某大型铝型材氧化铝车间工艺冷却水蓄冷可行性探讨

2015-12-15徐新恒季曙明王帅陈锋

资源节约与环保 2015年1期

关键词：供冷铝型材制冷机

徐新恒季曙明王帅陈锋

（上海安悦节能技术有限公司上海 200083）

某大型铝型材氧化铝车间工艺冷却水蓄冷可行性探讨

徐新恒季曙明王帅陈锋

（上海安悦节能技术有限公司上海 200083）

介绍了某大型铝型材氧化铝车间工艺冷却水蓄冷系统设计，利用氧化车间的冰机夜间进行蓄冷，白天优先利用蓄冷罐进行放冷。本系统年节约运行费用89.36万元，节能率达28%。本系统采用合同能源管理模式（EMC），由安悦公司全额投资，业主无任何风险，此种模式可以在铝型材行业的水蓄冷项目中大量复制。

铝型材；氧化车间；水蓄冷；合同能源管理

铝型材的氧化工艺和着色工艺需要使氧化槽和着色槽分别保持在18～22℃和19～21℃，温度过高或过低都会影响氧化膜的形成和产品着色的质量。生产中保持水池的恒温需要巨大的能源支持，特别是在南方城市，需要常年运行制冷机提供冷水为氧化槽和着色槽降温。铝型材相对于其他行业产品差异化程度较小，因此成本竞争在未来仍然是市场竞争的关键因素，降低产品在生产过程中的能源消耗，提高产品的竞争能力成为制造商越来越关心的问题。

1 项目背景

某大型铝型材厂位于佛山三水区，拥有先进的挤压生产线30多条、卧式氧化生产线2条、立式氧化生产线2条，铝型材年产规模达20×104t。由于其氧化工艺需要使氧化槽保持在18℃～22℃，故每条生产线都配备了冰机提供冷冻水为槽液冷却。本方案主要考虑对其卧式氧化生产线进行节能改造，该卧式氧化生产线配置3台额定制冷量为2238.6kW的冰水机组提供冷冻水对氧化槽进行冷却，2011年～2013年，年均用电350×104kW·h。

本方案旨在采用水蓄冷技术，晚上谷电用制冷机制冷蓄冷，白天峰电时段释冷供冷，有效利用峰谷电价差的政策，减少制冷机能耗的用电费用，进而减少生产成本。原系统设备配置情况：

1.1 冰机

1.2 水泵

1.3 冷却塔

1.4 板式换热器

目前，该系统由操作人员观察氧化槽水温是否满足18℃～22℃或回水温度是否高于16℃，手动开启或关闭制冷机，调节制冷机开启数量，从而达到控制目的。根据实测数据，该系统制冷负荷稳定，5～8月气温较高时一般开启1台制冷机满负荷运行，另外1台补充不足冷量，其它月份一般1台制冷机满负荷运行。

2 方案设计

水蓄冷，即就是在电力负荷低的时候（通常是夜间），用制冷机将冷量以冷水的形式储存起来，在电力高峰期，不开或少开制冷机，充分利用谷电时段储存的冷量进行供冷，从而达到电力移峰填谷的目的。同时，由于峰谷电价差价较大，可较大程度地节约制冷机组运行费用，降低企业运营成本。

下表为佛山市工业峰谷电价及时段表，

其基本工作原理是利用水在不同的温度下密度不同的特性，通过特殊设计的上下布水器将温水与冷冻水利用斜温层分隔开来，从而达到夜间蓄冷白天放冷的目的。评价水蓄冷系统的优劣主要看斜温层的厚度与分布。斜温层分布越稳定，厚度越小，说明水蓄冷效果越好。

本系统根据制冷主机情况蓄冷温度按照6℃，放冷完成温度为16℃设计，采用边蓄冷边供冷的方式，夜间谷电时间将3台冰机全部开启，综合考虑氧化车间能量实际需求、冰机用电数据及罐子的最大利用率，罐体蓄冷量按1.5台额定制冷量为2238.6kW的冰水主机进行夜间8h蓄冷计算，即蓄冷量为2238.6kW×1.5× 8h=26863kW·h。

蓄冷水槽体积可按下式计算：

式中：ρ——蓄冷水的密度，取1000kg／m3；

Cp——冷水的比热容，取4.187kJ／（kg·℃）；

Qst——蓄冷量，kW·h；

Δt——释冷回水温度与蓄冷进水温度间的温度差，本项目取10℃；

FOM——蓄冷水槽的完善度，考虑混合和斜温层等因数的影响，一般取85%～90%；

αv——蓄冷水槽的体积利用率，考虑配水器的布置和蓄冷水槽内其它不可用空间等的影响，一般取95%；

V——水蓄冷槽的体积（m3）。

计算得V=2701m3，根据场地情况，罐体直径初步选定为D=16m，总高度H=16.5m左右（含穹顶），蓄水体积约3000m3，水罐尺寸可以根据现场情况进行调整。

综上所述，水蓄冷罐具体参数为（可根据实际情况调整）：

（1）罐体直径：16m；罐体高度：16.5m（含罐顶附属设施约为16.5m）；

（2）罐体采用钢制立式圆罐，主要材质Q235B；

（3）罐体个数：1。

3 系统稳定性分析

水蓄冷系统是氧化槽生产线冷却系统的配套节能系统，该系统是否影响生产的正常运行是业主及生产工艺人员关注的首要问题，如何设计一个节能且稳定的水蓄冷系统就显得至关重要。

首先，本方案根据原系统的特点进行针对性设计，在原系统流程没有改变的情况下增加一套蓄冷罐装置，该装置为机械设备（可认为是一个常压容器），无任何运动部件，不会因运行过程的磨损而损坏，因此其维修率极低。

本方案增加的蓄冷系统是利用原系统中的制冷机组进行蓄冷，对原制冷机本身无任何改动，同时蓄冷罐还可以作为系统备用冷源，增加系统的可靠性。新增的蓄冷系统本身可视为“蓄能器”，储存谷电时段的能量，白天释放，“蓄能器”提高系统的稳定性和可靠性，对原系统本身并无影响。

为了提高系统的技术含量和操作的便利性，蓄冷系统同时配置一套控制系统，控制系统以PLC为控制核心，该蓄冷控制系统已经过众多项目的验证，具有非常成熟的控制逻辑和较高的稳定性。控制系统采用分级权限设置，并可根据需求，进行本地控制、集中控制和远程控制等模式调整。因此，控制系统具有非常高的稳定性。

图1 水蓄冷系统图

4 系统配置与运行

本系统采用边蓄冷边供冷的方式，系统图如图1所示，系统共设置了4种运行模式，（1）夜间边蓄边供模式；（2）主机单独供冷模式；（3）水槽单独放冷模式；（4）冰机蓄冷模式，可以根据实际需要对电动阀进行切换（见“不同工况下电动阀状态表”），达到改变运行模式的目的。

根据系统的特点，该水蓄冷的控制系统分为三级控制：本地控制、上位机控制和远程控制。每层控制根据不同权限设置密码，根据不同层级具有查看、操作、设置的权限。本地控制是设备操作员根据情况手动对各设备进行开启、关闭和调节，系统具有连锁功能，只有在确保安全的情况下才能操作相应的设备；上位机控制能够根据需要实现一键启停，或根据需要设置分时间段自动启停，调节不同的工况模式，能够自动报警、自动根据运行参数对系统进行调节；远程控制是上位机控制的升级版本，只要授予权限，可以在任意具有互联网的位置查看设备运行状况，也可以对其进行操作，但是为了系统安全期间，一般只开放查看功能；在业主特殊要求的情况下，可通过gprs网络，对设备的运行数据和故障采用短信的形式发送到手机上，以确保第一时间发现问题，解决问题。