化纖生產(chǎn)中制冷機(jī)系統(tǒng)配置及節(jié)能方案探討

侯 彥 坡

(神馬實(shí)業(yè)股份有限公司，河南 平項(xiàng)山 467000)

化纖生產(chǎn)中制冷機(jī)系統(tǒng)配置及節(jié)能方案探討

侯 彥 坡

(神馬實(shí)業(yè)股份有限公司，河南 平項(xiàng)山 467000)

介紹了制冷機(jī)的種類、特點(diǎn)及優(yōu)化選型配置原則，并以新建化纖生產(chǎn)廠為例，分析了制冷機(jī)系統(tǒng)配置及節(jié)能方案。常用制冷機(jī)分為壓縮式和吸收式兩大類，壓縮式制冷機(jī)的能耗較大，有余熱或廢熱利用的化纖生產(chǎn)廠宜采用吸收式制冷機(jī)組。在化纖生產(chǎn)中，制冷機(jī)系統(tǒng)配置應(yīng)同時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排，合理有效地利用余熱；在必須使用壓縮式制冷機(jī)時(shí)，需根據(jù)制冷量的大小選擇制冷機(jī)的型號(hào)，并考慮負(fù)荷的可調(diào)節(jié)性，優(yōu)化機(jī)組配置，最大限度提高制冷機(jī)組的性能系數(shù)。

空調(diào)系統(tǒng) 冷水機(jī)組 制冷機(jī) 節(jié)能降耗 余熱利用

在化纖生產(chǎn)中，空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶，制冷與空調(diào)設(shè)備的節(jié)能對(duì)于企業(yè)降低成本具有重要意義?？照{(diào)系統(tǒng)中制冷站消耗了大量的能源，在大中型系統(tǒng)中，需要配置多臺(tái)制冷機(jī)來(lái)滿足空調(diào)和生產(chǎn)工藝用的冷負(fù)荷需求，制冷系統(tǒng)投資大、能耗大，制冷機(jī)的選擇和配置對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的耗能大小起著決定性的影響。

目前，化纖生產(chǎn)中制冷機(jī)的配置形式比較單一，一般是單獨(dú)配置多臺(tái)蒸汽型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組，或單獨(dú)配置多臺(tái)電壓縮式冷水機(jī)組。為了降低生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低消耗，有效、合理地利用能源成為每個(gè)生產(chǎn)企業(yè)必須面對(duì)的問(wèn)題。作者結(jié)合化纖企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際及節(jié)能減排需求，重點(diǎn)介紹制冷機(jī)的種類、特點(diǎn)和在生產(chǎn)中的節(jié)能應(yīng)用。

1 制冷機(jī)的選擇

1.1 常用冷水機(jī)組的種類及特點(diǎn)

制冷機(jī)按熱力循環(huán)過(guò)程與消耗能源種類不同分為蒸汽壓縮式制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)[1]。壓縮式制冷機(jī)采用電作能源，有活塞式、螺桿式、蝸旋式、離心式；吸收式制冷機(jī)以熱能作為熱源，有直燃型、蒸汽型、熱水型。

1.1.1 壓縮式制冷機(jī)

活塞式制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)裝置比較簡(jiǎn)單、制造技術(shù)成熟、加工容易、造價(jià)低廉；缺點(diǎn)是振動(dòng)較大，效率相對(duì)比較低。

螺桿式制冷壓縮機(jī)與活塞式制冷壓縮機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少、振動(dòng)小、體積小、質(zhì)量輕，性能系數(shù)(COP)比較高，而且制冷量可在10%～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；但耗油量大、價(jià)格相對(duì)較貴、噪音比離心式高。

離心式制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高、制冷量大、易損件少、維護(hù)簡(jiǎn)單、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、振動(dòng)小、噪音低、制冷劑中不混有潤(rùn)滑油，COP高；缺點(diǎn)是單機(jī)制冷量不宜太小，由于轉(zhuǎn)速高，對(duì)材料和加工、制造質(zhì)量要求嚴(yán)格。

蝸旋式制冷壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、振動(dòng)小、噪音低、容積效率最高；但價(jià)格相對(duì)較高，單機(jī)容量較小。

壓縮式冷水機(jī)組適宜的單機(jī)容量[2]及對(duì)應(yīng)冷量下的最小COP見(jiàn)表1。

表1 壓縮式冷水機(jī)組單機(jī)容量及COPTab.1 Unit capacity and COP of compression refrigerator

1.1.2 吸收式制冷機(jī)

直燃型吸收式制冷機(jī)利用重油、天然氣等作為熱源，由于與鍋爐結(jié)合為一體，減少了中間環(huán)節(jié)，熱效率相對(duì)提高；但從能源的利用角度出發(fā)是不合理的，因?yàn)槿剂先紵a(chǎn)生的是高品位熱能。

蒸汽型或熱水型吸收式制冷機(jī)加工簡(jiǎn)單，操作方便。熱水型對(duì)能源要求不高，可以利用余熱、廢熱或其他低品位熱能，無(wú)需耗用大量電能。吸收式制冷機(jī)運(yùn)行費(fèi)用低，噪聲低、振動(dòng)小，安全可靠，但使用壽命低于壓縮式制冷機(jī)，COP比較低。吸收式冷水機(jī)組單機(jī)容量見(jiàn)表2。

表2 吸收式冷水機(jī)組單機(jī)容量及COPTab.2 Unit capacity and COP of adsorption refrigerator

1.2 制冷機(jī)的能耗分析

從1.1節(jié)分析可知，不同冷水機(jī)組各有特點(diǎn)，其能耗由低到高的順序?yàn)椋弘x心式、螺桿式、活塞式、吸收式制冷機(jī)。對(duì)于壓縮式冷水機(jī)組，當(dāng)單機(jī)空調(diào)制冷量(φ)大于1 163 kW時(shí)，宜選用離心式；φ為582～1 163 kW時(shí)，宜選用離心式或螺桿式；φ小于582 kW時(shí)，宜選用活塞式。壓縮式制冷機(jī)的COP大大高于吸收式制冷機(jī)的COP。

從空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗來(lái)說(shuō)，壓縮式制冷機(jī)耗電量大，溴化鋰吸收式機(jī)組蒸汽、熱水或燃?xì)?油)耗量大。吸收式制冷機(jī)節(jié)電不節(jié)能，但如果有余熱或廢熱作為熱源的工廠宜采用吸收式冷水機(jī)組。

幾種冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗見(jiàn)表3。

表3 幾種冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗Tab.3 Operation energy consumption of refrigerators

注：?jiǎn)挝恢评淞亢碾姲ㄖ评錂C(jī)設(shè)備耗電，不包括冷凍水泵。

1.3 制冷機(jī)配置方案的優(yōu)化選擇

選擇制冷機(jī)配置方案時(shí)，要綜合考慮廠區(qū)能源供應(yīng)狀況、制冷量的大小、正常及最高運(yùn)行負(fù)荷的需求情況，對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定，同時(shí)還需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行能耗及初始投資費(fèi)用。

在空調(diào)設(shè)計(jì)中，制冷機(jī)的冷量一般是根據(jù)最大空調(diào)負(fù)荷確定的。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，空調(diào)冷負(fù)荷與室外溫度密切相關(guān)，制冷機(jī)大部分都不是滿負(fù)荷運(yùn)行。因此，在制冷機(jī)組大小和數(shù)量選擇時(shí)，需要綜合考慮負(fù)荷變化，首先可以通過(guò)制冷機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)，同一機(jī)房?jī)?nèi)也可采用不同類型、不同容量的機(jī)組搭配的組合式方案，以節(jié)約能耗。

另外制冷機(jī)是選用溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，還是壓縮式電動(dòng)制冷機(jī)，需要根據(jù)廠區(qū)的能源供應(yīng)確定。有余熱和廢熱的廠區(qū)，可以全部或部分選用溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，電動(dòng)制冷機(jī)作為備用或補(bǔ)充；對(duì)于沒(méi)有余熱利用的廠區(qū)，盡量全部選用壓縮式電動(dòng)制冷機(jī)組。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

以新規(guī)劃的化纖生產(chǎn)工廠為例，生產(chǎn)工藝(包括工藝、設(shè)備需要的冷凍水以及滿足工藝生產(chǎn)需要的工藝空調(diào))和車間環(huán)境空調(diào)均需要冷凍水，供水溫度7 ℃、回水溫度12 ℃。制冷系統(tǒng)總制冷量(空調(diào)和工藝總需求)為26 500 kW，其中生產(chǎn)工藝需要空調(diào)負(fù)荷為3 100 kW，其余均為環(huán)境空調(diào)負(fù)荷。

廠區(qū)內(nèi)裝置工藝塔生產(chǎn)時(shí)會(huì)有微正壓蒸汽產(chǎn)生，常規(guī)運(yùn)行時(shí)采用空氣換熱器降溫后直接排放，造成能源浪費(fèi)。

2.1 制冷機(jī)機(jī)型的選擇

廠區(qū)內(nèi)具有廢熱，從節(jié)能角度出發(fā)，根據(jù)廢熱量選擇相對(duì)應(yīng)的熱水型或蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)，不足的冷負(fù)荷通過(guò)離心式制冷機(jī)補(bǔ)充。

2.2 余熱利用方案

(1)廠區(qū)生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的常壓蒸汽量預(yù)計(jì)在10～12 t/h，可以直接利用工藝塔頂?shù)某汗に囌羝?，就近布?臺(tái)常壓蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)，直接采用工藝塔頂蒸汽制取冷凍水。同時(shí)在裝置區(qū)內(nèi)增設(shè)冷凍水循環(huán)泵，將冷凍水與動(dòng)力站冷凍水管線并管后供生產(chǎn)和空調(diào)使用。蒸汽型制冷機(jī)系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽型制冷機(jī)系統(tǒng)工作流程示意Fig.1 Work flow of steam type refrigerator1—工藝塔；2—風(fēng)冷冷卻器；3—電機(jī)；4—蒸汽型制冷機(jī)；5—冷凍水循環(huán)泵

(2)在工藝塔頂采用兩級(jí)換熱，第一級(jí)為熱水換熱器，第二級(jí)為風(fēng)冷冷卻器。將熱水換熱器產(chǎn)生的熱水用于制冷(工藝塔頂熱水換熱器效率按80%計(jì))，可配套1臺(tái)3 516 kW的熱水型溴化鋰制冷機(jī)。換熱器熱水出口溫度95 ℃，通過(guò)廠區(qū)管道輸送至廠區(qū)內(nèi)的動(dòng)力站，經(jīng)過(guò)制冷機(jī)后熱水溫度降為80 ℃，再通過(guò)管路送回至換熱器循環(huán)利用。熱水、冷凍水流程見(jiàn)圖2。

圖2 熱水型制冷機(jī)系統(tǒng)工作流程示意Fig.2 Work flow of hot water type refrigerator1—工藝塔；2—熱水換熱器；3—風(fēng)冷冷卻器；4—電機(jī)；5—熱水循環(huán)泵；6—熱水型制冷機(jī)；7—冷凍水循環(huán)泵

(3)上面2個(gè)方案制冷方式和安裝位置不同，各有利弊。雖然蒸汽制冷的效率較高，但結(jié)合新規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合考慮公用工程配置和運(yùn)行費(fèi)用，以及設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，選擇方案2，將熱水送至動(dòng)力站，動(dòng)力站新增熱水型制冷機(jī)。

2.3 制冷機(jī)型號(hào)和數(shù)量的配置方案

生產(chǎn)工藝需要的冷負(fù)荷全年不變；環(huán)境空調(diào)負(fù)荷與季節(jié)有關(guān)，車間環(huán)境空調(diào)一般每年運(yùn)行時(shí)間為5～10月使用，7月、8月冷負(fù)荷需求最大，其余6個(gè)月不用。根據(jù)使用特點(diǎn)和總冷量，配置1臺(tái)3 516 kW的熱水型溴化鋰制冷機(jī)，2臺(tái)3 517 kW離心式制冷機(jī)，和3臺(tái)6 893 kW的離心式制冷機(jī)。

運(yùn)行方案如下：只有生產(chǎn)工藝用冷負(fù)荷時(shí)間段，只開(kāi)啟1臺(tái)3 516 kW的溴化鋰制冷機(jī)，此時(shí)3 517 kW離心式制冷機(jī)作為備用；環(huán)境空調(diào)需要開(kāi)啟的時(shí)間段，隨著室外氣溫不同，空調(diào)需要的冷負(fù)荷從小變大，開(kāi)始可以先開(kāi)啟3 517 kW的離心制冷機(jī)，當(dāng)負(fù)荷慢慢變大，1臺(tái)不能滿足要求時(shí)，啟動(dòng)第2臺(tái)3 517 kW的離心制冷機(jī)，逐步啟動(dòng)6 893 kW的離心式制冷機(jī)，關(guān)閉1臺(tái)3 517 kW的離心式制冷機(jī)，隨著負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)制冷機(jī)的運(yùn)行數(shù)量，達(dá)到節(jié)能最大化。

水泵配置時(shí)，需要同時(shí)考慮不同制冷模式下冷水量的變化，水泵流量需要滿足不同冷水量時(shí)能夠正常運(yùn)行，并同時(shí)將運(yùn)行能耗降到最低。

2.4 節(jié)能減排

熱水型溴化鋰制冷機(jī)利用廢氣余熱通過(guò)換熱器生產(chǎn)的熱水作為熱源，比傳統(tǒng)的制冷機(jī)的配置增加了1臺(tái)熱水循環(huán)泵，其他配置完全相同。熱水型溴化鋰制冷機(jī)裝機(jī)容量為33.5 kW，熱水循環(huán)量為266 t/h，配置的熱水循環(huán)泵流量280 t/h，揚(yáng)程47 m，功率55 kW。

離心式制冷機(jī)采用10 kV/50 Hz電機(jī)，制冷量為6 893 kW的離心式制冷機(jī)裝機(jī)容量為1 153 kW，制冷量為3 517 kW的離心式制冷機(jī)裝機(jī)容量為591 kW。

生產(chǎn)工藝用冷負(fù)荷全年恒定，制冷機(jī)需要全年運(yùn)行，制冷機(jī)按照年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，熱水型溴化鋰制冷機(jī)和離心式制冷機(jī)能耗量比較見(jiàn)表4。

表4 制冷量為3 517 kW時(shí)2種制冷機(jī)的能耗比較Tab.4 Energy consumption comparison of two types of refrigerators at cooling capacity of 3 517 kW

由表4可以看出，采用工藝廢氣余熱通過(guò)換熱器制取熱水，再利用熱水制冷，每年運(yùn)行能耗比離心式制冷機(jī)節(jié)電4.02×104kW·h，折合標(biāo)煤耗量比離心式制冷機(jī)節(jié)約1 327 t。另外，利用廢熱制取熱水用來(lái)制冷，和離心式制冷機(jī)比較，一氧化碳減排量為5.35 t/a；二氧化硫減排量為17.60 t/a；煙塵減排量為1.85 t/a。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用余熱制冷不僅給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排效果也很好。

2.5 設(shè)備配置注意事項(xiàng)

工業(yè)余熱利用技術(shù)，設(shè)備配置方式眾多，但都有一定的適用條件，應(yīng)根據(jù)不同企業(yè)余熱種類、溫度、余熱量，結(jié)合生產(chǎn)條件、工藝流程、內(nèi)外能量需求，選擇合適的余熱利用方式，實(shí)現(xiàn)降低能耗、提高效益的目的。

選擇制冷機(jī)設(shè)備數(shù)量時(shí)，單臺(tái)制冷量越大、制冷機(jī)數(shù)量越少，初投資越低；單臺(tái)制冷量變小后，雖然提高了調(diào)節(jié)性能，但設(shè)備臺(tái)數(shù)增加導(dǎo)致了設(shè)備初始投資增加。因此設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用大、小機(jī)組搭配的組合型式，同時(shí)制冷機(jī)組之間還需要考慮互為備用和切換使用的可能性。同一機(jī)房?jī)?nèi)可采用不同類型、不同容量的機(jī)組搭配的組合式方案，部分負(fù)荷時(shí)開(kāi)啟小機(jī)組，高峰時(shí)使用大機(jī)組，使機(jī)組盡量在較高效率下運(yùn)行，以降低能耗。水泵配置時(shí)一定要和制冷機(jī)的開(kāi)啟相匹配，以保證系統(tǒng)運(yùn)行正常和節(jié)能最大化。

制冷機(jī)大部分時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行，因此制冷機(jī)的能耗不但與其低負(fù)荷下的效率有關(guān)，還與能量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)有關(guān)系，在選用冷水機(jī)組時(shí)，還應(yīng)優(yōu)先選用能量調(diào)節(jié)自動(dòng)化程度高的機(jī)組。

隨著制冷技術(shù)的進(jìn)步，微正壓蒸汽型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組日漸成熟，在條件允許時(shí)可采用塔頂工藝蒸汽直接制冷的工藝流程，可提高余熱利用的效率。

3 結(jié)論

a. 在化纖生產(chǎn)中，制冷過(guò)程需要消耗大量的能量，制冷機(jī)系統(tǒng)配置時(shí)需要從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，并合理有效利用現(xiàn)有能源。配置和運(yùn)行方案對(duì)冷凍機(jī)和空調(diào)節(jié)能有著重要的意義。

b. 有余熱和廢熱可利用的企業(yè)盡可能選擇吸收式制冷機(jī)。有效利用余熱，不僅可以節(jié)省大量的運(yùn)行成本，對(duì)節(jié)能減排也有重要的意義。

c. 在必須選擇電動(dòng)壓縮式冷水機(jī)組的企業(yè)，需要根據(jù)制冷量的大小選擇制冷機(jī)的型式，同時(shí)考慮負(fù)荷的可調(diào)節(jié)性，優(yōu)化不同型號(hào)機(jī)組配置組合，最大限度地提高制冷機(jī)組的COP，降低能耗。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第二版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:2260-2264.

Lu Yaoqin.Practical design handbook for heating and air conditioning[M].Ind ed.Beijing:China Architecture & Building Press,2007:2260-2264.

[2] GB50019—2015.工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

GB 50019—2015.Design code for heating ventilation and air conditioning of industrial buildings[S].

Discussion of system configuration and energy saving scheme of refrigerator for chemical fiber industry

Hou Yanpo

(ShenmaIndustrialCo.,Ltd.,Pingdingshan467000)

The type and characteristics of refrigerators were introduced, as was the principle of type optimization and configuration. The refrigerator system configuration and energy saving and consumption reduction plan were analyzed for a newly-built chemical fiber plant. The traditional refrigerators are divided into two types, compression type and adsorption type. The adsorption type refrigerator is a better choice for the chemical fiber plants having waste heat utilized when the compression type refrigerator consumes a large amount of energy. The refrigerator system configuration should take a comprehensive economic and conservation consideration based on the waste heat utilization for chemical fiber production. The refrigerator model should be rationally decided according to the cooling capacity and load and the refrigerator configuration should be optimized to maximize the coefficient of performance when the compression type refrigerator must be applied.

air conditioning system; chiller unit; refrigerator; energy saving and consumption reduction; waste heat utilization

2017- 03-13； 修改稿收到日期：2017- 04-23。

侯彥坡(1973—)，男，工程師，從事化纖項(xiàng)目籌建及設(shè)備管理工作。E-mail：houyanpo123@163.com。

TQ340.5

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1001- 0041(2017)03- 0063- 04