水源熱泵在重工行業(yè)余熱采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

薛貴生，周自強(qiáng)

（1.中國中元國際工程公司，北京100089；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

水源熱泵在重工行業(yè)余熱采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

薛貴生1，周自強(qiáng)2

（1.中國中元國際工程公司，北京100089；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

通過對太原重工大型鑄鍛件車間工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前單級電驅(qū)動水源熱泵技術(shù)及太重鑄鍛件車間輔助間、辦公樓的采暖條件，定量分析了循環(huán)冷卻水余熱利用的可行性。同時對于整個冷卻循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行篩選，綜合比較可靠性、經(jīng)濟(jì)性，確定了水源熱泵熱源及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)。最后經(jīng)過核算，定量分析了該項(xiàng)目的節(jié)能潛力。

工業(yè)循環(huán)冷卻水；余熱利用；水源熱泵；節(jié)能環(huán)保

0 引言

隨著能源價格的上漲，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、生活的各個環(huán)節(jié)均采用越來越多的節(jié)能措施來降低能源消耗，提高能源綜合利用效率。水源熱泵作為最流行的節(jié)能措施之一在民用建筑領(lǐng)域使用非常廣泛。但是對于存在大量低品質(zhì)廢熱的重工業(yè)領(lǐng)域卻并未能得到大規(guī)模的應(yīng)用。太原重工水源熱泵項(xiàng)目應(yīng)用水源熱泵替代太原重工的燃煤采暖鍋爐房，達(dá)到提高能源綜合利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、減排的目的。

1 工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

太原重工大型鑄鍛件車間的工業(yè)冷卻水有6大系統(tǒng)，分別為真空和噴淬循環(huán)冷卻、浸淬單級開放式循環(huán)冷卻、煉鋼除鹽水封閉式循環(huán)冷卻、煉鋼除鹽水開式二級循環(huán)冷卻、壓機(jī)液壓油循環(huán)冷卻、浸淬油封閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

6大系統(tǒng)共計(jì)36路分支，循環(huán)冷卻水總量達(dá)到14 225m3/h。根據(jù)各個回路的設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水供回水溫差計(jì)算，可得工業(yè)循環(huán)冷卻水可利用廢熱量達(dá)到189.50MW，見表1。

表1 循環(huán)冷卻水參數(shù)表

綜合考慮到各系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、冷卻水水質(zhì)等各方面因素后選擇煉鋼除鹽水開式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)作為水源熱泵的余熱熱源。該系統(tǒng)可利用余熱熱量為45.06MW。該系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)流程見圖1。

考慮水源熱泵從除鹽水熱水池取水后，經(jīng)熱泵提取熱量降溫后的回水接至除鹽冷水池，從系統(tǒng)上來說還起到了減少板式換熱器及冷卻塔熱負(fù)荷的作用。同時由于系統(tǒng)的兩端都是大容量水池，保證了運(yùn)行工況的穩(wěn)定性，最大程度上弱化了水源熱泵系統(tǒng)于對原循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的干擾。

圖1 煉鋼除鹽水開始冷卻循環(huán)水系統(tǒng)

2 熱泵及采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 采暖熱負(fù)荷

應(yīng)用水源熱泵進(jìn)行采暖的建筑主工包括新建的及原有煉鑄鋼車間及輔房等建筑。經(jīng)過實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，原有生產(chǎn)廠房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合導(dǎo)熱系數(shù)大，加上車間內(nèi)空間過于高大，兼有長期開窗自然通風(fēng)的需求，導(dǎo)致采暖熱負(fù)荷大，同時采暖效果也非常差?？紤]到這些因素，應(yīng)用水源熱泵進(jìn)行供暖的區(qū)域僅限于生產(chǎn)車間部分單獨(dú)分割的有維護(hù)結(jié)構(gòu)的區(qū)域、輔助間及辦公樓較為合適。

依據(jù)采暖范圍內(nèi)各個建筑的使用功能及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合導(dǎo)熱系數(shù)，核算了各個建筑的采暖熱負(fù)荷[1]。經(jīng)過計(jì)算，各個供暖建筑的采暖面積及熱負(fù)荷見表2。

2.2 熱泵設(shè)計(jì)及選型

2.2.1 余熱熱源溫度

由于余熱熱源是本設(shè)計(jì)的最根本的影響因素，所以首先需要確定余熱熱源溫度。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，余熱熱源即煉鋼循環(huán)冷卻除鹽水熱水池的溫度為48℃，除鹽水冷水池的溫度為33℃。實(shí)際經(jīng)過調(diào)取現(xiàn)有的溫度測量記錄，除鹽水熱水池的溫度在20～30℃范圍內(nèi)波動，并隨著季節(jié)變化及生產(chǎn)調(diào)整而變化。為了保證余熱利用效果，確定本次的余熱熱源溫度采用20～30℃作為設(shè)計(jì)溫度。

2.2.2 水源熱泵驅(qū)動方式及出水溫度

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保減排的目的，已經(jīng)決定用水源熱泵來代替現(xiàn)運(yùn)行的燃煤蒸汽鍋爐。所以在選擇水源熱泵時，排除了蒸汽及高溫?zé)崴?qū)動的熱泵，最終選擇了電驅(qū)動水源熱泵。熱泵在制熱工況下經(jīng)常使用性能系數(shù)COP（Coefficient of Performance）來表征熱泵的性能。COP表征的是熱泵的熱量輸出與制熱消耗能量之比。

對于電驅(qū)動水源熱泵，在余熱熱源溫度為20～30℃的條件下，現(xiàn)有技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的單級最高出水溫度為65℃，COP也較高。如果需要更高的出水溫度，壓縮機(jī)必須要使用非常規(guī)的制冷劑，同時系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為串級連接。在常規(guī)的單級65℃出水后再串接一級高溫型水源熱泵，使得最終出水溫度達(dá)到85～90℃，但COP較低。

通過分析調(diào)取歷年的采暖數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)目前采暖系統(tǒng)運(yùn)行最高溫度僅為65℃，大多數(shù)時間維持在60℃，而且人員的舒適性也沒有受到影響。但由于原有廠房采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)為95/70℃，如果使用常規(guī)單級電驅(qū)動水源熱泵，則需要對采暖末端進(jìn)行改造以適應(yīng)新熱源的參數(shù)。兩方案對比見表3。

表3 方案對比表

通過表3可以看出雖然采用單級電驅(qū)動水源熱泵一次性投資略高于雙級電驅(qū)動水源熱泵系統(tǒng)，但是由于單級電驅(qū)動水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低于雙級電驅(qū)動水源熱泵系統(tǒng)，從長遠(yuǎn)看來，采用單級電驅(qū)動水源熱泵還是具有明顯的優(yōu)勢。

2.2.3 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

確定了以上參數(shù)后，考慮到負(fù)荷的調(diào)節(jié)方便以及新建采暖面積滾動發(fā)展的需要，選擇SRBLG800DAM型水源熱泵6臺，其中一臺作為備用兼做預(yù)留發(fā)展容量。單臺熱泵額定制熱量800 kW，標(biāo)準(zhǔn)工況（進(jìn)水25℃，出水65℃）下COP為3.68。余熱熱水側(cè)進(jìn)出水溫度為25/17℃，供熱熱水側(cè)進(jìn)出水溫度為57/65℃。

6臺熱泵以并聯(lián)方式接入系統(tǒng)，為了保證余熱熱水的正常循環(huán)，選用2臺余熱熱水加壓泵作為動力源。對于采暖末端，選用2臺末端采暖循環(huán)泵以將供熱熱水輸送至各個采暖末端。由于余熱熱水側(cè)及供熱熱水側(cè)的供回水溫差均為8℃，兩側(cè)的設(shè)計(jì)流量均為520m3/h，為了保證末端系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，還設(shè)置了一套定壓補(bǔ)水裝置作為管網(wǎng)正常及事故漏損的補(bǔ)充。

同時考慮到遠(yuǎn)期利用熱泵夏季供冷的可能性，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了切換閥，可通過閥門切換實(shí)現(xiàn)供熱供冷雙工況。

3 節(jié)能潛力分析

3.1 計(jì)算條件

采用水源熱泵供暖后，主要消耗的能源類型為電力，水源熱泵COP按照3.68計(jì)算。由于采用燃煤鍋爐供暖與水源熱泵供暖條件下系統(tǒng)的動力設(shè)備電耗相當(dāng)，所以在計(jì)算時沒有進(jìn)行動力設(shè)備能耗的對比計(jì)算。

太原的城市供暖周期為150 d，共計(jì)3 600 h。根據(jù)表2，在室外溫度-12℃時總的采暖熱負(fù)荷為4.153MW。供暖期內(nèi)在不同的室外溫度下要保證相同的室內(nèi)采暖溫度。不同室外溫度對應(yīng)的采暖熱負(fù)荷可根據(jù)對應(yīng)室內(nèi)外溫差之比按式（1）求取[3]。

式中：Tw——不同的室外溫度，℃；

Tn——設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度，℃；

Q1——Tw對應(yīng)的采暖熱負(fù)荷，MW；

年總耗熱量可通過式（2）求取。

式中：Q——年總供熱量，GJ；

ti——不同的室外溫度持續(xù)時間，h。

根據(jù)式（1）與式（2）可計(jì)算得出總的耗熱量為34 767.77GJ，見表4。

表4 年采暖熱負(fù)荷計(jì)算表

3.2 節(jié)能減排量

使用燃煤鍋爐供暖的情況下，每年的折合標(biāo)煤耗量為1 484.79 t。使用水源熱泵供暖后，每年的電耗量應(yīng)為2 624 379 kW·h。考慮一、二次能源的轉(zhuǎn)換效率，按2008年全國發(fā)電機(jī)組平均供電煤耗349g／（kW·h）計(jì)算，該部分電耗折合標(biāo)煤915.91 t。兩部分相減可得年節(jié)能量折合標(biāo)煤568.88 t。

使用電驅(qū)動熱泵雖然在局部區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了燃煤污染物的零排放，但是考慮目前電能來源為火力發(fā)電廠，一、二次能源轉(zhuǎn)換過程中仍然有污染物排放。因此僅考慮節(jié)能部分帶來的污染物排放減少。按照燃煤設(shè)施裝設(shè)除塵、脫硫設(shè)施計(jì)算，煙氣各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放濃度見表5[4]，[5]。

表5 燃煤鍋爐煙氣排放指標(biāo)限值

燃煤設(shè)施采用鏈條鍋爐，過量空氣系數(shù)1.55，根據(jù)當(dāng)?shù)夭膳Ｓ妹悍N的元素分析數(shù)據(jù)，計(jì)算可得年均減少煙氣排放總量為4 560 473 Nm3。根據(jù)煙氣量和排放值計(jì)算可得年煙塵減排量為0.26 t；年SO2減排量為0.87 t；年NOx減排量為0.70 t。

4 結(jié)論

重工業(yè)領(lǐng)域的低品質(zhì)余熱潛力非常巨大。通過把水源熱泵與低溫余熱熱源相結(jié)合，使得原來消耗化石燃料的重污染生產(chǎn)過程被清潔高效的生產(chǎn)過程代替。同時由于充分利用了余熱熱源，使得大大提高了能源綜合效率，同時降低了煙塵、二氧化硫、二氧化氮等大氣污染物的排放量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、減排的目的。

［1］北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司.CJJ34—2010城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：5-6.

［2］深圳麥克維爾空調(diào)有限公司.GB/T 19409—2003水源熱泵機(jī)組［S］.北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2003：7-8.

［3］賀平.供熱工程［M］.第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：141-142.

［4］北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所.GB 13271-2001鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001：3-4.

［5］太原市環(huán)境保護(hù)局，太原環(huán)境科學(xué)學(xué)會.太原市鍋爐污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［J］.大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2005（4）：36-37.

The Application of W ater-source Heat Pump in Residual-heat-used System of Heavy Industry

XUE Gui-sheng1，ZHOU Zi-qiang2
（1.State Grid China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China；2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the analysisof the circulated coolingwateratcasting and forging workshop of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd. aswell as the currentelectricity driven heat pump technology and the heating condition of the auxiliary rooms,the possibility of reusing residualheatof the coolingwater is analyzed quantitatively.Then the coolingwater system was sieved to determine the parameters ofheat sourceand the heating system.Finally，the energy-saving potentialof the projectwasanalyzed quantitatively.

circulated cooling water；residual heat utilization；water-source heat pump；energy-saving and environment protection

TU831.3

B

1671-0320（2014）01-0061-04

2013-09-03，

2013-11-11

薛貴生（1983-），男，甘肅白銀人，2009年畢業(yè)于東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院動力工程及工程熱物理專業(yè)，工程師，主要從事城市供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì);

周自強(qiáng)（1984-），男，江蘇徐州人，2009年畢業(yè)于東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院動力工程及工程熱物理專業(yè)，工程師，主要從事信息安全工作。