舒建國，毛國良

（冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東煙臺 264002）

0 引言

隨著國家對節(jié)能環(huán)保方面的日益重視，如何高效地使用能源、回收各種余熱、減小對環(huán)境的污染成為人們關(guān)注的焦點。制冷行業(yè)是國民經(jīng)濟耗能大戶，在制冷過程中有大量的冷凝熱釋放，而幾乎所有的食品工藝制冷場所又需要大量熱水或蒸汽，如禽類屠宰行業(yè)中的清洗、漂燙、器具消毒、地面沖洗、冬季采暖、洗手和淋浴、鍋爐補水預(yù)熱等[1]。

一側(cè)是制冷系統(tǒng)的冷凝廢熱排放，另一側(cè)又是鍋爐耗能供給熱水或者蒸汽，從能源利用角度分析，制冷和供熱之間能量關(guān)系并沒有被合理、有效的運用，存在著巨大浪費。通過熱泵可將工藝生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的工業(yè)廢熱提高溫度后用來供熱或回用于工藝，節(jié)能空間非常大。常規(guī)的熱泵技術(shù)能通過使用工業(yè)廢熱，得到50 ℃至85 ℃的熱能。高溫?zé)岜玫墓釡囟葎t更高，并且仍能保持較高的運行效率和較穩(wěn)定的運行狀態(tài)。由于高溫?zé)岜幂^寬的溫度提升范圍，使其在節(jié)能減排的大環(huán)境下，在工業(yè)余熱回收方面有更多的應(yīng)用[2]。相對于常規(guī)熱泵，高溫?zé)岜霉┧臏囟雀?，國?nèi)外對于高溫?zé)岜玫难芯恳恢痹谏钊搿?/p>

西安交通大學(xué)壓縮機研究所一直以來做了很多工作，利用實驗的方法確定了余熱回收用高溫?zé)岜玫墓r范圍，研究排氣溫度隨噴油溫度的變化關(guān)系并擬合了兩者的關(guān)系曲線，通過曲線可以定量地計算壓縮機的排氣溫度，并對其高溫工況下的數(shù)值進行有效控制，進而使出水溫度更高也更穩(wěn)定，在85 ℃左右[3]。與我公司合作研發(fā)了高溫?zé)岜糜脡嚎s機，并開發(fā)了回收油田余熱的高溫?zé)岜脵C組，可實現(xiàn) 700 kW的制熱量，創(chuàng)新性地采用兩級冷凝器，兩者串聯(lián)從而實現(xiàn)更高的供水溫度[4]。

天津大學(xué)對高溫?zé)岜玫难芯恳沧隽撕芏嘤幸饬x的嘗試，主要研究有高溫?zé)岜弥袎嚎s機的變頻特性[5]、工質(zhì)泄漏對高溫?zé)岜醚h(huán)的影響[6]及高溫?zé)岜秘摵傻闹悄芸刂芠7]等。

針對熱泵循環(huán)中關(guān)鍵部件，國內(nèi)各高校也進行了相應(yīng)研究。中科院的工程熱物理研究所對用于制冷系統(tǒng)的毛細管的蒸發(fā)傳熱曾進行了研究[8]；上海交通大學(xué)也曾對通用的毛細管的積分模型做了較多理論研究[9]。清華大學(xué)對蒸發(fā)器的沸騰換熱做過研究[10]。

挪威能源研究所開發(fā)了一種高溫?zé)岜?，該系統(tǒng)以 R717/H2O作為工質(zhì)采用壓縮吸收式方式，利用50 ℃的工業(yè)廢熱可得到 100 ℃左右的高溫?zé)崴?，COP在3.4以上[11]。德國GEA公司開發(fā)的大型工業(yè)用高溫?zé)岜靡园睘楣べ|(zhì)，使用專用高壓螺桿壓縮機，出水溫度可達90 ℃以上，單臺制熱量400 kW以上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠[12]。

目前國內(nèi)大多數(shù)屠宰場均采用蒸汽鍋爐自給供熱，少數(shù)有條件的企業(yè)直接購買蒸汽入廠。全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)通過直接回收制冷系統(tǒng)冷凝廢熱，在減少或杜絕制冷系統(tǒng)廢熱排放同時產(chǎn)生高溫?zé)崴糜谏a(chǎn)生活工藝[13]。

1 項目介紹

某殺雞廠的制冷系統(tǒng)工質(zhì)為氨；廠區(qū)內(nèi)主要的用熱工藝包括漂燙、清洗托盤、消毒和采暖（冬季）；原采用兩臺兩噸蒸汽鍋爐提供熱源；采用全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)用于提供熱水后，蒸汽鍋爐只開一臺鍋爐即可用于各工藝的維持負荷。

1.1 系統(tǒng)原理

全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)工作原理為：熱泵系統(tǒng)的壓縮機吸收原有制冷系統(tǒng)排至中間冷卻器經(jīng)洗滌冷卻為飽和狀態(tài)的蒸氣，經(jīng)壓縮后成高溫高壓的過熱氣體進入冷凝器，其熱量被水帶走形成熱水，被冷凝的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后進入中間冷卻器，最后進入低壓制冷系統(tǒng)[14]。其系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示。

圖1 全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)原理圖

1.2 用熱參數(shù)統(tǒng)計

宰雞漂燙池總?cè)莘e約為 15 m3，兩班生產(chǎn)，一天換2次水，共計30 m3。車間工藝耗水流量4 m3/h，單班生產(chǎn)工作時間為10 h，總補水量為80 m3。

用戶冬季采暖面積6,000 m2，采用暖氣片，為降低施工成本，按照現(xiàn)有采暖參數(shù)提供熱水。根據(jù)換熱站歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，最大采暖負荷約600 kW。

1.3 熱源匹配校核

收集分析該廠全年生產(chǎn)過程中制冷系統(tǒng)運行參數(shù)及各工藝用熱參數(shù)，通過將生產(chǎn)生活需熱水總負荷、冬季采暖熱水負荷、工藝熱水負荷與制冷系統(tǒng)冷凝熱分別進行逐時匹配，其數(shù)據(jù)逐時關(guān)系如圖2～圖4所示。

表1 用戶各用熱環(huán)節(jié)溫度

圖2 冬季熱水總量逐時負荷圖

圖3 采暖熱水逐時負荷圖

圖4 工藝熱水逐時負荷圖

分析圖2～圖4，可得結(jié)論如下：

1）制冷系統(tǒng)冷凝廢熱在冬季時無法逐時滿足采暖及生產(chǎn)工藝用熱總量；

2）制冷系統(tǒng)冷凝廢熱在滿足冬季采暖熱水負荷最大負荷時，仍有大量剩余；

3）工藝熱水用量逐時波動較大，無法與制冷系統(tǒng)冷凝廢熱逐時匹配。

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)備選型

基于上述分析結(jié)論，選用1套全熱回收熱泵機組，型號LS16SHRB，并配置蓄熱水箱解決逐時負荷匹配問題。

考慮采暖負荷 600 kW只是最大負荷，實際采暖逐時負荷將小于此值；同時冬季采暖只用熱不消耗水量，隨著采暖負荷變化將造成回水溫度的較大波動，存在影響熱泵機組穩(wěn)定運行可能性。

基于上述原因，設(shè)計了1臺總?cè)?20 m3蓄熱水箱；冬季采暖時切換為冷熱兩個水箱分離運行，蓄熱的同時維持出水溫度的穩(wěn)定；非采暖季時切換為1個水箱，以充分利用水箱容積；滿足車間生產(chǎn)工藝用熱及冬季采暖用熱的同時使用需求。

為便于計算，本文中將制冷系統(tǒng)一年四季運行工況分為冬季工況和夏季工況討論。冬季工況按照制冷系統(tǒng)平均冷凝溫度 25 ℃考慮；夏季工況按照平均冷凝溫度 35 ℃考慮。LS16SHRB機組運行工況如表2所示。

表2 LS16SHRB機組運行工況

2.2 運行策略

采暖季時，LS16SHRB熱泵機組不間斷用于采暖，可在滿足廠區(qū)采暖要求的同時，將富裕熱量儲存在蓄熱水箱中，補充生產(chǎn)工藝用熱水負荷。

非采暖季時，LS16SHRB熱泵機組用于制取熱水，按照夏季工況制熱水量，約8 h即可制取60 t熱水，使熱泵機組保證在谷電時段運行，減少運行費用。

3 節(jié)能效益

氨全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)以消耗小部分電能為代價，利用回收制冷系統(tǒng)冷凝廢熱制取高溫?zé)崴C合效率極高。用于替代生產(chǎn)工藝一次性熱水及采暖用負荷；在響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保政策的同時，還可獲得不菲的經(jīng)濟效益。

3.1 綜合能效計算

由于使用氨全熱回收熱泵系統(tǒng)后，在維持制冷系統(tǒng)相同冷凝壓力下，可減少制冷系統(tǒng)蒸發(fā)冷的水泵及風(fēng)機開啟數(shù)量。因此在熱泵系統(tǒng)綜合能效計算中需計入蒸發(fā)冷節(jié)省能耗[15]。LS16SHRB機組的運行能耗和綜合能效分別如表3和表4所示。

通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，即使冬季環(huán)境制冷系統(tǒng)本身排壓較低工況下，氨全熱回收熱泵系統(tǒng)運行能耗與綜合能效仍保持在較高水平。

表3 LS16SHRB機組運行能耗

表4 LS16SHRB機組綜合能效

3.2 能源價格統(tǒng)計

該廠能源價格為外購蒸汽205元/t，天然氣價格為3.6元/Nm3。執(zhí)行峰谷電價，不同時段電價如表5所示。

表5 不同時段電價

3.3 運行費用計算

氨全熱回收熱泵系統(tǒng)在該廠至今已運行1年有余，經(jīng)歷了整個采暖季，運行狀態(tài)良好。

由于系統(tǒng)提供水溫穩(wěn)定，節(jié)能效果超出用戶預(yù)期，加之能源價格上漲及環(huán)保壓力增大等因素，今年下半年用戶將員工洗浴及鍋爐補水等工藝也接入熱泵系統(tǒng)中。上述工藝接入后，由于蓄熱水箱容積對瞬時用水量的緩沖作用，熱泵機組將全年保持全天候運行。

系統(tǒng)的運行費用，按照全年工作日300天，冬季工況及夏季工況各半，全天連續(xù)運行計算而得，如表6所示。

3.4 節(jié)省費用計算

針對氨全熱回收熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性的橫向?qū)Ρ?，?噸蒸汽熱值700 kW?h為標(biāo)準(zhǔn)，分別對外購蒸汽、電鍋爐蒸汽、燃氣鍋爐全年平均燃料成本進行了對比，如表7所示。結(jié)果表明采用氨全熱回收熱泵系統(tǒng)替代蒸汽鍋爐，在經(jīng)濟成本上的優(yōu)勢極為明顯。

表6 系統(tǒng)運行費用

表7 燃料成本對比

以LS16SHRB型號氨全熱回收系統(tǒng)為例：其全年運行總制熱量換算至蒸汽產(chǎn)量約為：

(657 kW +880 kW)×3,600 h/700 kW?h≈7,904.5 T (1)

相比其他能源成本，其全年節(jié)省費用見表8。

由表8可見，氨全熱回收系統(tǒng)不但在節(jié)能環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢，在經(jīng)濟效益方面也有著明顯的經(jīng)濟效益。

表8 全年節(jié)省費用

4 結(jié)論

本文以氨高溫?zé)岜眉夹g(shù)應(yīng)用于禽類屠宰行業(yè)中制冷系統(tǒng)冷凝廢熱回收案例為背景，介紹了氨全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)在生產(chǎn)工藝熱水及廠區(qū)采暖方面替代蒸汽鍋爐的實際運行情況。與實際數(shù)據(jù)對比表明，氨全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)在實際應(yīng)用中運行費用明顯低于傳統(tǒng)的熱源方式，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益明顯，值得大力推廣。

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