某電子廠余熱回收與熱泵節(jié)能改造方案

余榮學(xué)

(約克(中國)商貿(mào)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630 )

引言

節(jié)約能源是我國的基本國策。根據(jù)2010年7月1日起實(shí)施的《廣東省節(jié)約能源條例》第四十條第一款規(guī)定，鼓勵推廣余熱、余氣、沼氣、余壓、垃圾、生物質(zhì)能、煤矸石、油母頁巖等資源綜合利用發(fā)電技術(shù)。對于有熱需求的工廠，其熱回收和熱泵應(yīng)用日趨廣泛，相對于鍋爐、電加熱等傳統(tǒng)方式，熱泵或熱回收能夠極大地節(jié)約能源。目前使用空調(diào)原理來制取生活熱水主要包括如下幾種方式：1)空氣源熱泵直接制取生活熱水[1]。2)水源熱泵在制冷的同時制取生活熱水[2]。3)空調(diào)冷水機(jī)組的顯熱熱回收[3]。4)空調(diào)冷水機(jī)組的全熱熱回收或部分熱回收[4]。5)空調(diào)冷卻水熱回收[5]。

1 項(xiàng)目概述

此電子廠房旁邊宿舍樓D1～D4的生活熱水目前主要由柴油熱水鍋爐提供。根據(jù)現(xiàn)場勘查，除了D2熱水箱安裝在1樓外，其他3棟宿舍樓的熱水箱都安裝在屋面，根據(jù)客戶提供的資料，宿舍樓D1～D4棟2010年12月至2011年11月熱水鍋爐運(yùn)行成本約為919215元，其運(yùn)行費(fèi)用蠻可觀，業(yè)主提出能否給鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

基于以上的需求，考察工廠，發(fā)D1～D4四棟廠房每棟都設(shè)有中央空調(diào)冷凍站。每個系統(tǒng)最高負(fù)載為2臺冷水機(jī)組滿載，最低負(fù)載為單臺冷水機(jī)組運(yùn)行在65%左右。各冷凍站均配置型號為YSCACAS25CEC冷水機(jī)組3臺，D1和D4棟的制冷量664kW(198RT)，輸入功率135kW，蒸發(fā)器額定流量33.3l/s，冷凝器額定流量39.4l/s，滿負(fù)荷工況下的額定排熱量823kW；D2和D3棟的制冷量 kW(225RT)，輸入功率152kW，蒸發(fā)器額定流量37.8l/s，冷凝器額定流量44.7l/s，滿負(fù)荷工況下的額定排熱量935kW。

目前的螺桿機(jī)組雖然運(yùn)行穩(wěn)定，但其運(yùn)行年限有10年之多，設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用逐年增加，機(jī)組的能效也與目前的高效機(jī)組存在一定的差距，因此，建議更換成一臺高效穩(wěn)定的熱泵機(jī)組，既能滿足宿舍的熱水需求，同時又可保證工廠的冷量需求，可大大節(jié)省鍋爐的運(yùn)行費(fèi)用。

另外，D3棟屋面有一臺型號為AG1490A-75的日本神鋼空壓機(jī)，電機(jī)輸入功率75kW，準(zhǔn)備在D3和D4棟再各安裝一臺同型號空壓機(jī)，共3臺。

從運(yùn)行的空壓機(jī)面板知，空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)為：負(fù)荷率100%，排氣溫度81.4℃，油霧分離器后溫度77.2，周圍環(huán)境溫度26.1℃，電機(jī)運(yùn)行電流163A。由此可看出，高溫的壓縮空氣與潤滑油經(jīng)油冷卻器和后冷卻器換熱后，把熱量排放到室外，若能把這部分熱量進(jìn)行回收，以用在生活熱水上，將減少熱泵機(jī)組的能耗。

基于以上初步分析，對鍋爐系統(tǒng)的改造，提出改造措施：(1)加設(shè)空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)；(2)1臺YS冷水機(jī)組更換為YEWS210-HP熱泵機(jī)組。

2 節(jié)能改造措施

1.1 采用熱泵熱回收技術(shù)

此項(xiàng)目選擇在D3棟屋面，把其中一臺YSDACAS25CEC的螺桿機(jī)，更換成YEWS210-HP熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組性能參數(shù)如表1：

表1 YEWS210-HP熱泵機(jī)組參數(shù)

制冷工況制冷量輸入功率蒸發(fā)器側(cè)冷凝器側(cè)TonkWkW進(jìn)水溫度(℃)出水溫度(℃)水流量(l/s)進(jìn)水溫度(℃)出水溫度(℃)水流量(l/s)18966413412.07.031.832.037.038.2制熱工況制熱量輸入功率蒸發(fā)器側(cè)冷凝器側(cè)TonkWkW進(jìn)水溫度(℃)出水溫度(℃)水流量(l/s)進(jìn)水溫度(℃)出水溫度(℃)水流量(l/s)19869620310.07.038.250.055.031.8

1.2 空壓機(jī)熱回收

空壓機(jī)的電機(jī)輸入功率一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣的勢能外，其他都轉(zhuǎn)為熱量散發(fā)出去，噴油螺桿壓縮機(jī)的輸入功率大約有94%(大部分軸功率)作為熱量通過冷卻器帶走，散耗在環(huán)境中。冷卻器又分空氣冷卻器和油冷卻器。根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)資料，油冷卻器帶走大約總散熱量45%～55%的熱量。

以此項(xiàng)目一臺75kW熱泵機(jī)組為例，其冷卻油路可供回收的熱量大約有75×50%=37.5kW。則3臺空壓機(jī)的熱回收量為37.5×3=112.5kW。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

據(jù)了解，D1棟的冷水機(jī)組開機(jī)時間較少，D2～D4棟冷水機(jī)組的運(yùn)行情況大致如表3所示：

表3 B2～B4棟冷水機(jī)組的運(yùn)行情況

月份開機(jī)數(shù)量(臺)平均負(fù)荷(%)運(yùn)行時間(月)12^2150%33^5180%26^9275%410^11180%2

而在12月～2月份，主機(jī)只開1臺，負(fù)荷率在50%左右，B3棟的主機(jī)的額定制冷量為225RT，負(fù)荷率50%時的制冷量為112.5RT。因此我司選擇更換一臺熱泵機(jī)組YEWS210-HP，在制熱工況下，其制冷量為493kW，足夠使用。

工廠宿舍共4棟，以6500人計算。由于人員數(shù)量多，每天需要大量的55℃生活熱水，而宿舍區(qū)每棟共7層，每層設(shè)置4個定點(diǎn)桶接水，按照《給排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]，以宿舍類型IV，淋浴每人取45L計算，每天宿舍需要292.5m3的熱水供給，此工廠為兩班制，每班使用3個小時，則平均每小時熱水使用量為48.75m3。

綜上所述，其余熱利用的原理圖如圖1。

虛線內(nèi)為客戶可選的改造內(nèi)容，因?yàn)榭紤]到目前現(xiàn)在B3、B4棟各自獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，正施工連通成一個大系統(tǒng)，而最熱天B3、B4棟每棟最多運(yùn)行2臺主機(jī)，在75%的負(fù)荷下運(yùn)行，因此在B3棟更換一臺YS螺桿機(jī)組為YEWS210-HP后，還有5臺YS螺桿機(jī)足夠使用，1臺作為備用，4臺作為夏天最熱天使用，所以本方案不考慮增加虛線內(nèi)容的改造，作為客戶可選備項(xiàng)。

其控制原理如下：

(1)當(dāng)熱泵機(jī)組在制熱模式時，閥門V1關(guān)閉，閥門V2、V3打開，通過回收熱泵機(jī)組與空壓機(jī)的熱量，把冷水加熱到55℃，循環(huán)水箱蓄滿時，開啟熱水供水泵，把55℃的熱水，輸送到4棟宿舍樓的蓄水箱里；

(2)當(dāng)熱泵機(jī)組在制冷模式時，閥門V2、V3關(guān)閉，閥門V1開啟，冷卻泵把冷卻水通過板式換熱器，把熱泵機(jī)組的熱量帶走，最后通過冷卻塔進(jìn)行冷卻；

(3)原有的熱水鍋爐系統(tǒng)保持不變，以作為備用。

另外，根據(jù)客戶提供的D1～D4棟2010年12月～2011年11月宿舍熱水爐柴油使用情況看，5月～10月份柴油的總使用量約為其他月份柴油的總使用量的一半，說明5月～10月的熱水使用量可看做約為其他月份的一半。11月～4月和5月～10月空壓機(jī)與熱泵機(jī)組的熱回收分析見圖2和圖3。

圖1 余熱利用原理圖

圖2 11月～4月空壓機(jī)與熱泵機(jī)組的熱回收分析

圖3 5月～10月空壓機(jī)與熱泵機(jī)組的熱回收分析

從圖2可知，熱泵機(jī)組YEWS-HP與空壓機(jī)的熱回收，每小時可產(chǎn)水約為17.38m3/h，因此在B3棟屋面設(shè)定一個20m3的水箱作為緩沖，為了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，由于空壓機(jī)熱量是免費(fèi)的，所以24小時不間斷回收，蓄的熱水盡量一天用完，目的盡量燒開熱泵機(jī)組，由凌晨12點(diǎn)熱泵機(jī)組開始產(chǎn)熱水，直到下午16：30點(diǎn)停止熱泵機(jī)組，只回收空壓機(jī)余熱，一天可產(chǎn)熱水量約為292.514m3，而4棟宿舍的總需求為292.5m3，因此熱泵機(jī)組加空壓機(jī)的熱回收滿足要求。

從圖3可知，熱泵機(jī)組YEWS-HP與空壓機(jī)的熱回收，每小時可產(chǎn)水約為16.631m3/h，為了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，由凌晨12點(diǎn)熱泵機(jī)組開始產(chǎn)熱水，到早上6：30熱泵機(jī)組可停止制熱，一天可產(chǎn)熱水量約為146.259m3，而4棟宿舍的總需求為146.25m3，因此熱泵機(jī)組加空壓機(jī)的熱回收滿足要求。

根據(jù)客戶提供的資料，宿舍樓D1～D4棟2010年12月至2011年11月熱水鍋爐運(yùn)行成本如表4：

表4 熱水鍋爐運(yùn)行成本

月份1212345柴油用量(升)19317127821235220890154357267當(dāng)月均價(升)6.596.786.746.747.237.39實(shí)際金額(元)127299.0386661.9683252.48140798.6111595.153703.13月份67891011柴油用量(升)6502367034413136966218202當(dāng)月均價(升)7.216.996.877.017.117.09實(shí)際金額(元)46879.4225653.323639.6721983.3668696.82129052.2

因此宿舍樓一年的運(yùn)行成本大概為919215元。

熱泵機(jī)組在制熱工況下的功率為203kW，改造前YS螺桿機(jī)的功率為152kW，熱泵機(jī)組一年的耗電量比YS螺桿機(jī)多出耗電量為：

(203-152)×16.5×30×6+(203-152)×6.5×30×6=211140kW

按照東莞大工業(yè)用電0.66元/kWh，則熱泵機(jī)組比YS螺桿機(jī)多出的運(yùn)行費(fèi)用為：

211140×0.66=139352.4元

則熱回收改造后，每年節(jié)約的費(fèi)用約為：

919215-139352.4=779862.6元

系統(tǒng)改造的初投資見表5。：

表5 系統(tǒng)改造初投資

序號設(shè)備名稱技術(shù)參數(shù)參數(shù)數(shù)值單位單位數(shù)量配電功率(kW)單臺合計1熱泵機(jī)組制冷量664kW制熱量696kW臺11411412252252空壓機(jī)熱回收設(shè)備換熱量75kW臺33控制系統(tǒng)套14熱泵機(jī)組熱水循環(huán)泵變頻柜項(xiàng)15工程安裝項(xiàng)16合計1276986.5元

因此，熱回收改造的回收期約為：

1276986.5/779862.6=1.64年

4 結(jié)論

通過上述分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)本項(xiàng)目通過利用熱泵機(jī)組與空壓機(jī)余熱回收，大大節(jié)省了原燃油鍋爐的年運(yùn)行費(fèi)用，每年大概可節(jié)省約80萬元；

(2)其整個項(xiàng)目的改造總投資約為127.7萬元，投資回收期為1.64年，效益非?？捎^。