船廠空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)最佳熱源水溫研究

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200063)

造船業(yè)是傳統(tǒng)的人員密集型高能耗產(chǎn)業(yè)，正常的生活生產(chǎn)需要消耗大量的能量。但由于各種原因，實(shí)際上大部分能量都是在使用中以損耗的方式被浪費(fèi)。空壓機(jī)是船廠的主要耗能設(shè)備之一，其運(yùn)行時(shí)消耗的電能中，只有15%能夠用于增加空氣勢能，剩余的85%都轉(zhuǎn)化為熱量，并以余熱的方式排放到了空氣中，造成了極大的能源浪費(fèi)。[1]為降低運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，通過水源熱泵收集空壓機(jī)循環(huán)冷卻水余熱以制備生活熱水的空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)逐步在船廠得到了應(yīng)用，并取得了一定成效。該系統(tǒng)的低溫?zé)嵩赐瑫r(shí)也是空壓機(jī)系統(tǒng)的冷卻循環(huán)水，其水溫關(guān)乎兩套系統(tǒng)的運(yùn)行效率。[2,3]因此，確定該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的最佳熱源水溫對優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行工況有著積極意義。

一、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

某上海船廠建有空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)一套，通過水源熱泵提取空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱制備船廠淋浴熱水。

(一)系統(tǒng)流程

圖1 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)由“功能串聯(lián)、介質(zhì)獨(dú)立”的三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是熱源循環(huán)(一次側(cè))系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)和熱水供應(yīng)(二次側(cè))系統(tǒng)。

熱源循環(huán)(一次側(cè))系統(tǒng)：①冷卻水流經(jīng)空壓機(jī)，通過水體溫升將空壓機(jī)運(yùn)行熱量帶出；②隨后流經(jīng)殼管式換熱器(水-水換熱)與被加熱冷水進(jìn)行預(yù)換熱，溫度降低；③接著流經(jīng)水源熱泵的蒸發(fā)器，將攜帶的余熱傳遞給熱泵工質(zhì)；④最后進(jìn)入冷卻塔，通過氣-水換熱的方式將最后的余熱排放至空氣中后，進(jìn)行下一次循環(huán)。

水源熱泵系統(tǒng)：①水源熱泵工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱源水傳遞過來的熱量并蒸發(fā)為氣體。②蒸發(fā)器出來的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮為高溫高壓的氣體；③高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，將所含熱量釋放給被加熱水，自身凝結(jié)為液態(tài)；④冷凝器出水進(jìn)入節(jié)流閥，降低壓力后再次進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行下一次循環(huán)。

熱水供應(yīng)(二次側(cè))系統(tǒng)：①被加熱水流經(jīng)殼管式換熱器(水-水換熱)與熱源水進(jìn)行預(yù)換熱，溫度升高；②隨后流經(jīng)水源熱泵冷凝器，吸收熱泵工質(zhì)冷凝液化放出來的熱量，溫升至55℃；③最后流入保溫?zé)崴洌?yīng)船廠集中淋浴。

(二)系統(tǒng)特點(diǎn)

由于熱源水溫(空壓機(jī)冷卻水出水溫度)比被加熱水溫(自來水溫度)高，且溫差理論上存在調(diào)節(jié)的可能性，因此在被加熱水進(jìn)水端設(shè)置水—水換熱裝置，使被加熱水先行與熱源水進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱過程是純粹的物理過程，無外加能源輸入，因此該部分能源的獲取效率認(rèn)為是無限大，可有效提升整個(gè)系統(tǒng)的綜合制熱效率(COP)。

(三)系統(tǒng)設(shè)備

本系統(tǒng)主要設(shè)備組成表詳見下表:

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備組成表

(四)運(yùn)行狀況

該船廠每日最高淋浴人數(shù)為2000人，最高日熱水量為120m3(55℃)，最大耗熱量(5℃進(jìn)水)為6978KW，采用“開式系統(tǒng)，提前加熱，一次使用”的模式。同時(shí)，該空壓站配置空壓機(jī)3臺，冷卻水循環(huán)流量300m3/h，溫升10℃，對應(yīng)最大小時(shí)產(chǎn)熱能力約為3500KW，完全滿足浴室耗熱量需求。從目前運(yùn)行情況來看，空壓機(jī)供熱量與淋浴熱水耗熱量能夠達(dá)到供需平衡。

二、實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)上海地區(qū)環(huán)境溫度及地表水溫變化的特點(diǎn)，選取四個(gè)典型“地表水溫”——8℃(冬季)、16℃(春季)、27℃(夏季)和21℃(秋季)——作為被加熱水溫。針對各被加熱水溫，選擇若干對應(yīng)典型熱源水溫，確定在不同被加熱水溫下，空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)運(yùn)行的最佳熱源水溫。

本實(shí)驗(yàn)工況為系統(tǒng)熱水制備量80m3，實(shí)際熱泵同時(shí)使用數(shù)2臺，系統(tǒng)出水溫度55℃。同時(shí)，為防止“溫度測試延時(shí)性”對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性、穩(wěn)定性造成干擾，剔除開機(jī)運(yùn)行10分中內(nèi)的數(shù)據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同被加熱水溫下，空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)運(yùn)行效能隨熱源水溫的變化詳見圖2。

圖2 熱源水溫與機(jī)組性能曲線圖

(被加熱水溫：左上8℃、右上16℃、左下27℃、右下21℃)

被加熱水溫為8℃時(shí)(上海冬季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自20℃提升至28℃，對應(yīng)的系統(tǒng)綜合制熱效率(COP)相應(yīng)由3.66提升至5.88。當(dāng)熱源水溫為23℃，COP可達(dá)到4.5。

被加熱水溫為16℃時(shí)(上海春季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自22℃提升至32℃，對應(yīng)的系統(tǒng)綜合制熱效率(COP)相應(yīng)由3.44提升至5.86。當(dāng)熱源水溫為26.5℃，COP可達(dá)到4.5。

被加熱水溫為27℃時(shí)(上海夏季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自28℃提升至40℃，對應(yīng)的系統(tǒng)綜合制熱效率(COP)相應(yīng)由3.50提升至5.84。當(dāng)熱源水溫為33.5℃，COP可達(dá)到4.5。

被加熱水溫為21℃時(shí)(上海夏季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自24℃提升至36℃，對應(yīng)的系統(tǒng)綜合制熱效率(COP)相應(yīng)由3.62提升至5.90。當(dāng)熱源水溫為29℃，COP可達(dá)到4.5。

總體來說，系統(tǒng)制熱量及COP值與熱源水溫基本呈線性正相關(guān)，隨著熱源水溫度升高、熱源水與被加熱水溫差增大，系統(tǒng)COP逐步提高。該相關(guān)性與被加熱水溫?zé)o關(guān)，也即該相關(guān)性理論上不受氣溫影響。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)的綜合制熱效率(COP)與熱源水溫呈正相關(guān)性，當(dāng)被加熱水水溫確定時(shí)，存在一個(gè)最低熱源水溫，使得系統(tǒng)在高于該溫度的熱源水溫下工作時(shí)，COP值可維持在4.5以上，處于高效運(yùn)行水平。在上海地區(qū)，該最低熱源水溫在冬季、春季、夏季和秋季分別為23℃、26.5℃、33.5℃和29℃。

五、建議

雖然增加熱源溫度可以提升系統(tǒng)的綜合制熱效率，但同時(shí)也會導(dǎo)致空壓機(jī)功率消耗增大、冷卻循環(huán)水設(shè)備結(jié)垢增加等問題。[2,4]所以，結(jié)合空壓機(jī)系統(tǒng)通盤考慮的情況下，空壓機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)最佳熱源水溫理論上應(yīng)是一個(gè)范圍值，其上限的確定值得進(jìn)一步的深入研究。