某大型鋁型材氧化鋁車間工藝冷卻水蓄冷可行性探討

徐新恒 季曙明 王帥 陳鋒

（上海安悅節能技術有限公司 上海 200083）

某大型鋁型材氧化鋁車間工藝冷卻水蓄冷可行性探討

徐新恒 季曙明 王帥 陳鋒

（上海安悅節能技術有限公司 上海 200083）

介紹了某大型鋁型材氧化鋁車間工藝冷卻水蓄冷系統設計，利用氧化車間的冰機夜間進行蓄冷，白天優先利用蓄冷罐進行放冷。本系統年節約運行費用89.36萬元，節能率達28%。本系統采用合同能源管理模式（EMC），由安悅公司全額投資，業主無任何風險，此種模式可以在鋁型材行業的水蓄冷項目中大量復制。

鋁型材；氧化車間；水蓄冷；合同能源管理

鋁型材的氧化工藝和著色工藝需要使氧化槽和著色槽分別保持在18～22℃和19～21℃，溫度過高或過低都會影響氧化膜的形成和產品著色的質量。生產中保持水池的恒溫需要巨大的能源支持，特別是在南方城市，需要常年運行制冷機提供冷水為氧化槽和著色槽降溫。鋁型材相對于其他行業產品差異化程度較小，因此成本競爭在未來仍然是市場競爭的關鍵因素，降低產品在生產過程中的能源消耗，提高產品的競爭能力成為制造商越來越關心的問題。

1 項目背景

某大型鋁型材廠位于佛山三水區，擁有先進的擠壓生產線30多條、臥式氧化生產線2條、立式氧化生產線2條，鋁型材年產規模達20×104t。由于其氧化工藝需要使氧化槽保持在18℃～22℃，故每條生產線都配備了冰機提供冷凍水為槽液冷卻。本方案主要考慮對其臥式氧化生產線進行節能改造，該臥式氧化生產線配置3臺額定制冷量為2238.6kW的冰水機組提供冷凍水對氧化槽進行冷卻，2011年～2013年，年均用電350×104kW·h。

本方案旨在采用水蓄冷技術，晚上谷電用制冷機制冷蓄冷，白天峰電時段釋冷供冷，有效利用峰谷電價差的政策，減少制冷機能耗的用電費用，進而減少生產成本。原系統設備配置情況：

1.1 冰機

?

1.2 水泵

?

1.3 冷卻塔

?

1.4 板式換熱器

?

目前，該系統由操作人員觀察氧化槽水溫是否滿足18℃～22℃或回水溫度是否高于16℃，手動開啟或關閉制冷機，調節制冷機開啟數量，從而達到控制目的。根據實測數據，該系統制冷負荷穩定，5～8月氣溫較高時一般開啟1臺制冷機滿負荷運行，另外1臺補充不足冷量，其它月份一般1臺制冷機滿負荷運行。

2 方案設計

水蓄冷，即就是在電力負荷低的時候（通常是夜間），用制冷機將冷量以冷水的形式儲存起來，在電力高峰期，不開或少開制冷機，充分利用谷電時段儲存的冷量進行供冷，從而達到電力移峰填谷的目的。同時，由于峰谷電價差價較大，可較大程度地節約制冷機組運行費用，降低企業運營成本。

下表為佛山市工業峰谷電價及時段表，

其基本工作原理是利用水在不同的溫度下密度不同的特性，通過特殊設計的上下布水器將溫水與冷凍水利用斜溫層分隔開來，從而達到夜間蓄冷白天放冷的目的。評價水蓄冷系統的優劣主要看斜溫層的厚度與分布。斜溫層分布越穩定，厚度越小，說明水蓄冷效果越好。

本系統根據制冷主機情況蓄冷溫度按照6℃，放冷完成溫度為16℃設計，采用邊蓄冷邊供冷的方式，夜間谷電時間將3臺冰機全部開啟，綜合考慮氧化車間能量實際需求、冰機用電數據及罐子的最大利用率，罐體蓄冷量按1.5臺額定制冷量為2238.6kW的冰水主機進行夜間8h蓄冷計算，即蓄冷量為2238.6kW×1.5× 8h=26863kW·h。

蓄冷水槽體積可按下式計算：

式中：ρ——蓄冷水的密度，取1000kg／m3；

Cp——冷水的比熱容，取4.187kJ／（kg·℃）；

Qst——蓄冷量，kW·h；

Δt——釋冷回水溫度與蓄冷進水溫度間的溫度差，本項目取10℃；

FOM——蓄冷水槽的完善度，考慮混合和斜溫層等因數的影響，一般取85%～90%；

αv——蓄冷水槽的體積利用率，考慮配水器的布置和蓄冷水槽內其它不可用空間等的影響，一般取95%；

V——水蓄冷槽的體積（m3）。

計算得V=2701m3，根據場地情況，罐體直徑初步選定為D=16m，總高度H=16.5m左右（含穹頂），蓄水體積約3000m3，水罐尺寸可以根據現場情況進行調整。

綜上所述，水蓄冷罐具體參數為（可根據實際情況調整）：

（1）罐體直徑：16m；罐體高度：16.5m（含罐頂附屬設施約為16.5m）；

（2）罐體采用鋼制立式圓罐，主要材質Q235B；

（3）罐體個數：1。

3 系統穩定性分析

水蓄冷系統是氧化槽生產線冷卻系統的配套節能系統，該系統是否影響生產的正常運行是業主及生產工藝人員關注的首要問題，如何設計一個節能且穩定的水蓄冷系統就顯得至關重要。

首先，本方案根據原系統的特點進行針對性設計，在原系統流程沒有改變的情況下增加一套蓄冷罐裝置，該裝置為機械設備（可認為是一個常壓容器），無任何運動部件，不會因運行過程的磨損而損壞，因此其維修率極低。

本方案增加的蓄冷系統是利用原系統中的制冷機組進行蓄冷，對原制冷機本身無任何改動，同時蓄冷罐還可以作為系統備用冷源，增加系統的可靠性。新增的蓄冷系統本身可視為“蓄能器”，儲存谷電時段的能量，白天釋放，“蓄能器”提高系統的穩定性和可靠性，對原系統本身并無影響。

為了提高系統的技術含量和操作的便利性，蓄冷系統同時配置一套控制系統，控制系統以PLC為控制核心，該蓄冷控制系統已經過眾多項目的驗證，具有非常成熟的控制邏輯和較高的穩定性。控制系統采用分級權限設置，并可根據需求，進行本地控制、集中控制和遠程控制等模式調整。因此，控制系統具有非常高的穩定性。

圖1 水蓄冷系統圖

4 系統配置與運行

本系統采用邊蓄冷邊供冷的方式，系統圖如圖1所示，系統共設置了4種運行模式，（1）夜間邊蓄邊供模式；（2）主機單獨供冷模式；（3）水槽單獨放冷模式；（4）冰機蓄冷模式，可以根據實際需要對電動閥進行切換（見“不同工況下電動閥狀態表”），達到改變運行模式的目的。

根據系統的特點，該水蓄冷的控制系統分為三級控制：本地控制、上位機控制和遠程控制。每層控制根據不同權限設置密碼，根據不同層級具有查看、操作、設置的權限。本地控制是設備操作員根據情況手動對各設備進行開啟、關閉和調節，系統具有連鎖功能，只有在確保安全的情況下才能操作相應的設備；上位機控制能夠根據需要實現一鍵啟停，或根據需要設置分時間段自動啟停，調節不同的工況模式，能夠自動報警、自動根據運行參數對系統進行調節；遠程控制是上位機控制的升級版本，只要授予權限，可以在任意具有互聯網的位置查看設備運行狀況，也可以對其進行操作，但是為了系統安全期間，一般只開放查看功能；在業主特殊要求的情況下，可通過gprs網絡，對設備的運行數據和故障采用短信的形式發送到手機上，以確保第一時間發現問題，解決問題。

5 經濟性分析

5.1 9～4月份平均開啟1臺冰機，則谷電的蓄冷量可以避開全部峰電和6h平電時段，節約費用為：（414kW×6h×0.7871元/kW· h+414kW×6h×0.3422元/kW·h）×30×8=673243；

5.2 5～8月份平均開啟1.5臺冰機，則谷電的蓄冷量可以避開全部峰電和2h平電時段，則節約費用為：（414kW×6h×0.7871元/kW·h+414kW×2h×0.3422元/kW·h）×30×4=268920元；

5.3 由上述計算可知，冰機的年節約費用約為941863元。

5.4 冷卻塔和冷卻泵的年節約費用約為：（77kW×6h×0.7871元/kW·h+77kW×6h×0.3422元/kW·h）×30×8+（77kW× 6h×0.7871元/kW·h+77kW×2h×0.3422元 /kW·h）×30× 2=175177元。

5.4 綜合制冷機、冷卻水泵和冷卻塔，每年節約制冷運行費用約為111.7萬元，考慮到維修保養及生產停機因素，實際節約運行費用按照理論計算的80%計算，則每年節約運行費用89.36萬元，原每年運行費用約為320萬元，則節能率達到28%。

5.5 當地移峰填谷的節能補貼570元/kW，本項目可獲得政府節能補貼為（414kW×1.5+77kW）×570=39.786萬元。

5.6 去除節能補貼部分，該項目投資回收期為：（320-39.786）÷ 89.36=3.1a

6 操作模式

本蓄冷項目采用合同管理能源模式（EMC）進行，由安悅節能全額投資，并由安悅負責合同期內的維護保養費用（含蓄冷罐、控制系統、蓄冷系統管道改造等）。

合同期為：8年。

前四年（建造方:業主方）分成比例為1:9。

后四年（建造方:業主方）分成比例為2:8。

合同期內，蓄冷系統的所有權歸建造方所有；合同期滿，蓄冷系統的所有權轉歸業主方所有。

7 結語

水蓄冷技術已經日趨成熟，但水蓄冷用于鋁型材行業氧化車間目前案例還較少，本系統的節能性和優勢還是顯而易見的：

7.1 峰谷電價差價大，每年節約運行費用89.36萬元，節約了28%的運行費用，降低了生產成本，提高了業主的行業競爭優勢。

7.2 夜間蓄冷時，環境溫度低，離心制冷機工作工況優，系統整體能效高。

7.3 制冷設備滿負荷運行比例增大，充分提高設備利用率和效率。

7.4 作為應急冷源，設備故障或停電時只需少量電力驅動水泵便可供冷。

7.5 水蓄冷系統對電網起到削峰填谷的作用，平衡電網峰谷差，對電力系統具有良好的節能作用，從宏觀上來看，間接減少了CO2等廢氣排放，保護環境，節約資源。

同時，本蓄冷系統由安悅公司投資建設，業主無任何風險，此種模式可以在鋁型材行業大量復制。