北方地区船厂节能减排能源综合利用探讨

2012-08-15徐林

绿色科技 2012年1期

徐林

（青岛北海船舶重工有限责任公司，山东青岛 266000）

1 引言

贯彻落实科学发展观，实现国民经济的可持续发展以及人和自然的和谐发展，通过节能减排，减少环境污染，是企业发展的必由之路。船舶行业有其明显的自身特点，青岛北海船舶重工有限责任公司采用国内外先进的技术，综合利用能源取代锅炉解决船厂的冬季采暖和四季洗浴用热，同时利用海水资源解决夏季空调等，取得了可喜的节能减排效果。本文结合公司的技改实践就船舶行业的节能减排，减少环境污染的有效途径进行了探讨。

2 船厂的共同特点

船舶行业大部分都在海边，有丰富的海水资源。造修船需要大量的压缩空气，都配备了大型的空压站，空压机的循环冷却水有较高的余热可以再利用。船舶行业需要使用大量的各种工业气体。液态二氧化碳、液态氧在汽化过程中需要吸收大量的热。厂区占地面积大、办公生活区域相对分散。造船行业都有大型的涂装工场，冬季北方地区的涂装间都需要加温，涂装间需要大量通风，热量损失严重，冬季加温跟不上，严重影响生产的进度，成了冬季涂装完工的瓶颈。在生产生活中需要消耗大量的能源（热源），包括涂装工场冬季生产需要大量用热；高大机加工厂房采暖用热；高大船体制造厂房单个设备或局部用热；钢板预处理线加温用热；金属切割和热加工；液态二氧化碳系统加温。人员密集，需要每天清洁洗浴，生活用热水需求量大。办公生活区域采暖、四季洗浴生活热水，夏季空调等都需要大量的能源。

根据工厂的生产生活特点，合理供应能源，努力减少浪费，充分利用、重复利用资源使能源的利用最大化，在建厂和工厂生产过程中，应进行了充分的论证选择合理的设施配置，对可利用的资源进行有效地技术改进，加以充分利用。

3 各船厂能源利用现状

采暖洗浴用热使用锅炉，夏季制冷采用分体空调。涂装用热采用锅炉产生高温蒸汽转换成热风送入涂装间。高大机加工厂房采暖用热采用散热器加热风机。高大船体制造厂房单个设备或局部用热无法解决。液态二氧化碳转换为气态二氧化碳多采用电加热。切割气多采用高污染的乙炔气或比重大于空气的丙烷丙烯类混合气低洼舱室作业存在安全隐患。钢板预处理线加温一般采用蒸汽加温。

4 解决方案

4.1 运用热泵技术解决生活用热

空压机的循环冷却水有较高的余热。青岛北海船舶重工有限责任公司2006年开始采用以空压机废热（空压机循环冷却水）作为低温热源的热泵系统来制取生活热水，同时还用于办公楼的冬季采暖。以海水作为低温热源的热泵系统在夏季用于办公楼的制冷空调，同时海水还作为冬季采暖的备用热源（当空压机在春节期间停止运行时以海水作为热泵系统的低温热源）。

该公司现有二套热泵系统。其中一套制取生活热水的热泵系统，每天可提供55℃的生活热水300t。另一套用于办公楼冬季采暖、夏季制冷空调的热泵系统，为22939m2的建筑提供冬季采暖、夏季空调。

4.1.1 制生活热水热泵系统的节能情况分析

以空压机循环冷却水余热为低温热源，通过热泵系统来制取55℃的生活热水，每套系统每天能制热水300t。经22个月测试平均每天实际制热水201t。

实际消耗电力折标煤105t；该系统一年四季提供的热量为2.89×109大卡；折标煤591t；实际每年节约标煤486t。

4.1.2 热泵采暖、制冷空调系统的节能情况分析

冬季主要以空压机冷却水作为热泵机组的热源，由于空压机冷却水的温度较高，因此，热泵机组的制热效率很高，能效比可达到5.3以上，夏季以海水作为热泵机组的冷源，由于海水温度远远低于大气温度，因此，热泵机组的制冷效率非常高，能效比可达到6.3以上。本公司造船区东办公生活区，冬季采暖面积为22939m2，设计热负荷为1835kW，夏季制冷空调面积为20689m2，设计冷负荷为1448kW。

（1）夏季制冷时热泵系统的运行费用情况（以海水为冷源）。2008年夏季使用空调面积为20689 m2，制冷实际消耗电量折标煤32t，平均每天费用为0.14元／m2。

（2）若用分体空调夏季制冷时的运行费用情况。分体空调在夏季时的制冷能效比平均约为2.9，最不利天气时的能效比约为2.4，按最不利情况来选配空调，当设计冷负荷为1448kW时，需要配置603kW电功率的分体空调。

分体空调耗电折标煤为60.03t；若用分体空调2008年夏季运行费用为29.31万元；平均每天费用为0.26元／m2。

（3）热泵系统与分体空调夏季制冷时的比较。2008年夏季降低运行费用为28.03万元；热泵夏季制冷空调每平方运行费用为7.56元／m2，平均每天费用为0.14元／m2。

（4）冬季采暖时热泵系统的运行费用情况（以空压机废热为主、海水为辅）。2008年11月19日至09年3月3日共计105d，其中83d用空压机废热（空压机冷却循环水）为低温热源；22d用海水为低温热源（其中8d正常运行；14d放假降低参数待机运行）。

用空压机废热为低温热源时一个采暖期（120d）的实际耗电折标煤为51.75t；用空压机废热为低温热源时，一个采暖期，采暖费为11.04元／m2；用海水为低温热源时若一个采暖期耗电折标煤为91.13 t；用海水为低温热源时，一个采暖期每平方米的采暖费为19.2元。

（5）投资费用比较。热泵系统的投资是按照30000m2的规模建设的，所以以下比较均按30000m2来计算。

热泵系统的初投资情况为热泵及辅机为306万元；系统末端风机盘管及室内管网为80元／m2，合计240万元；外管网为20万元；热泵系统总投资为566万元。

城市集中供热＋分体空调系统的初投资情况为城市集中供热配套费为室外100元／m2，室内60元／m2合计480万元。分体空调投资为按每平方50元计，合计150万元。城市集中供热＋分体空调系统总投资630万元。热泵系统比城市集中供热＋分体空调系统节约投资为64万元。

（6）运行费用比较。热泵系统中，当采用空压机废热为低温热源时，一个采暖期每平方的运行费用为11.04元，当建筑面积为30000m2时，一个采暖期的总运行费用为33.12万元。

当采用海水为低温热源时，一个采暖期每平方的运行费用为19.2元，建筑面积为30000m2时，一个采暖期的总运行费用为57.6万元。夏季制冷空调时，平均每平方米每天的运行费用为0.14元，当建筑面积为30000m2时，一个制冷期的总运行费用为42万元。

城市集中供热＋分体空调系统中城市集中供热每个采暖期120d，每平方米30.5元，当建筑面积为30000m2时，一个采暖期总的运行费用为91.5万元。分体空调夏季制冷时，每平方米每天的运行费用为0.26元，当建筑面积为30000m2时，一个制冷期的总运行费用为78万元。

热泵系统比城市集中供热＋分体空调系统每年节约运行费用中，当冬季用空压机废热、夏季用海水为低温热源时可节约运行费用为94.38万元；当冬、夏季均以海水为低温热源时可节约运行费用为69.9万元。

热泵技术成功应用于空压机冷却水余热利用，尚属新生事物，把冷却水作为低温热源，以热泵方式加温生活用水和冬季采暖，是一项值得推广的节能环保项目。值得注意的是，离心机空压机所产生的热量是有限的，采用热泵技术，为余热综合利用，解决制冷、制热（采暖、空调、生活热水）开辟了一条新的冷、热源。同时，空压机冷却水余热得到了有效利用，改善了空压机的运行工况，降低了冷却塔的电耗、水耗。

4.2 利用空压机冷却水的余热作为热源

船舶行业大量采用二氧化碳气体保护焊，液态二氧化碳汽化需要大量的热能，传统的做法是配备电加热水浴加热器，若每小时250kg汽化能力的汽化器，所配电加热功率为30kW，2008年本公司使用液态二氧化碳9750t，如果用电加热水浴式加热器汽化，需要耗电折标煤144t，耗电费70.2万元。

（1）冬季用空温式汽化器，辅助水浴式汽化器。水浴式汽化器的热水来自空压站冷却循环水，其他季节直接用空温式汽化器也可单独用水浴式汽化器。空压站冷却塔中冷却水温度全年在18～30℃，完全可以满足。

（2）直接把不锈钢盘管热交换器，放入冷却塔水池，液态二氧化碳通过盘管汽化后送入供气管道。

利用空压站冷却塔中冷却水汽化液态CO2，当年可收回投资，同时降低了电耗、水耗；又降低了冷却水温度，间接地降低了空压机的能耗，一举多得。

4.3 采用柔强红外辐射加热＋辅助天然气热风提供热源

青岛地区冬季采暖期一般需要120d，涂装间温度要求控制在15～35℃。该公司涂装间总面积为8640m2，通风量控制在160000m3／h。普通分段需要喷二度漆，每度漆需要24h，这期间分段进场整理需要2h；喷漆4h；固化18h。

根据上述具体工艺状况的要求，一般有3种加温方式可供选择，即蒸汽换热送风；天然气加热送风；柔强红外辐射加热＋辅助天然气热风。

4.3.1 蒸汽换热送风

此种方式需要用锅炉生产过热蒸汽，通过换热，对整个涂装车间送热风。以水煤浆锅炉锅炉为例，锅炉房及管网设备投资约1000万元。采暖期运行费用约460万元／年，采暖费用532元／m2·年。

（1）该方式须建一座12t／h蒸汽锅炉房，蒸汽由外管网送到涂装间，投资费用较大；由于涂装间换风量较大，约160000m3／h，所以热损失十分严重；蒸汽通过管网传输、冷凝水二次蒸发，又会到产生大量的热损失；锅炉结构复杂，辅机多，故障率高，维修费用高；分段涂装作业约为20h一个周期，锅炉必须全天候运转，待机时间浪费能源；人工费用高，如一台12t／h蒸汽锅炉，每天操作、维修工人12人次。

（2）由于水煤浆含硫量较高，在燃烧过程中必然会产生大量SOx、NOx、CO2和微量重金属等多种有毒、有害的物质，从而对环境造成污染。

4.3.2 天然气加热送风

此系统是通过天然气通过加热箱燃烧，加热空气，输送到涂装间热风系统进行加热。热风箱及外场管道设备投资约542万元；采暖期运行费用约630万元；采暖费用为730元／m2·年。

该系统较蒸汽换热送风方案，天然气加热箱结构简单，维修费用低；占地面积小；封闭燃烧、；维修方便，故障率低；自控系统完整，燃烧工况调整简单，燃料燃烧较充分，人工费用低。不足之处，运行成本较高。

4.3.3 柔强红外辐射加热＋辅助天然气热风

柔强红外辐射加热不同于常规的对流加热方式，采用的是中、低强度电磁波辐射加热方式，直接供暖对象不是采暖空间的空气而是空间内的物体。设备投资约487万元；运行费用约242万元／年；采暖费用为280元／m2·年。

目前，对于涂装间这样高大空间的建筑采暖，主要采用“送热风”供暖方式。常规的对流供暖方式中，用户端先加热空气，由于冷热空气的密度差，空间内热空气向上流动，冷空气向下流动，热空气在屋顶聚集，导致房间内温度产生严重的垂直失调，产生大量的无效耗热量。

燃气辐射供暖是利用天然气、液化石油气，在特殊的燃烧装置内燃烧而辐射出2～20m波长的红外线对待涂装的分段加热。当红外线照射到分段上后，热量被钢板吸收，少部分热量又反射出来，对物体和人体进行二次加热，因此，在较大通风的环境下热损失较少。

纯净空气是理想的透射体，不吸收辐射能。本系统的直接供暖对象是涂装间内的分段、地面、墙壁等。这些取暖目的物按照其自身的物理化学结构特点吸收并储存来自本系统的热能，然后通过其接触空气的表面向采暖空间内的空气传递热量。因此，热量基本无空气分层，高效节能、安全可靠、经济适用、均匀舒适、清洁环保，是本系统的独特之处。而且系统安装简单、自动化程度高，操作方便，经久耐用无需专人专职操作。

以上对比分析可以看出:从使用燃料到加热效果、运行成本以及环保，选用柔强辐射加辅助天然气热风系统最为实用、经济。据初步测试固化期间钢板表面温度可达22℃以上，生产效率明显提高，节能效果显著。