北方地區船廠節能減排能源綜合利用探討

徐林

（青島北海船舶重工有限責任公司，山東 青島 266000）

1 引言

貫徹落實科學發展觀，實現國民經濟的可持續發展以及人和自然的和諧發展，通過節能減排，減少環境污染，是企業發展的必由之路。船舶行業有其明顯的自身特點，青島北海船舶重工有限責任公司采用國內外先進的技術，綜合利用能源取代鍋爐解決船廠的冬季采暖和四季洗浴用熱，同時利用海水資源解決夏季空調等，取得了可喜的節能減排效果。本文結合公司的技改實踐就船舶行業的節能減排，減少環境污染的有效途徑進行了探討。

2 船廠的共同特點

船舶行業大部分都在海邊，有豐富的海水資源。造修船需要大量的壓縮空氣，都配備了大型的空壓站，空壓機的循環冷卻水有較高的余熱可以再利用。船舶行業需要使用大量的各種工業氣體。液態二氧化碳、液態氧在汽化過程中需要吸收大量的熱。廠區占地面積大、辦公生活區域相對分散。造船行業都有大型的涂裝工場，冬季北方地區的涂裝間都需要加溫，涂裝間需要大量通風，熱量損失嚴重，冬季加溫跟不上，嚴重影響生產的進度，成了冬季涂裝完工的瓶頸。在生產生活中需要消耗大量的能源（熱源），包括涂裝工場冬季生產需要大量用熱；高大機加工廠房采暖用熱；高大船體制造廠房單個設備或局部用熱；鋼板預處理線加溫用熱；金屬切割和熱加工；液態二氧化碳系統加溫。人員密集，需要每天清潔洗浴，生活用熱水需求量大。辦公生活區域采暖、四季洗浴生活熱水，夏季空調等都需要大量的能源。

根據工廠的生產生活特點，合理供應能源，努力減少浪費，充分利用、重復利用資源使能源的利用最大化，在建廠和工廠生產過程中，應進行了充分的論證選擇合理的設施配置，對可利用的資源進行有效地技術改進，加以充分利用。

3 各船廠能源利用現狀

采暖洗浴用熱使用鍋爐，夏季制冷采用分體空調。涂裝用熱采用鍋爐產生高溫蒸汽轉換成熱風送入涂裝間。高大機加工廠房采暖用熱采用散熱器加熱風機。高大船體制造廠房單個設備或局部用熱無法解決。液態二氧化碳轉換為氣態二氧化碳多采用電加熱。切割氣多采用高污染的乙炔氣或比重大于空氣的丙烷丙烯類混合氣低洼艙室作業存在安全隱患。鋼板預處理線加溫一般采用蒸汽加溫。

4 解決方案

4.1 運用熱泵技術解決生活用熱

空壓機的循環冷卻水有較高的余熱。青島北海船舶重工有限責任公司2006年開始采用以空壓機廢熱（空壓機循環冷卻水）作為低溫熱源的熱泵系統來制取生活熱水，同時還用于辦公樓的冬季采暖。以海水作為低溫熱源的熱泵系統在夏季用于辦公樓的制冷空調，同時海水還作為冬季采暖的備用熱源（當空壓機在春節期間停止運行時以海水作為熱泵系統的低溫熱源）。

該公司現有二套熱泵系統。其中一套制取生活熱水的熱泵系統，每天可提供55℃的生活熱水300t。另一套用于辦公樓冬季采暖、夏季制冷空調的熱泵系統，為22939m2的建筑提供冬季采暖、夏季空調。

4.1.1 制生活熱水熱泵系統的節能情況分析

以空壓機循環冷卻水余熱為低溫熱源，通過熱泵系統來制取55℃的生活熱水，每套系統每天能制熱水300t。經22個月測試平均每天實際制熱水201t。

實際消耗電力折標煤105t；該系統一年四季提供的熱量為2.89×109大卡；折標煤591t；實際每年節約標煤486t。

4.1.2 熱泵采暖、制冷空調系統的節能情況分析

冬季主要以空壓機冷卻水作為熱泵機組的熱源，由于空壓機冷卻水的溫度較高，因此，熱泵機組的制熱效率很高，能效比可達到5.3以上，夏季以海水作為熱泵機組的冷源，由于海水溫度遠遠低于大氣溫度，因此，熱泵機組的制冷效率非常高，能效比可達到6.3以上。本公司造船區東辦公生活區，冬季采暖面積為22939m2，設計熱負荷為1835kW，夏季制冷空調面積為20689m2，設計冷負荷為1448kW。

（1）夏季制冷時熱泵系統的運行費用情況（以海水為冷源）。2008年夏季使用空調面積為20689 m2，制冷實際消耗電量 折標煤32t，平均每天費用為0.14元／m2。

（2）若用分體空調夏季制冷時的運行費用情況。分體空調在夏季時的制冷能效比平均約為2.9，最不利天氣時的能效比約為2.4，按最不利情況來選配空調，當設計冷負荷為1448kW時，需要配置603kW電功率的分體空調。

分體空調耗電折標煤為60.03t；若用分體空調2008年夏季運行費用為29.31萬元；平均每天費用為0.26元／m2。

（3）熱泵系統與分體空調夏季制冷時的比較。2008年夏季降低運行費用為28.03萬元；熱泵夏季制冷空調每平方運行費用為7.56元／m2，平均每天費用為0.14元／m2。

（4）冬季采暖時熱泵系統的運行費用情況（以空壓機廢熱為主、海水為輔）。2008年11月19日至09年3月3日共計105d，其中83d用空壓機廢熱（空壓機冷卻循環水）為低溫熱源；22d用海水為低溫熱源（其中8d正常運行；14d放假降低參數待機運行）。

用空壓機廢熱為低溫熱源時一個采暖期（120d）的實際耗電折標煤為51.75t；用空壓機廢熱為低溫熱源時，一個采暖期，采暖費為11.04元／m2；用海水為低溫熱源時若一個采暖期耗電折標煤為91.13 t；用海水為低溫熱源時，一個采暖期每平方米的采暖費為19.2元。

（5）投資費用比較。熱泵系統的投資是按照30000m2的規模建設的，所以以下比較均按30000m2來計算。

熱泵系統的初投資情況為熱泵及輔機為306萬元；系統末端風機盤管及室內管網為80元／m2，合計240萬元；外管網為20萬元；熱泵系統總投資為566萬元。

城市集中供熱＋分體空調系統的初投資情況為城市集中供熱配套費為室外100元／m2，室內60元／m2合計480萬元。分體空調投資為按每平方50元計，合計150萬元。城市集中供熱＋分體空調系統總投資630萬元。熱泵系統比城市集中供熱＋分體空調系統節約投資為64萬元。

（6）運行費用比較。熱泵系統中，當采用空壓機廢熱為低溫熱源時，一個采暖期每平方的運行費用為11.04元，當建筑面積為30000m2時，一個采暖期的總運行費用為33.12萬元。

當采用海水為低溫熱源時，一個采暖期每平方的運行費用為19.2元，建筑面積為30000m2時，一個采暖期的總運行費用為57.6萬元。夏季制冷空調時，平均每平方米每天的運行費用為0.14元，當建筑面積為30000m2時，一個制冷期的總運行費用為42萬元。

城市集中供熱＋分體空調系統中城市集中供熱每個采暖期120d，每平方米30.5元，當建筑面積為30000m2時，一個采暖期總的運行費用為91.5萬元。分體空調夏季制冷時，每平方米每天的運行費用為0.26元，當建筑面積為30000m2時，一個制冷期的總運行費用為78萬元。

熱泵系統比城市集中供熱＋分體空調系統每年節約運行費用中，當冬季用空壓機廢熱、夏季用海水為低溫熱源時可節約運行費用為94.38萬元；當冬、夏季均以海水為低溫熱源時可節約運行費用為69.9萬元。

熱泵技術成功應用于空壓機冷卻水余熱利用，尚屬新生事物，把冷卻水作為低溫熱源，以熱泵方式加溫生活用水和冬季采暖，是一項值得推廣的節能環保項目。值得注意的是，離心機空壓機所產生的熱量是有限的，采用熱泵技術，為余熱綜合利用，解決制冷、制熱（采暖、空調、生活熱水）開辟了一條新的冷、熱源。同時，空壓機冷卻水余熱得到了有效利用，改善了空壓機的運行工況，降低了冷卻塔的電耗、水耗。

4.2 利用空壓機冷卻水的余熱作為熱源

船舶行業大量采用二氧化碳氣體保護焊，液態二氧化碳汽化需要大量的熱能，傳統的做法是配備電加熱水浴加熱器，若每小時250kg汽化能力的汽化器，所配電加熱功率為30kW，2008年本公司使用液態二氧化碳9750t，如果用電加熱水浴式加熱器汽化，需要耗電折標煤144t，耗電費70.2萬元。

（1）冬季用空溫式汽化器，輔助水浴式汽化器。水浴式汽化器的熱水來自空壓站冷卻循環水，其他季節直接用空溫式汽化器也可單獨用水浴式汽化器。空壓站冷卻塔中冷卻水溫度全年在18～30℃，完全可以滿足。

（2）直接把不銹鋼盤管熱交換器，放入冷卻塔水池，液態二氧化碳通過盤管汽化后送入供氣管道。

利用空壓站冷卻塔中冷卻水汽化液態CO2，當年可收回投資，同時降低了電耗、水耗；又降低了冷卻水溫度，間接地降低了空壓機的能耗，一舉多得。

4.3 采用柔強紅外輻射加熱＋輔助天然氣熱風提供熱源

青島地區冬季采暖期一般需要120d，涂裝間溫度要求控制在15～35℃。該公司涂裝間總面積為8640m2，通風量控制在160000m3／h。普通分段需要噴二度漆，每度漆需要24h，這期間分段進場整理需要2h；噴漆4h；固化18h。

根據上述具體工藝狀況的要求，一般有3種加溫方式可供選擇，即蒸汽換熱送風；天然氣加熱送風；柔強紅外輻射加熱＋輔助天然氣熱風。

4.3.1 蒸汽換熱送風

此種方式需要用鍋爐生產過熱蒸汽，通過換熱，對整個涂裝車間送熱風。以水煤漿鍋爐鍋爐為例，鍋爐房及管網設備投資約1000萬元。采暖期運行費用約460萬元／年，采暖費用532元／m2·年。

（1）該方式須建一座12t／h蒸汽鍋爐房，蒸汽由外管網送到涂裝間，投資費用較大；由于涂裝間換風量較大，約160000m3／h，所以熱損失十分嚴重；蒸汽通過管網傳輸、冷凝水二次蒸發，又會到產生大量的熱損失；鍋爐結構復雜，輔機多，故障率高，維修費用高；分段涂裝作業約為20h一個周期，鍋爐必須全天候運轉，待機時間浪費能源；人工費用高，如一臺12t／h蒸汽鍋爐，每天操作、維修工人12人次。

（2）由于水煤漿含硫量較高，在燃燒過程中必然會產生大量SOx、NOx、CO2和微量重金屬等多種有毒、有害的物質，從而對環境造成污染。

4.3.2 天然氣加熱送風

此系統是通過天然氣通過加熱箱燃燒，加熱空氣，輸送到涂裝間熱風系統進行加熱。熱風箱及外場管道設備投資約542萬元；采暖期運行費用約630萬元；采暖費用為730元／m2·年。

該系統較蒸汽換熱送風方案，天然氣加熱箱結構簡單，維修費用低；占地面積小；封閉燃燒、；維修方便，故障率低；自控系統完整，燃燒工況調整簡單，燃料燃燒較充分，人工費用低。不足之處，運行成本較高。

4.3.3 柔強紅外輻射加熱＋輔助天然氣熱風

柔強紅外輻射加熱不同于常規的對流加熱方式，采用的是中、低強度電磁波輻射加熱方式，直接供暖對象不是采暖空間的空氣而是空間內的物體。設備投資約487萬元；運行費用約242萬元／年；采暖費用為280元／m2·年。

目前，對于涂裝間這樣高大空間的建筑采暖，主要采用“送熱風”供暖方式。常規的對流供暖方式中，用戶端先加熱空氣，由于冷熱空氣的密度差，空間內熱空氣向上流動，冷空氣向下流動，熱空氣在屋頂聚集，導致房間內溫度產生嚴重的垂直失調，產生大量的無效耗熱量。

燃氣輻射供暖是利用天然氣、液化石油氣，在特殊的燃燒裝置內燃燒而輻射出2～20m波長的紅外線對待涂裝的分段加熱。當紅外線照射到分段上后，熱量被鋼板吸收，少部分熱量又反射出來，對物體和人體進行二次加熱，因此，在較大通風的環境下熱損失較少。

純凈空氣是理想的透射體，不吸收輻射能。本系統的直接供暖對象是涂裝間內的分段、地面、墻壁等。這些取暖目的物按照其自身的物理化學結構特點吸收并儲存來自本系統的熱能，然后通過其接觸空氣的表面向采暖空間內的空氣傳遞熱量。因此，熱量基本無空氣分層，高效節能、安全可靠、經濟適用、均勻舒適、清潔環保，是本系統的獨特之處。而且系統安裝簡單、自動化程度高，操作方便，經久耐用無需專人專職操作。

以上對比分析可以看出:從使用燃料到加熱效果、運行成本以及環保，選用柔強輻射加輔助天然氣熱風系統最為實用、經濟。據初步測試固化期間鋼板表面溫度可達22℃以上，生產效率明顯提高，節能效果顯著。

5 結語

根據公司采用柔強輻射加輔助天然氣熱風系統所取得的效能看，對于高大機加工廠房采暖和高大船體制造廠房單個設備或局部用熱，均可采用柔強輻射加熱系統。在該用熱部位安全的地方設置一個瓶裝液化石油氣的匯流排，作為熱源，即用即開，解決了傳統對流方式采暖無法解決的高大空間內局部采暖，節能效果非常明顯。

目前國內鋼板預處理線加溫一般采用蒸汽加熱和燃氣加熱。由于鋼板線位置一般在生產流程的第一道工序，遠離供熱中心，為其用蒸汽供熱熱損失嚴重，不利于節能，最好用燃氣加熱，有管道天然氣可直接應用，沒有的可在該用熱部位安全的地方設置一個瓶裝液化石油氣的匯流排，作為熱源，自成體系，即用即開較為節省。

該公司注重節能減排，在生產生活用能上綜合應用合理安排，特別是采用柔強紅外輻射加熱技術和利用熱泵系統收集空壓機冷卻水余熱制熱以及利用海水制冷，節約了大量的能源，節省了大量的投資，如能在船舶行業得以廣泛應用對落實節能減排，減少環境污染，實踐科學發展觀，經濟效益、社會效益將取得雙豐收。

［1］梁桂芳.切割技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［2］齊福江.動力工程師手冊［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［3］黃建梅.工業氣體手冊［M］.北京:化學工業出版社，2002.

［4］中國有色金屬工業總公司.供暖通風與空氣調節設計規范［GB50019－2003］［S］.北京:中國標準出版社，2003.