某电子厂余热回收与热泵节能改造方案

余荣学

(约克(中国)商贸有限公司广州分公司，广东 广州 510630 )

引言

节约能源是我国的基本国策。根据2010年7月1日起实施的《广东省节约能源条例》第四十条第一款规定，鼓励推广余热、余气、沼气、余压、垃圾、生物质能、煤矸石、油母页岩等资源综合利用发电技术。对于有热需求的工厂，其热回收和热泵应用日趋广泛，相对于锅炉、电加热等传统方式，热泵或热回收能够极大地节约能源。目前使用空调原理来制取生活热水主要包括如下几种方式：1)空气源热泵直接制取生活热水[1]。2)水源热泵在制冷的同时制取生活热水[2]。3)空调冷水机组的显热热回收[3]。4)空调冷水机组的全热热回收或部分热回收[4]。5)空调冷却水热回收[5]。

1 项目概述

此电子厂房旁边宿舍楼D1～D4的生活热水目前主要由柴油热水锅炉提供。根据现场勘查，除了D2热水箱安装在1楼外，其他3栋宿舍楼的热水箱都安装在屋面，根据客户提供的资料，宿舍楼D1～D4栋2010年12月至2011年11月热水锅炉运行成本约为919215元，其运行费用蛮可观，业主提出能否给锅炉系统进行节能改造。

基于以上的需求，考察工厂，发D1～D4四栋厂房每栋都设有中央空调冷冻站。每个系统最高负载为2台冷水机组满载，最低负载为单台冷水机组运行在65%左右。各冷冻站均配置型号为YSCACAS25CEC冷水机组3台，D1和D4栋的制冷量664kW(198RT)，输入功率135kW，蒸发器额定流量33.3l/s，冷凝器额定流量39.4l/s，满负荷工况下的额定排热量823kW；D2和D3栋的制冷量 kW(225RT)，输入功率152kW，蒸发器额定流量37.8l/s，冷凝器额定流量44.7l/s，满负荷工况下的额定排热量935kW。

目前的螺杆机组虽然运行稳定，但其运行年限有10年之多，设备的维护费用逐年增加，机组的能效也与目前的高效机组存在一定的差距，因此，建议更换成一台高效稳定的热泵机组，既能满足宿舍的热水需求，同时又可保证工厂的冷量需求，可大大节省锅炉的运行费用。

另外，D3栋屋面有一台型号为AG1490A-75的日本神钢空压机，电机输入功率75kW，准备在D3和D4栋再各安装一台同型号空压机，共3台。

从运行的空压机面板知，空压机的运行参数为：负荷率100%，排气温度81.4℃，油雾分离器后温度77.2，周围环境温度26.1℃，电机运行电流163A。由此可看出，高温的压缩空气与润滑油经油冷却器和后冷却器换热后，把热量排放到室外，若能把这部分热量进行回收，以用在生活热水上，将减少热泵机组的能耗。

基于以上初步分析，对锅炉系统的改造，提出改造措施：(1)加设空压机热回收系统；(2)1台YS冷水机组更换为YEWS210-HP热泵机组。

2 节能改造措施

1.1 采用热泵热回收技术

此项目选择在D3栋屋面，把其中一台YSDACAS25CEC的螺杆机，更换成YEWS210-HP热泵机组。热泵机组性能参数如表1：

表1 YEWS210-HP热泵机组参数

制冷工况制冷量输入功率蒸发器侧冷凝器侧TonkWkW进水温度(℃)出水温度(℃)水流量(l/s)进水温度(℃)出水温度(℃)水流量(l/s)18966413412.07.031.832.037.038.2制热工况制热量输入功率蒸发器侧冷凝器侧TonkWkW进水温度(℃)出水温度(℃)水流量(l/s)进水温度(℃)出水温度(℃)水流量(l/s)19869620310.07.038.250.055.031.8

1.2 空压机热回收

空压机的电机输入功率一部分机械能转化为空气的势能外，其他都转为热量散发出去，喷油螺杆压缩机的输入功率大约有94%(大部分轴功率)作为热量通过冷却器带走，散耗在环境中。冷却器又分空气冷却器和油冷却器。根据相应的技术资料，油冷却器带走大约总散热量45%～55%的热量。

以此项目一台75kW热泵机组为例，其冷却油路可供回收的热量大约有75×50%=37.5kW。则3台空压机的热回收量为37.5×3=112.5kW。

3 经济性分析

据了解，D1栋的冷水机组开机时间较少，D2～D4栋冷水机组的运行情况大致如表3所示：

表3 B2～B4栋冷水机组的运行情况

月份开机数量(台)平均负荷(%)运行时间(月)12^2150%33^5180%26^9275%410^11180%2

而在12月～2月份，主机只开1台，负荷率在50%左右，B3栋的主机的额定制冷量为225RT，负荷率50%时的制冷量为112.5RT。因此我司选择更换一台热泵机组YEWS210-HP，在制热工况下，其制冷量为493kW，足够使用。

工厂宿舍共4栋，以6500人计算。由于人员数量多，每天需要大量的55℃生活热水，而宿舍区每栋共7层，每层设置4个定点桶接水，按照《给排水设计标准》[6]，以宿舍类型IV，淋浴每人取45L计算，每天宿舍需要292.5m3的热水供给，此工厂为两班制，每班使用3个小时，则平均每小时热水使用量为48.75m3。

综上所述，其余热利用的原理图如图1。

虚线内为客户可选的改造内容，因为考虑到目前现在B3、B4栋各自独立的空调系统，正施工连通成一个大系统，而最热天B3、B4栋每栋最多运行2台主机，在75%的负荷下运行，因此在B3栋更换一台YS螺杆机组为YEWS210-HP后，还有5台YS螺杆机足够使用，1台作为备用，4台作为夏天最热天使用，所以本方案不考虑增加虚线内容的改造，作为客户可选备项。

其控制原理如下：

(1)当热泵机组在制热模式时，阀门V1关闭，阀门V2、V3打开，通过回收热泵机组与空压机的热量，把冷水加热到55℃，循环水箱蓄满时，开启热水供水泵，把55℃的热水，输送到4栋宿舍楼的蓄水箱里；

(2)当热泵机组在制冷模式时，阀门V2、V3关闭，阀门V1开启，冷却泵把冷却水通过板式换热器，把热泵机组的热量带走，最后通过冷却塔进行冷却；

(3)原有的热水锅炉系统保持不变，以作为备用。

另外，根据客户提供的D1～D4栋2010年12月～2011年11月宿舍热水炉柴油使用情況看，5月～10月份柴油的总使用量约为其他月份柴油的总使用量的一半，说明5月～10月的热水使用量可看做约为其他月份的一半。11月～4月和5月～10月空压机与热泵机组的热回收分析见图2和图3。

图1 余热利用原理图

图2 11月～4月空压机与热泵机组的热回收分析

图3 5月～10月空压机与热泵机组的热回收分析

从图2可知，热泵机组YEWS-HP与空压机的热回收，每小时可产水约为17.38m3/h，因此在B3栋屋面设定一个20m3的水箱作为缓冲，为了系统的经济性运行，由于空压机热量是免费的，所以24小时不间断回收，蓄的热水尽量一天用完，目的尽量烧开热泵机组，由凌晨12点热泵机组开始产热水，直到下午16：30点停止热泵机组，只回收空压机余热，一天可产热水量约为292.514m3，而4栋宿舍的总需求为292.5m3，因此热泵机组加空压机的热回收满足要求。

从图3可知，热泵机组YEWS-HP与空压机的热回收，每小时可产水约为16.631m3/h，为了系统的经济性运行，由凌晨12点热泵机组开始产热水，到早上6：30热泵机组可停止制热，一天可产热水量约为146.259m3，而4栋宿舍的总需求为146.25m3，因此热泵机组加空压机的热回收满足要求。

根据客户提供的资料，宿舍楼D1～D4栋2010年12月至2011年11月热水锅炉运行成本如表4：

表4 热水锅炉运行成本

月份1212345柴油用量(升)19317127821235220890154357267当月均价(升)6.596.786.746.747.237.39实际金额(元)127299.0386661.9683252.48140798.6111595.153703.13月份67891011柴油用量(升)6502367034413136966218202当月均价(升)7.216.996.877.017.117.09实际金额(元)46879.4225653.323639.6721983.3668696.82129052.2

因此宿舍楼一年的运行成本大概为919215元。

热泵机组在制热工况下的功率为203kW，改造前YS螺杆机的功率为152kW，热泵机组一年的耗电量比YS螺杆机多出耗电量为：

(203-152)×16.5×30×6+(203-152)×6.5×30×6=211140kW

按照东莞大工业用电0.66元/kWh，则热泵机组比YS螺杆机多出的运行费用为：

211140×0.66=139352.4元

则热回收改造后，每年节约的费用约为：

919215-139352.4=779862.6元

系统改造的初投资见表5。：

表5 系统改造初投资

序号设备名称技术参数参数数值单位单位数量配电功率(kW)单台合计1热泵机组制冷量664kW制热量696kW台11411412252252空压机热回收设备换热量75kW台33控制系统套14热泵机组热水循环泵变频柜项15工程安装项16合计1276986.5元

因此，热回收改造的回收期约为：

1276986.5/779862.6=1.64年

4 结论

通过上述分析，可以得到如下结论：

(1)本项目通过利用热泵机组与空压机余热回收，大大节省了原燃油锅炉的年运行费用，每年大概可节省约80万元；

(2)其整个项目的改造总投资约为127.7万元，投资回收期为1.64年，效益非常可观。