氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳玉祥蘇蓉陳向陽

（1. 精華制藥集團(tuán)南通有限公司，江蘇南通 226006；2. 廣州泰陽能源科技有限公司，廣州 510000）

氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳玉祥1蘇蓉2陳向陽2

（1. 精華制藥集團(tuán)南通有限公司，江蘇南通 226006；2. 廣州泰陽能源科技有限公司，廣州 510000）

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)蓄冷系統(tǒng)中應(yīng)用氯化鈣溶液的可行性進(jìn)行分析，闡述了氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并提出在工程應(yīng)用中實(shí)施的要點(diǎn)。指出蓄冷系統(tǒng)通過移峰填谷解決峰谷不平衡的重要性，且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

蓄冷；氯化鈣；蓄冷槽

蓄冷系統(tǒng)對(duì)國家而言，是一種提高電網(wǎng)安全運(yùn)行。平衡電網(wǎng)負(fù)荷的技術(shù)，對(duì)企業(yè)而言，可以降低運(yùn)行成本，研究開發(fā)新型蓄冷技術(shù)也是整個(gè)市場及行業(yè)的需求。隨著國家對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視，蓄冷系統(tǒng)在企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。通常蓄冷系統(tǒng)分為環(huán)境供冷和工藝供冷兩種方式，傳統(tǒng)蓄冷系統(tǒng)以水或冰為介質(zhì)儲(chǔ)存在蓄冷槽中，在電價(jià)高峰時(shí)段釋冷來滿足用戶的環(huán)境供冷需求，一般蓄冷溫度為4 ℃[2]。而氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)打破蓄冷系統(tǒng)傳統(tǒng)模式，針對(duì)要求低溫供冷的用戶，以零下溫度儲(chǔ)存冷量，滿足用戶工藝供冷需求。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于江蘇省南通市，北緯32°08'，東經(jīng)121°05'。項(xiàng)目中整個(gè)廠區(qū)為工業(yè)用地，實(shí)行當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)政策，高峰電價(jià)1.1元/度，谷段電價(jià)0.32元/度。生產(chǎn)區(qū)內(nèi)工藝供冷主要應(yīng)用于原料藥制藥工藝，連續(xù)三班運(yùn)行，負(fù)荷需求量波動(dòng)不大，生產(chǎn)區(qū)全天負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)。該套蓄冷系統(tǒng)供冷樓層共3層，建筑物高10.5 m。蓄冷系統(tǒng)載冷劑為25 %左右的氯化鈣溶液，供回水溫度為-10 ～ -5 ℃。全天尖峰冷負(fù)荷為1 297 kW（369 RT），負(fù)荷波動(dòng)在34 %以內(nèi)，供冷時(shí)間為20 h（04∶00 ～ 24∶00），全天蓄冷總負(fù)荷為6 122 RTh，全年供冷天數(shù)為330 d。蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷圖如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷Fig.1 Hourly cooling load of the design day

2 氯化鈣溶液蓄冷可行性分析

氯化鈣是一種由氯元素和鈣元素構(gòu)成的典型離子鹵化物。室溫下為白色，有粒狀、蜂窩塊狀、圓球狀、不規(guī)則顆粒狀、粉末狀。無毒無臭、味微苦，溶于水時(shí)放出大量的熱且其水溶液呈微酸性。

實(shí)現(xiàn)氯化鈣溶液溫度分層型蓄冷需具備以下二個(gè)條件：蓄冷介質(zhì)溫度不同密度不同，且隨溫度變化差異越大越好；蓄放冷時(shí)只存在導(dǎo)熱過程，盡量避免對(duì)流，蓄冷介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。

根據(jù)氯化鈣溶液密度與溫度的關(guān)系曲線和氯化鈣溶液導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線，分析氯化鈣溶液物理性質(zhì)。

分析得出氯化鈣溶液密度隨溫度降低而增加，且每攝氏度密度變化相對(duì)值為0.05 %（水每攝氏度密度變化相對(duì)值為0.024 %）。氯化鈣溶液相比水的導(dǎo)熱系數(shù)還要低，且隨溶液溫度降低導(dǎo)熱系數(shù)減小。可看出氯化鈣溶液密度隨溫度變化關(guān)系更明顯，如能利用布水設(shè)備有效減少蓄放冷過程中的對(duì)流，則可實(shí)現(xiàn)溫度分層效果。20 %濃度的氯化鈣溶液在-10 ℃時(shí)密度為1 196 kg / m3；在0 ℃時(shí)密度為1 191 kg / m3。20 %濃度的氯化鈣溶液在-10 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.526 W / ( m ·k )；在 0 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為 0.543 W/ ( m ·k ) 。

圖2 氯化鈣溶液密度與溫度的關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between temperature and density of the calcium chloride solution

圖3 氯化鈣溶液導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between thermal conductivity and temperature of thecalcium chloride solution

氯化鈣溶液物理性質(zhì)滿足溫度分層型蓄冷條件，可用于蓄冷系統(tǒng)中。氯化鈣溶液在蓄冷槽中溫度分層示意如圖4所示。

3 蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 氯化鈣溶液溫度分層示意Fig.4 Thermal stratifcationofthecalcium chloride solution

3.1 蓄冷槽容積

本工程以3臺(tái)431 kW的制冷機(jī)組晚上開機(jī)蓄冷4 h，再用1臺(tái)431 kW的制冷機(jī)組繼續(xù)蓄冷4 h，總蓄冷量Q為1 964 RTh。利用室外空地建造地上蓄冷罐儲(chǔ)存冷量，蓄冷溫差ΔT取7 ℃[2]，蓄冷終了溫度-12 ℃，放冷終了溫度-5 ℃，考慮斜溫層和布水空間，蓄冷罐容積效率η取95 %，蓄冷槽和管路儲(chǔ)存冷量冷損失附加率K取1.04，根據(jù)V = Q×K / η/ΔT / C，蓄冷槽計(jì)算容積V = 929 m3。

3.2 氯化鈣蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 蓄放冷系統(tǒng)

系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)氯化鈣蓄冷高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮其切換模式、故障率、冷損失率等因素，且必須遵守以下幾點(diǎn)原則：盡量減少中間傳熱環(huán)節(jié)；減少中間輸送環(huán)節(jié)、無效輸送和阻力損失[3]。系統(tǒng)流程如圖5所示[4]。

3.2.2 控制系統(tǒng)

一套智能而又高效的控制系統(tǒng)是保障蓄冷系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)蓄冷系統(tǒng)既節(jié)電又節(jié)能的保障。控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)水泵、閥門等設(shè)備的軟連鎖開關(guān)控制。

（2）實(shí)現(xiàn)主機(jī)、蓄冷水泵、放冷水泵、機(jī)組等設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)顯示和運(yùn)行記錄。

（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的自動(dòng)巡檢與切換。

（4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，節(jié)省人力。

（5）實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備，延長壽命。

（6）實(shí)現(xiàn)累計(jì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，及時(shí)提醒用戶進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

本工程以氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)放冷過程為例，控制界面如圖6所示，可以明顯看出系統(tǒng)中各設(shè)備/閥門等的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 系統(tǒng)流程Fig.5 The fow chart of the system

3.3 運(yùn)行模式

根據(jù)蓄冷槽能儲(chǔ)存的最大蓄冷量，氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)根據(jù)全年負(fù)荷分布以分量蓄冷到全量蓄冷的方式運(yùn)行，遵循蓄冷槽盡量在電價(jià)高峰時(shí)段放冷的原則，根據(jù)負(fù)荷變化，調(diào)整運(yùn)行策略，直至蓄冷槽中冷量供完[5]。根據(jù)工程當(dāng)?shù)貧夂驐l件和空調(diào)需求，上述系統(tǒng)流程圖中氯化鈣蓄冷系統(tǒng)按三種工況運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行狀況如表1所示。

（1）主機(jī)蓄冷工況：24∶00 ～ 08∶00時(shí)段，由主機(jī)為蓄冷槽進(jìn)行蓄冷。

（2）蓄冷槽供冷工況：蓄冷槽優(yōu)先在電價(jià)高峰時(shí)段供冷。

圖6 放冷過程控制界面Fig.6 Controlinter face of the cooling process

表1 系統(tǒng)運(yùn)行狀況Tab.1 The system running status

（3）主機(jī)供冷工況：由制冷機(jī)組承擔(dān)需求冷量。

根據(jù)生產(chǎn)區(qū)負(fù)荷分布情況，將全年蓄冷負(fù)荷分為100 %負(fù)荷、75 %負(fù)荷、50 %負(fù)荷、25 %負(fù)荷[5]，空調(diào)負(fù)荷運(yùn)行策略如圖7 ～ 10所示。

氯化鈣蓄冷系統(tǒng)典型運(yùn)行模式1∶夜間蓄冷8 h，早上08∶00開始由蓄冷槽單獨(dú)供冷4 h，到12∶00切換至制冷機(jī)組供冷5 h，再切換由蓄冷槽供冷直至冷量供完，再開啟主機(jī)繼續(xù)供冷。

氯化鈣蓄冷系統(tǒng)典型運(yùn)行模式2∶夜間蓄冷8 h，早上08∶00開始由蓄冷槽單獨(dú)供冷4 h，到12∶00切換至制冷機(jī)組供冷3 h，再切換由蓄冷槽供冷直至冷量供完，再開啟主機(jī)繼續(xù)供冷。

氯化鈣蓄冷系統(tǒng)典型運(yùn)行模式3∶夜間蓄冷4 h，早上08∶00開始不開啟主機(jī)，由蓄冷槽單獨(dú)供冷。

圖7 100 %負(fù)荷運(yùn)行策略Fig.7 Operation strategy of 100 % load

圖8 75 %負(fù)荷運(yùn)行策略Fig.8 Operation strategy of 75 % load

圖9 50 %負(fù)荷運(yùn)行策略Fig.9 Operation strategy of 50 % load

3.4 系統(tǒng)效益分析

本工程為改造項(xiàng)目投資290萬元，實(shí)行分時(shí)電價(jià)如下 ：高峰時(shí)段（08∶00 ～ 12∶00，17∶00 ～ 21∶00）電價(jià) 1.102 元 /度，平段（12∶00 ～ 17∶00，21∶00 ～24∶00）電價(jià) 0.661元 /度，谷段（24∶00 ～ 08∶00）電價(jià)0.32元/度。根據(jù)歷史電費(fèi)記錄，改造前每年運(yùn)行電費(fèi)255萬元，改造為氯化鈣蓄冷系統(tǒng)后，減少99.36萬度的高峰時(shí)段用電量，減少25.44萬度的平段用電量，增加120.39萬度低谷用電量。每年可為用戶節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)87.79萬元，與常規(guī)運(yùn)行電費(fèi)相比，節(jié)省率達(dá)34.43 %。整套氯化鈣蓄冷系統(tǒng)的投資回收期是3.3年。

圖10 25 %負(fù)荷運(yùn)行策略Fig.10 Operation strategy of 25 % load

建設(shè)氯化鈣蓄冷系統(tǒng)后，其空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏安全性得到極大的提高。制冷機(jī)組的操作頻率和維修費(fèi)用將明顯下降，機(jī)組滿負(fù)荷制冷的運(yùn)行狀態(tài)比率將大幅度提高。

4 實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)

因氯化鈣溶液具有腐蝕性，且腐蝕速度隨溶液濃度的增大而減小。但是氯化鈣溶液的濃度不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致蓄冷泵和放冷泵的消耗功率增大，氯化鈣溶液的濃度應(yīng)以業(yè)主工藝要求濃度為準(zhǔn)。一般，氯化鈣溶液蒸發(fā)溫度比凝固溫度高4 ～ 6 ℃，且需結(jié)合主機(jī)最低蒸發(fā)溫度。如20 %的氯化鈣溶液凝固溫度約為-18 ℃，則我們可選擇蓄冷溫度為-14 ～ -12 ℃（前提是主機(jī)可以達(dá)到相應(yīng)溫度）。

在氯化鈣蓄冷系統(tǒng)工程實(shí)施中，因氯化鈣水溶液呈弱酸性，因此對(duì)鋼制材料具有一定腐蝕性，用于儲(chǔ)存氯化鈣溶液的蓄冷槽、管道及水泵等設(shè)備均需做好防腐措施，本工程中蓄冷槽內(nèi)防腐采用環(huán)氧富鋅漆一底兩面，外防腐采用紅丹漆兩面，管道采用防腐漆涂刷，水泵材質(zhì)采用不銹鋼耐腐蝕材料，避免遭受溶液腐蝕。

5 結(jié)束語

從工程實(shí)例分析，氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)針對(duì)低溫空調(diào)系統(tǒng)具有可觀的綜合效益和實(shí)施可行性。

氯化鈣溶液濃度必須根據(jù)工藝需求選擇，并在選擇的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)蓄冷槽的厚度和防腐措施，保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行年限，充分發(fā)揮蓄冷槽的作用。

氯化鈣溶液蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略，避免不符合系統(tǒng)的運(yùn)行模式，保證系統(tǒng)的合理化和安全可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]谷波，孫濤，田樹波. 蓄冷節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 節(jié)能，2001（2）：6-9.

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[5]嚴(yán)德隆，張維君. 空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：中國建筑出版社，1991.

Design and Application of Chilled Calcium Chloride Solution Storing System

Wu Yuxiang, Su Rong, Chen Xiangyang
（1. Jinghua Pharmaceutical Group Nantong Co., Ltd, Nantong 226006;2. Guangzhou Topsun Power Technology Co. Ltd, Guangzhou 510000）

Combined with practical engineering examples, the feasibility of applying calcium chloride solution in chilling storage system was analyzed in this article. The design method for this system was described and the key points in the application in engineering were presented. The signifcance of solving the problem of peak and valley existed in using of this system, by which prominent economic proft can be obtained, was indicated.

chilling storage; calcium chloride chilling storage tank

TQ 460.8

A

2095-817X（2017）03-0050-005

2017-01-11

吳玉祥（1969—），男，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)備和節(jié)能管理。