用户之间增加缓存储热设备实现了智能供热水。该方法虽然实现了供热系统的稳定性，但中间换热、储热设备过多造成系统的热损失较大。专利CN108150422A公开了空压机余热回收利用系统，该系统通过回收空压机余热以热水方式驱动溴化锂吸收式冷水机组制取冷水；但对于驱动溴化锂吸收式冷水机组后的热水(一般在70℃～75℃左右)没有利用，使其能源利用率较低。专利CN107178934A公开一种空压机余热深度回收利用系统，该系统的空压机三级压缩分别经过三级换热，换热后高温水进入余热取热装置经过再次换热转化为高温余热水进入余热深度回收利用系统；该系统没有提及空压机一级压缩后空气温度较低，余热回收后无法有效利用的问题。

综上所述，空压机余热利用系统及方法还存在一些问题。主要体现在，现有空压机余热利用系统、方法中间换热设备过多造成系统的热损失较大；而且没有考虑到实际运行中空压机一级压缩后空气温度较低，余热回收后无法有效利用等问题。因此，探寻更加实用有效的空压机余热利用系统及方法是非常必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空压机余热多级利用系统及方法，通过对空压机冷却水余热的直接多级利用，减少中间换热设备，避免系统的过多热损失；并通过部分回水驱动热泵方式加热一级换热器出水，提高了系统的余热利用效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种空压机余热多级利用系统，包括空压机一级压缩、空压机二级压缩、空压机三级压缩、一级换热器、二级换热器、三级换热器、制氧机、制冷用户、供热用户、热泵机组、冷却塔、补水泵、流量计；

空压机一级压缩出口与一级换热器气侧入口连接，一级换热器气侧出口与空压机二级压缩入口连接，空压机二级压缩出口与二级换热器气侧入口连接，二级换热器气侧出口与空压机三级压缩入口连接，空压机三级压缩出口与三级换热器气侧入口连接，三级换热器气侧出口与制氧机入口连接；一级换热器水侧出口与热泵机组入口连接，同时以并联方式分别与水浴式气化器入口和供热用户入口连接；热泵机组出口与交汇的二级换热器、三级换热器水侧出口连接，以并联方式分别与制冷用户入口和水浴式气化器入口连接；制冷用户的出口与水浴式气化器入口连接；水浴式气化器出口连接供热用户的入口，同时以并联方式与供热用户出口连接；供热用户出口以并联方式分别连接热泵机组驱动热源入口与冷却塔入口；热泵机组驱动热源出口与冷却塔出口及补水泵出***汇连接，然后与流量计入口连接，流量计出口分别与一级换热器、二级换热器、三级换热器的水侧入口连接，流量计的反馈信号传送给补水泵。

所述的制冷用户由溴化锂机组制冷。

上述系统的余热回收方法，包括夏季制冷模式、冬季供暖模式、春秋季非制冷非供暖模式，具体包括：

一.夏季制冷模式

在夏季制冷运行模式下，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达75℃～95℃，进入一级换热器与30℃～35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为35℃～40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达100℃～120℃，在压缩后进入二级换热器、三级换热器换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机；

进入一级换热器的冷却水经过换热后温度为65℃～75℃，通过开关阀进入热泵机组；进入二级换热器和三级换热器的冷却水经换热升温至80℃～90℃；通过开关阀进入制冷用户作为热源驱动溴化锂制冷机组，产生冷量供制冷用户所需；驱动溴化锂机组制冷后，热水温度降至70℃～75℃流出制冷用户，进入水浴式气化器将制氧工序的低温气源进行加热，换热后温度降至45℃～55℃流出，并进入热泵机组作为热泵机组的驱动热源，将一级换热器出来的65℃～75℃水加热至80℃～90℃，并与二级换热器、三级换热器出来的80℃～90℃水混合进入制冷用户用于驱动溴化锂机组，45℃～55℃的低温热水驱动热泵机组之后温度降至30℃～35℃，通过热泵机组驱动热源出口流出重新作为空压机冷却水进行循环使用；

热水驱动溴化锂机组制冷后，进入水浴式气化器将低温气源加热，换热后温度降至45℃～55℃流出，控制一部分回水进入热泵机组作为驱动热源，继续将一级换热器出来的65℃～75℃水加热至80℃～90℃，供给制冷用户使用；这部分回水驱动热泵机组之后温度降至30℃～35℃流出与其余流经冷却塔降温至30℃～35℃的回水汇聚，重新作为空压机冷却水进行循环使用，并通过流量计检测回水量，当回水量低于循环总量2％～5％时，反馈给补水泵进行补水；

二.是冬季供暖模式

在冬季供暖运行模式下，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达75℃～95℃，进入一级换热器与30℃～35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为35℃～40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达100℃～120℃，在压缩后进入二级换热器、三级换热器换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机；

进入一级换热器的冷却水经过换热后温度为65℃～75℃；进入二级换热器和三级换热器的冷却水经换热后升温至80℃～90℃，进入水浴式气化器将制氧工序的低温气源进行加热，换热后温度降至60℃～70℃流出，并与一级换热器换热后温度为65℃～75℃出水混合，混合的供热水进入供热用户，供暖后水温降至40℃～50℃；其中一部分回水进入热泵机组作为驱动热源，将一级换热器出来的65℃～75℃水加热至80℃～90℃，供给水浴式气化器使用，剩余部分低温水进入冷却塔降温至30℃～35℃重新作为空压机冷却水进行循环使用；系统通过流量计检测回水量，当回水量低于循环总量2％～5％时，反馈给补水泵进行补水；

三.是春秋季非制冷非供暖模式

在春秋季非制冷非供暖运行模式下，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达75℃～95℃，进入一级换热器与30℃～35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为35℃～40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达100℃～120℃，在压缩后进入二级换热器、三级换热器换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机；

进入一级换热器冷却水经过换热后，温度为65℃～75℃；进入二级换热器和三级换热器的冷却水经换热升温至80℃～90℃左右，二级换热器、三级换热器的80℃～90℃出水与一级换热器的65℃～75℃出水混合，混合后温度为75℃～85℃的供热水进入水浴式气化器将低温气源加热，换热后温度降至45℃～60℃；然后进入冷却塔降温至30℃～35℃流出重新作为空压机冷却水进行循环使用；流量计检测回水量，当回水量低于总量2％～5％时，反馈给补水泵进行补水。

以上空压机余热多级利用系统及方法中，对余热利用具有缓存调解的主要用户是水浴式气化器，水浴式气化器是制氧工序中用来对低温气源进行加热的设备；由于是将极低温度液态气源进行加热，在加热初期需要大量较高温度热源，外界环境温度越低需要热源温度越高；在制氧工序中水浴式气化器的常用热源是低压蒸汽，本发明中使用空压机余热作为水浴式气化器的主要热源，不足部分使用蒸汽进行补充。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对空压机三级压缩空气余热回收方案的设计，提出了一种空压机余热多级利用系统及方法，能够对空压机冷却水余热进行直接利用，减少了中间换热设备，避免了系统的过多散热损失，提高了系统的热效率；并通过部分回水驱动热泵方式加热一级换热器出水的方法，对空压机余热进行了多级有效利用，解决了空压机一级压缩后气体温度偏低进行余热回收后无法有效利用的问题，提高了系统的余热利用效率。具有节约能源、降低维护成本等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：空压机一级压缩1，空压机二级压缩2，空压机三级压缩3，一级换热器4，二级换热器5，三级换热器6，制氧机7，制冷用户8，供热用户9，热泵机组10，冷却塔11，补水泵12，水浴式气化器13，开关阀(14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26)，开关调节阀27，流量计28。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：

如图1，一种空压机余热多级利用系统，包括空压机一级压缩1、空压机二级压缩2、空压机三级压缩3、一级换热器4、二级换热器5、三级换热器6、制氧机7、制冷用户8、供热用户9、热泵机组10、冷却塔11、补水泵12、流量计28及管道阀门；

空压机一级压缩1出口与一级换热器4气侧入口连接，一级换热器4气侧出口与空压机二级压缩2入口连接，空压机二级压缩2出口与二级换热器5气侧入口连接，二级换热器5气侧出口与空压机三级压缩3入口连接，空压机三级压缩3出口与三级换热器6气侧入口连接，三级换热器6气侧出口与制氧机7入口连接；一级换热器4水侧出口与热泵机组10入口连接，同时以并联方式分别与水浴式气化器13入口和供热用户9入口连接；热泵机组10出口与交汇的二级换热器5、三级换热器6水侧出口连接，以并联方式分别与制冷用户8入口和水浴式气化器13入口连接；制冷用户8的出口与水浴式气化器13入口连接；水浴式气化器13出口连接供热用户9的入口，同时以并联方式与供热用户9出口连接；供热用户9出口以并联方式分别连接热泵机组10驱动热源入口与冷却塔11入口；热泵机组10驱动热源出口与冷却塔11出口及补水泵12出***汇连接，然后与流量计28入口连接，流量计28出口分别与一级换热器4、二级换热器5、三级换热器6的水侧入口连接，流量计28的反馈信号传送给补水泵。制冷用户8由溴化锂机组制冷。

实施例1

空压机余热多级利用系统的余热回收方法，具体为：

夏季制冷模式：

在夏季制冷运行模式下，开关阀14、15、18、22、23、24、25、26处于开启状态，开关阀16、17、19、20、21处于关闭状态。开关调节阀27处于开启状态。

15万Nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达95℃，进入一级换热器4与35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达120℃，在压缩后进入二级换热器5、三级换热器6换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机7。

进入一级换热器4约58t/h冷却水经过换热后温度为75℃，通过开关阀22进入热泵机组10；进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别约为62t/h左右，经换热升温至90℃；约124t/h温度为90℃的热水通过开关阀14进入制冷用户8作为热源驱动溴化锂制冷机组，产生冷量供用户所需。驱动溴化锂机组制冷后，热水温度降至75℃从开关阀15流出制冷用户，进入水浴式气化器13将制氧工序的低温气源进行加热，换热后温度降至50℃经过开关阀18流出；其中44t/h温度为50℃低温热水通过开关调节阀27进入热泵机组10作为驱动热源，将一级换热器4出来的58t/h左右75℃水加热至90℃，通过开关阀23与二级换热器5、三级换热器6出来的90℃水混合进入制冷用户8用于驱动溴化锂机组。44t/h的低温热水驱动热泵机组10之后温度降至35℃，通过开关阀24流出重新作为空压机冷却水进行循环使用。剩余80t/h温度为50℃低温热水通过开关调节阀25进入冷却塔11降温至35℃，从开关阀26流出重新作为空压机冷却水进行循环使用。

经过一个循环后，供给制冷用户8的90℃热水量达到182t/h，提高了近47％的供热量；热水驱动溴化锂机组制冷后，通过开关阀15流出，进入水浴式气化器13将低温气源加热，换热后温度降至50℃经过开关阀18流出，通过开关调节阀27控制44t/h的回水进入热泵机组10作为驱动热源，继续将一级换热器4出来的75℃水加热至90℃，供给制冷用户8使用；44t/h的回水驱动热泵机组10之后温度降至35℃，通过开关阀24流出；其余约138t/h左右回水通过开关阀25流经冷却塔降温至35℃，通过开关阀26流出与开关阀24流出的回水重新作为空压机冷却水进行循环使用，并通过流量计27检测回水量，当回水量低于总量3％时，反馈给补水泵12进行补水。

实施例2：

空压机余热多级利用系统的余热回收方法，具体为：

冬季供暖模式：

在冬季供暖运行模式下，开关阀16、20、21、23、24、25、26处于开启状态，开关阀14、15、17、18处于关闭状态，开关阀19、22属于可调整状态，开关调节阀27处于开启状态。

15万Nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达80℃，进入一级换热器4与35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达105℃，在压缩后进入二级换热器5、三级换热器6换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机7。进入一级换热器4约57t/h冷却水经过换热后，温度为65℃通过开关阀19流出，开关阀22关闭；进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别为55t/h左右，经换热升温至80℃左右；约124t/h温度为80℃的热水通过开关阀16进入水浴式气化器13将低温气源加热，换热后温度降至65℃流出，并于开关阀19流出的57t/h温度为65℃的换热水混合，混合后约181t/h温度为65℃的供热水通过开关阀20进入供热用户9，供暖后水温降至45℃通过开关阀21流出供热用户9；然后关闭开关阀19，打开开关阀22；其中65t/h温度为45℃低温热水通过开关调节阀27进入热泵机组10作为驱动热源，将通过开关阀22进入热泵机组10的一级换热器4出来的57t/h的65℃水加热至80℃，加热后的80℃水通过开关阀23与二级换热器5、三级换热器6出来的80℃水混合通过开关阀16进入水浴式气化器13将低温气源加热；剩余116t/h温度为45℃低温热水通过开关调节阀25进入冷却塔11降温至35℃，从开关阀26流出重新作为空压机冷却水进行循环使用。

经过一个循环后，供给水浴式气化器13的80℃热水量达到181t/h，提高了近46％的供热量；进入水浴式气化器13将低温气源加热后温度降至65℃流出，通过开关阀20进入供热用户9，供暖后水温降至45℃通过开关阀21流出供热用户9；其中65t/h的45℃低温热水通过开关调节阀27控制进入热泵机组10作为驱动热源，继续将一级换热器4出来的65℃水加热至80℃，供给水浴式气化器13使用；其余约116t/h左右回水通过开关阀25流经冷却塔降温至35℃，通过开关阀26流出与开关阀24流出的回水重新作为空压机冷却水进行循环使用，并通过流量计27检测回水量，当回水量低于总量3％时，反馈给补水泵12进行补水。

实施例3：

空压机余热多级利用系统的余热回收方法，具体为：

春秋季非制冷非供暖模式：

在春秋季非制冷非供暖运行模式下，开关阀16、17、18、25、26处于开启状态，开关阀14、15、19、20、21、22、23、24和开关调节阀27处于关闭状态。

15万Nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达85℃，进入一级换热器4与35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达115℃，在压缩后进入二级换热器5、三级换热器6换热，最后经过三级压缩及冷却的40℃空气进入制氧机7。

进入一级换热器4约55t/h冷却水经过换热后，温度为70℃左右通过开关阀17流出；进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别为71t/h左右，经换热升温至80℃左右；约142t/h温度为80℃的热水通过开关阀16与开关阀17流出的55t/h温度70℃换热水混合，混合后温度约为77℃的197t/h混合水进入水浴式气化器13将低温气源加热，换热后温度降至50℃通过开关阀18流出，然后通过开关阀25进入冷却塔降温至35℃，从开关阀26流出重新作为空压机冷却水进行循环使用；流量计27检测回水量，当回水量低于总量2％时，反馈给补水泵12进行补水。

以上系统及方法，对空压机冷却水余热进行直接利用，减少了中间换热设备，避免了系统的过多散热损失，提高了系统的热效率；并通过部分回水驱动热泵方式加热一级换热器出水的方法，解决了空压机一级压缩后气体温度偏低进行余热回收后无法有效利用的问题，提高了系统的余热利用效率。

上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。