大型工业用热泵机组节能改造分析

2021-05-26温素珍金阿龙周德强金贤松

中国新技术新产品 2021年5期

关键词：热泵高温机组

袁杰温素珍金阿龙周德强金贤松

（浙江青风环境股份有限公司，浙江丽水 323000）

0 引言

从节能设备方面来看，具有较高节能效率的就是热泵，为了实现热源由低位向高位的转变，需要采用反向循环的方式，使能源的质量以及使用的效率在很大程度上得到提升。目前，该技术已逐渐成熟，使用过程安全可靠，可以广泛的地用于工业生产中。

1 工业热泵系统

最初在采暖的过程中，工艺车间是利用中央空调和蒸气锅炉系统进行的，能源的消耗量较大，通过燃煤提供一次性能源，同时采用冷冻水释放大气的热量。冷却水过程可以吸收热量，冷却剂产生冷却水，然后使用热交换器提高温度，最后使用冷却塔将热量释放到大气中[1]。软化至室温的水应先用蒸汽预热，然后经除氧器脱氧后再进入锅炉。但是，这种能源使用结构是不合理的。一方面释放热量，另一方面需要热量。工艺冷却水在热交换中失去了更多的冷量，这大大降低了系统的能效比，并造成大量的能量损失。

该文建议使用工业热泵系统进行热传递，在回收和生产过程中会排放一定量的废热。必须预热软化水的温度，然后将其排放到除氧器中。工业热泵系统中的热源水是工艺冷却水。该热泵机组可以提高锅炉水位以及锅炉水温，并在冷却过程完成后回收热量，从而减少了燃煤炉的需求，达到了节能的目的。改造后的工业热泵系统利用机组释放的热量进行回收，可以减少蒸汽消耗，节省煤炭消耗并有效利用能源。同时，工艺冷却水可以直接进入热泵工业装置的蒸发器中，从而提高装置的能效，并节省热交换和中间循环水泵，以减少工业热泵系统的能耗。

2 研究背景及意义

十九大报告指出：“壮大节能环保产业、清洁生产产业、清洁能源产业。推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”[2]。由于目前我国的经济在持续发展，资源消耗量过大也是最为重要的1个因素，缺少合理的能源利用模式，从而增加了对环境的影响，能耗与排放量的增加，在很大程度上给环境带来了巨大的影响，不利于环境的健康发展，同时，对我国的经济水平也具有重要的影响。

“十三五”纲要中对碳排放有明确的规定。截至2030年，碳排放量要降低至65%以下。为此，为了确保环境可以实现可持续发展，实现经济的绿色增长，需要将能源、经济、环境3个方面结合起来。

鉴于我国能源利用的事实和环境问题与能源消费过程的关系，除了开发利用新能源外，节能将是缓解或解决这2个大问题的必然选择。节能不仅要求对能源总量进行有效利用，而且要降低用能过程中的不可逆性。据统计，我国有接近50%的工业能耗没有被利用，而是以各种形式将余热直接排放掉，我国余热资源平均回收利用率落后于国际先进水平近20%[3]。

特高温热泵机组技术是从质的角度开发节能降耗技术，减少对煤炭等燃料能源的消耗，缓解能源短缺问题。传统的冷水与热泵机组多用于中央空调市场、煤改电等，目前国内外的研究工作主要在日常生活领域的小型或中型冷水与热泵机组[4]。但是工业领域由于需要工艺要求较高，以铜铝箔行业为例，其反应加热温度一般＞100 ℃，目前可利用的100 ℃以上的加压热水或蒸汽主要是依靠锅炉加热水生成的，无论使用哪种燃料（石油、燃气，煤等），能源利用效率都比较低，而且还存在大气污染的问题。而工业领域用高温热泵机组是1种节能环保产品，节能潜力巨大。

特高温热泵机组在冷链物流市场设备、铜铝箔、炼钢和表面处理等行业应用前景广泛，目前工业行业内对特高温热泵机组的能效要求越来越高，节能减排势在必行，高效节能环保是各大冷水机组与热泵机组厂家追求的目标，高能耗的大型工业用冷水机组会逐渐被市场淘汰，同时突破特高温下的热泵机组节能设计关键技术有助于提高产品市场竞争力，扩大新市场的竞争力。因此，大型工业用冷水（热泵）深度节能改造研发及应用具有重要战略意义。

3 高温热泵关键技术及主要创新点

3.1 研究开发内容

用于铝箔行业废热回收制取100 ℃以上高温加压热水，废热源温度为60 ℃～70 ℃，冷冻介质：废热水。

3.2 关键技术

关键技术包括以下4点：1）采用KF-05环保制冷剂，蒸发器废热源进水70 ℃，出水65 ℃，冷凝器侧90 ℃回水，95 ℃出水，最高出水温度为110 ℃，机组制热量约为800 kW，制热COP5.0。2）机组采用混合降膜蒸发器，能很好地解决高温热泵满液式系统抛油后的回油难题，运行更加安全可靠。3）机组采用带独立过冷的多流程防腐冷凝器，有利于高温气态冷媒全部液化，保证底部过冷。4）系统和经济器节流机构采用自主研发的特高温智能节流阀与液位传感器结合精确控制制冷剂流量。机组采用三级分油机构，油分、储油、油冷进行集成，两级油位保护，使压缩机运行更加安全可靠：特高温下的热泵机组的结构设计技术与防腐设计实现是技术关键与难点。通过关键传热元件的结构和加工工艺强化设计，提高了换热传热效率。机组采用三级分油机构，对油分、储油、油冷进行集成，建立两级油位保护，使特高温下的压缩机运行更加安全可靠。采用混合降膜蒸发器解决了特高温热泵系统抛油后回油的难题，采用带独立过冷的多流程防腐冷凝器与耐腐蚀材料喷涂工艺，在增加抗腐蚀性的同时有利于高温气态冷媒全部液化，保证底部过冷。采用无级调节，其出水温度可以恒定在很小的波动范围。闭式加压热水循环系统保障热水侧流量温度不汽化成蒸汽。

3.3 高温热泵主要创新要点

高温热泵主要的应用原理是蒸发器中的制冷剂从低温冷水侧的热源蒸发并吸收能量，并通过压缩机将其转化为高温制冷剂，然后制冷剂利用冷凝器，在热水中释放出大量的热量，从而达到给热水加温的目的，如图1所示。

图1 高温热泵主要的应用原理

3.3.1 节能环保效益显著

众所周知，我国是能耗大国，在工业制造上所消耗的能源巨大，而高温热泵的面世与应用，不仅能减少能耗，而且可以使整个热泵领域迈上新的台阶，特别是第三代降膜防腐热泵锅炉的发明（如图2所示），其可以将18 ℃～22 ℃的低品位废热资源回收到氧化槽，制出65 ℃～90 ℃热水，用于热水洗75 ℃，酸蚀槽45 ℃，中温封孔温度为60 ℃，碱蚀槽50 ℃加温等领域，不仅节约能源，而且节能环保效益显著。

3.3.2 提高能量利用率

该公司（浙江青风环境股份有限公司）研制的超高温热泵机，与普通的小型涡旋机相比，超高温热泵机直接采用意大利柯茂螺杆压缩机，不仅具有单台制冷大、运行稳定、故障率低等优点，而且换热器采用高效防腐壳管式，安装简单、拆洗方便。槽液直接进入机组，达到直接冷却的效果，可以在很大程度上提高能量利用率。超高温热泵机与小型涡旋机对比优缺点见表1。

表1 超高温热泵相较小型涡旋机的优点

4 项目预期目标

4.1 主要技术性能指标

该项目完成后可将大型工业用热泵机组制热性能出水温度为110 ℃，制热COP≥ 5.0。热泵机组与以前的燃气锅炉相比，可节能60%，CO2排放量削减了约70%，运营成本降低25%左右，产品升级周期缩短30%以上。

4.2 项目应达到的主要经济指标

项目实施后可实现年增产值1000万元，年增利润600万元，年增税金100万元。大型工业用冷水机组与冷水机组在冷链物流市场设备、铜铝箔、炼钢以及表面处理等行业应用前景广泛，对机组的能效、工艺要求越来越高。

4.3 产业化前景

该项目产品技术成熟，设备配套齐全，原材料供应有保证，质量控制措施有效可行，产品市场巨大，人力资源充沛，已经具备成熟的投产条件，可以进行批量化生产。产品经多家客户试用，反应良好。因此，在公司的发展中使用该产品可以有效提高公司的经济效益。

5 高温热泵的经济、社会效益分析

目前，我国能源消耗巨大，但是并没有得到广泛的应用，从相关研究数据看出，在我国的工业中，有接近50%以上的能耗没有得到合理的利用，而是以各种形式的把余热直接排放掉。特高温热泵技术技术是从质的角度开发节能降耗技术，在进一步降低能源消耗的同时，还可以针对能源紧缺的问题进行解决。特高温热泵技术机组又属于高耗能产业，实现其深度节能改造对节能减排、增强企业市场竞争力有重要的意义。将能量阶梯技术应用在特高温的热泵机组中，基于循环-工质-系统三维度协同节能改造设计，适用于多功能变工况复杂环境，降低能耗的同时有助于保护环境。特高温下的热泵机组节能设计关键技术是推动产品在节能领域中广泛应用的重要基础。

图2 第三代降膜防腐热泵锅炉

大型工业用冷水机组与热泵机组在冷链物流市场设备、铜铝箔、炼钢、表面处理等行业应用前景广泛，对机组的能效、工艺要求越来越高。结合数字孪生技术的大型工业用冷水机组与热泵机组集成设计与制造，全工况能耗仿真及综合性能测试平台开发，以及基于大数据的在线测量运维技术使传统制造企业实现生产的透明化，实时显示生产状态的信息、实时在线放映生产状态报告、统一分析管理工具、对生产过程的每个环节进行有效地监控。有效解决传统制造企业分散、信息孤岛等问题，形成统一的数据标准，实现多IT系统的平台集成，以及更有深度的节能改造。

6 高温热泵在工业中的应用

6.1 海水淡化

海水淡化主要利用海水冷冻，电渗析和蒸馏。这些方法消耗大量的热或电。例如，蒸馏的成本相对较高，设备系统更复杂，并且需要能量来加热海水。这些技术的能耗较高，将加剧全球温室效应和环境污染。人们需要开发新的海水淡化技术，进一步提高能源的利用效率，降低运营的成本，减少污染。为了降低海水淡化系统的能源利用率可以有效利用热泵海水淡化技术，同时还可以降低系统的运行成本。热泵机械热泵脱盐技术可以将海水温度直接加热到至少80 ℃。与海水脱盐技术相比，它可以节省大量能源和运营成本，而不会造成污染环境。当前，高温热泵技术可以广泛用于海水淡化，以提高能源效率并减轻淡水源的缺乏。

6.2 电厂废热

通常来说，大型发电厂的热效率只有40%，会导致环境中出现了大量的热量。目前，在冷却的过程中，结合冷却水进行循环，使电厂在大气中释放出一定的热量，会在很大程度上造成大气的污染，热源的消耗也较为严重。发电厂必须充分利用这部分热量，并将其应用于热水系统和供暖系统，同时使电厂的综合热能利用效率得到提升，产生一定的经济效益。在热泵低热源的供暖期间，发电厂使用循环冷却水将循环水和水泵连接起来。一旦插入热交换器，它就会从水泵升起并进入冷却水池和冷凝器循环水入口冷却管。

6.3 污水废热

目前，由于居民的生活水平越来越高，城市所产生的废水量也逐步增加，与此同时，污水处理厂的数量也在增加。在污水处理厂中不仅有较多的水资源种类，而且经过处理后，对水质也有较高的要求。应合理利用废水源热泵空调，其具有多种特电，如结构简单、安装方便和热交换效率高等。由于目前机房和热泵系统的出水口必须紧密相连，当距离过长时，需要在地下埋置循环水管道，这可能会造成额外的损失。这种类型的热泵适用于中小型废水处理厂和附近的住宅供热系统。

利用污水泵对污水进行传输至热泵系统蒸发器中，最后将低温热源转换为高温，污水通过排水管排出。在对自来水进行加热的过程中有效的利用冷凝器，以满足用户的需求。此外，工业企业可以使用高温水源热泵技术来回收热量，而不需要使用冷却系统，并且可以获得用于处理生产线的高温热水。根据运行中的实际效果对电费进行综合考虑，企业可以综合利用高温水源热泵和储热水箱，以确保节能效果，节省运行成本。