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        海水育苗采用海水源熱泵加熱海水的可行性分析

        2017-03-03 06:05:57姜衍禮董信林崔從明
        水產(chǎn)養(yǎng)殖 2017年2期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        姜衍禮,董信林,崔從明

        (威海中天羲和新能源技術(shù)有限公司,山東 威海 264200)

        海水育苗采用海水源熱泵加熱海水的可行性分析

        姜衍禮,董信林,崔從明

        (威海中天羲和新能源技術(shù)有限公司,山東 威海 264200)

        隨著國家對海水養(yǎng)殖業(yè)的重視,近幾年海水育苗得到大力發(fā)展,尤其是海參、對蝦、鮑魚、扇貝、大菱鲆、河豚等珍貴的水產(chǎn)品種的育苗越來越多,不同品種的育苗對水溫要求不同,海參育苗要求水溫在16~23℃,海水魚(如大菱鲆)育苗要求水溫在12~20℃,蝦類、貝類育苗要求水溫在22~25℃。每年11月份至翌年5月是海水育苗集中季節(jié),山東育苗地區(qū)主要集中在山東半島,而此時山東半島的近海水溫為2~10℃,溫度較低,需要給海水升溫;夏季8、9月份,海水溫度可達25℃,需要給海水降溫。目前海水育苗均采用邊補邊排的活水養(yǎng)殖方式,有大量廢水排放,因此海水育苗不但耗能大,而且能源浪費嚴重。

        目前海水育苗加熱海水的方式,主要采用燃煤鍋爐,采用燃煤鍋爐造價和運行費用雖然較低,但會引起大氣污染。煤炭價格也隨開采量的減少而逐漸增加,燃煤鍋爐已不符合國家節(jié)能減排的基本國策。威海地區(qū)目前擁有近百家育苗企業(yè),育苗水體60萬m3,到2015年水產(chǎn)育苗能力超過300萬m3,這些育苗企業(yè)海水育苗加熱海水的方式均采用燃煤鍋爐,按加熱每立方水體每年需要消耗煤炭400 kg,目前威海地區(qū)每年需消耗煤炭20多萬t,排放CO2高達50萬t、SO21 600 t、NOX1 400 t,形勢嚴峻,現(xiàn)在急需一種節(jié)能環(huán)保的海水加熱的方式來替代燃煤鍋爐。目前,水源熱泵技術(shù)以其低投入、高產(chǎn)出的優(yōu)越性在建筑采暖制冷中已經(jīng)得到大力應(yīng)用,本文將對將其應(yīng)用到海水育苗中的可行性進行分析,供所在地區(qū)育苗條件與威海地區(qū)相類似的相關(guān)從業(yè)者以參考。

        1 海水育苗海水源熱泵技術(shù)簡介

        海水源熱泵采用耐海水腐蝕換熱器,海水可以直接進入到海水源熱泵蒸發(fā)器,吸收海水中的低溫?zé)崮埽ㄟ^壓縮機做功,在熱泵冷凝器放熱到需要加熱的海水中,實現(xiàn)加熱的目的。夏天可轉(zhuǎn)換熱泵冷凝器和蒸發(fā)器的管路,同樣實現(xiàn)制冷的目的。

        2 海水源熱泵在不同工況下的性能

        制熱海水溫度和吸收海水溫度對海水源熱泵的制熱系數(shù)(COP)影響很大,制熱海水溫度越低,吸收海水溫度越高,海水源熱泵的制熱系數(shù)越大。如LSBLR-1090S海水源熱泵機組,在采暖空調(diào)工況下,熱源海水溫度6/1℃,制熱水溫度40/45℃,制熱性能系數(shù)COP是3.80;熱源海水溫度10/5℃,制熱水溫度40/45℃,制熱性能系數(shù)COP是4.09。

        在海水育苗工況下,熱源海水溫度6/1℃,制熱水溫度13/18℃,制熱性能系數(shù)COP是6.91;在熱源海水溫度6/1℃,制熱水溫度22/27℃,制熱性能系數(shù)COP是6.21;在熱源海水溫度10/5℃,制熱水溫度13/18℃,制熱性能系數(shù)COP是7.54;在熱源海水溫度10/5℃,制熱水溫度22/27℃,制熱性能系數(shù)COP是6.78。

        由圖1可見,在海水育苗工況下,熱泵機組的制熱性能系數(shù)COP大于6.0,而在采暖空調(diào)工況下,熱泵機組的制熱性能系數(shù)COP為4.0左右。所以熱水機組在海水育苗工況下優(yōu)勢大于采暖空調(diào)工況,更加節(jié)能,更具有優(yōu)勢。

        我們采用梯級加熱方式,通過鈦板換熱器先回收廢水中的一部分熱量,在經(jīng)過海水源熱泵進一步加熱,系統(tǒng)制熱性能系數(shù)可進一步提高。這種方式可充分回收廢水中的余熱,降低海水源熱泵的功率和機組的造價。

        圖1 海水源熱泵在不同海水溫度下的制熱性能系數(shù)

        3 節(jié)能環(huán)保效益分析

        以3 000 m3水體海參育苗為例就其技術(shù)經(jīng)濟性進行分析。

        3.1 海參育苗海水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

        海參育苗池3 000 m3,水溫要求18℃,每天換水1/3,3 d清洗池1次,平均每天需1 500 m3新鮮海水補充,按海水最低溫度2℃計算,排水溫度17℃,育苗加熱時間210 d。

        系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示,2℃新鮮海水先通過鈦合金換熱器和排出的17℃廢海水換熱,然后6℃廢海水進入海水源熱泵蒸發(fā)器,預(yù)熱后的13℃新海水進入海水源熱泵冷凝器加熱到需要的溫度18℃。

        圖2 海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)運行原理圖

        3.2 海參育苗池?zé)崴臒崃看_定

        海參育苗池每天熱水耗熱量Q用下公式計算:

        式中:Cp為水的定壓熱容,4.19 kJ/(kg·℃);△T為水的溫升(即熱水溫度18℃與基礎(chǔ)水溫2℃之差);M為海水的質(zhì)量,1 500 m3×1.03×103kg/m3。

        代入數(shù)據(jù)計算得Q=1.04×108kJ。

        3.3 海水源熱泵熱負荷確定

        設(shè)計小時耗熱量Q1用下式計算:

        式中:CP為水的定壓熱容,4.19 kJ/(kg·℃);△T為水的溫升(即熱水溫度18℃與基礎(chǔ)水溫13℃之差);M為海水的質(zhì)量,1500 m3×1.03×103kg/m3。

        代入數(shù)據(jù)計算得Q1=8991.04 kW。

        采用12小時工作,海水源熱泵熱負荷為:8991.04 kW/12=749.25 kW。

        3.4 海水源熱泵節(jié)能效益

        海水源熱泵在熱源海水溫度6/1℃,制熱水溫度13/18℃,制熱性能系數(shù)COP是6.91,海水源熱泵耗電量為749.25 kW/6.91=108.43 kW,輸送能耗占系統(tǒng)能耗的比例為20%,系統(tǒng)制熱總耗電量130.12 kW,系統(tǒng)總制熱量為:

        3.4 .1海水源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP

        海水源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP用下式計算:

        式中:Qr為海水源熱泵系統(tǒng)總制熱量,2407.41 kW;Wr為海水源熱泵系統(tǒng)制熱總耗電量,130.12 kW。

        代入數(shù)據(jù)計算得COP=18.50。

        3.4 .2海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)耗電量計算

        海水源熱泵系統(tǒng)平均熱負荷Qrp用下式計算:

        式中:Qr為海水源熱泵系統(tǒng)總制熱量,2407.41 kW;Tr為制取海水溫度,18℃;Tp為海水平均溫度,6.37℃;Tj為海水計算溫度,2℃,代入數(shù)據(jù)計算得:

        海水育苗系統(tǒng)耗熱量Qhr用下式計算:

        式中:N加熱天數(shù),按210計算。

        代入數(shù)據(jù)計算得Qhr=1.59×1010kJ。

        該海水源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP為18.50,則系統(tǒng)制熱理論耗電量為23.89萬kWh。

        根據(jù)國家標準GB/T2589-81,標準煤發(fā)熱量為29 271 kJ/kg,每kWh電能消耗標準煤為0.347 kg,折算出海水源熱泵系統(tǒng)制熱年耗煤量為82.91 t。

        3.5 海水育苗采用燃煤鍋爐熱水系統(tǒng)

        若海水加熱完全由燃煤鍋爐提供,燃煤鍋爐熱效率按60%計算,則每年耗煤量為:

        采用海水海水源熱泵機組比燃煤鍋爐熱水系統(tǒng)每年節(jié)省煤炭量:905.36 t-82.91 t=822.45 t。

        3.6 經(jīng)濟效益

        3 000 m3水體海參育苗海水源熱泵系統(tǒng)的總投資為150萬元,單位體積投資為500元/m3,使用燃煤鍋爐制熱總投資為36萬元,單位體積投資為120元/m3,采用海水源熱泵比燃煤鍋爐需增加投資114萬元。見表1。

        表1 項目的節(jié)能效益

        采用海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)每年耗電量為23.89萬kWh,按電價0.75元/kWh,則海水源熱泵系統(tǒng)每年運行費用17.92萬元;采用燃煤鍋爐每年耗煤量為905.36 t,標準煤價格按1 000元/t計算,每年運行費用為90.54萬元;采用海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)比燃煤鍋爐系統(tǒng)每年節(jié)省費用為72.62萬元。靜態(tài)投資回收期約為1.57年。

        3.7 環(huán)保效益

        按統(tǒng)計數(shù)據(jù),燃燒每噸標準煤的燃燒會向大氣排放CO22.62 t,SO28.5 kg,NOX7.4 kg。項目采用海水源熱泵機組每年可節(jié)省煤炭822.45 t,減排CO2高達2 155 t,SO2減排7 t,NOX減排6 t。

        4 小結(jié)

        采用海水源熱泵技術(shù)用于海水育苗海水加熱具有重要的節(jié)能與環(huán)保及經(jīng)濟價值,在技術(shù)上是可行的,在工程實施上也完全具有可行性。

        海水育苗采用海水源熱泵比燃煤鍋爐具有明顯的優(yōu)勢,能充分回收利用海水育苗的排水中的能量、占地少、無污染、運行費用低,并能促進集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展、減少地下水開采、保護地下水資源和防止海水回灌,是替代燃煤鍋爐的較好方案,其經(jīng)濟效益和社會效益顯著,符合目前我國能源、環(huán)保的基本政策和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展要求。

        10.3969/j.issn.1004-2091.2017.02.007

        2016-08-15)

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