熱泵技術(shù)在卷煙廠的應(yīng)用與節(jié)能分析

魏佳宏

（吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130033）

熱泵技術(shù)在卷煙廠的應(yīng)用與節(jié)能分析

魏佳宏

（吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130033）

通過對(duì)長(zhǎng)春卷煙廠能源結(jié)構(gòu)的分析和不同形式的熱泵技術(shù)的分析比較，采用土壤源熱泵技術(shù)，利用鍋爐余熱回收、閃蒸汽余熱回收和冬季空調(diào)進(jìn)行熱平衡調(diào)節(jié)，滿足人員的舒適性要求，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。結(jié)合工程實(shí)例從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。說明熱泵技術(shù)在卷煙廠的應(yīng)用中具有顯著的節(jié)能效果。

熱泵技術(shù)；土壤源熱泵；節(jié)能

引 言

近些年世界經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，節(jié)能減排已經(jīng)上升到十分重要的位置，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界共識(shí)。在全部能源消耗中，工業(yè)生產(chǎn)所占比重近 70%，而實(shí)際能源利用率卻不高，節(jié)能潛力很大。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,大量的低品位熱能被直接排放或散失掉。如果能加以有效回收利用，將產(chǎn)生巨大地能量效益。本文通過對(duì)長(zhǎng)春卷煙廠能源結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合長(zhǎng)春卷煙廠的空調(diào)與采暖特點(diǎn)。采用土壤源熱泵技術(shù)，利用燃?xì)忮仩t排煙和空壓系統(tǒng)壓縮余熱熱，解決了土壤源熱泵的冷熱平衡問題，保證了地源熱泵的運(yùn)行。滿足人員的舒適性要求，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。

1 工程概況

該工程位于吉林省長(zhǎng)春市，地源熱泵總負(fù)荷面積約26000平方米。地源熱泵機(jī)組采用2臺(tái)意大利克萊門特的雙工況螺桿式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量1163.6KW，單臺(tái)制熱量為1218.5KW；同時(shí)設(shè)置一套功率為2047.5KW的汽水換熱系統(tǒng)切換使用。并采用板式換熱器回收燃?xì)忮仩t煙氣余熱，調(diào)節(jié)冷熱平衡。末端采用風(fēng)機(jī)盤管和地板輻射采暖（局部采用散熱器）。為綜合辦公樓和工廠生產(chǎn)輔助用房提供夏季空調(diào)和冬季采暖或空調(diào)。

室外換熱系統(tǒng)共分為A、B、C三個(gè)區(qū)，A區(qū)位于綜合樓西側(cè)，B區(qū)位于廠前區(qū)廣場(chǎng)西側(cè)，C區(qū)位于廠前區(qū)廣場(chǎng)東側(cè)，三個(gè)區(qū)共有495個(gè)換熱孔，孔深100米，孔直徑200mm，孔內(nèi)為雙U型換熱管。

2 熱泵技術(shù)選擇

2.1 空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵機(jī)組在我國(guó)長(zhǎng)江中下游、西南、華南地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用，這些地區(qū)冬季室外溫度一般不低于零下5℃[1]，室內(nèi)需熱量不大，夏季氣溫較高，有制冷要求?？梢詫?shí)現(xiàn)一機(jī)兩用[2]。但對(duì)于北方寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，系統(tǒng)的制熱量隨著外溫的下降而迅速下降，而需熱量隨著外溫的下降迅速上升。同時(shí)室外溫度降低，機(jī)組COP急劇下降、壓縮機(jī)的壓縮比越來越大，導(dǎo)致排氣溫度不斷升高，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)損壞壓縮機(jī)。還有除霜的問題都限制著空氣源熱泵在北方地區(qū)的使用。

2.2 水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵利用水體的儲(chǔ)熱性能，夏季將建筑物的熱量轉(zhuǎn)移到水中，冬季則從水中取出熱量?？梢岳米詠硭⒌乇硭蜕顚拥叵滤?。水源熱泵使用應(yīng)該具備水源可靠、水量充足、水溫適宜和良好水質(zhì)的特點(diǎn)。在閔行路南側(cè)進(jìn)行了水源勘探測(cè)試，因取水量有限放棄水源系統(tǒng)的方案。

2.3 土壤源熱泵

土壤源熱泵通過與土壤進(jìn)行換熱，冬季通過熱泵利用土壤中的低品位熱能，對(duì)建筑供暖，同時(shí)將冷量?jī)?chǔ)存在大地中；夏季則通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到土壤中，對(duì)建筑供暖。通過對(duì)綜合樓西側(cè)進(jìn)行了土壤系統(tǒng)的熱響應(yīng)試驗(yàn)，考慮到土壤源熱泵技術(shù)既避免了空氣源熱泵需要除霜、受環(huán)境影響大的缺點(diǎn)，也避免了水源熱泵水質(zhì)污染、地面沉降的缺點(diǎn)。確定采用土壤源熱泵技術(shù)。

3 熱泵技術(shù)應(yīng)用

3.1 燃?xì)忮仩t尾氣廢熱回收

卷煙廠生產(chǎn)中離不開蒸汽，一般都是通過鍋爐獲得蒸汽；我廠應(yīng)用的是燃?xì)忮仩t，在選型上已經(jīng)裝有一級(jí)節(jié)能器，煙氣溫度從200℃降到120℃以下。仍然有大量熱能可以利用。在煙道后部又加裝了二級(jí)冷凝式節(jié)能器，見流程圖一。如果冷媒充足其排煙溫度可降低到 50℃以下，煙氣余廢熱可以得到高效利用且減少污染物排放；二級(jí)節(jié)能器的最佳排煙溫度不高于57℃，考慮換熱效率方面的因素，其最佳排煙溫度在50℃以下，冷媒熱出口溫度在55℃以下。

鍋爐二級(jí)節(jié)能器的冷媒只是鍋爐補(bǔ)充用水的軟化水，年均用量約為23000噸，進(jìn)水溫度約為15℃，鍋爐年耗燃?xì)饧s為3700000Nm3，實(shí)測(cè)天然氣低位發(fā)熱值7800 Kcal/Nm3，鍋爐的平均效效率92%，節(jié)能器熱回收率80%。

鍋爐系統(tǒng)出加熱補(bǔ)水外可提供給熱泵系統(tǒng)的余熱量= 32650*（1-92%）3700000*80%-23000*1000*（45-15）*4.186= 4843180000KJ。

通過利用燃?xì)忮仩t使用時(shí)的排煙廢熱為地源熱泵系統(tǒng)的室外換熱系統(tǒng)提供補(bǔ)充熱源，兩個(gè)系統(tǒng)形成良好的互補(bǔ),可以有效的解決我國(guó)北方地區(qū)應(yīng)用地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行的地下冷熱量平衡的難題[3]。

3.2 蒸汽凝結(jié)水閃蒸汽余熱回收

卷煙廠生產(chǎn)中產(chǎn)生大量蒸汽凝結(jié)水，回收率約可達(dá)到50%，其中閃蒸汽約占2%，通過蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)的閃蒸汽余熱回收裝置?？梢詾闊岜孟到y(tǒng)提供一部分補(bǔ)充熱能，又可以為凝結(jié)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件，年可提供 200000000 Kcal熱能。

經(jīng)過2009、2010、2011、2012年三個(gè)冷熱周期的運(yùn)行效果十分理想，負(fù)荷端冬夏溫度都得到了保障，舒適度很高。室外系統(tǒng)地溫，2009初期投入運(yùn)行時(shí)為9.6℃，最低達(dá)到了6.6℃，經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行熱能補(bǔ)充，2010年采暖期初運(yùn)行時(shí)達(dá)到了15℃，最低時(shí) 10.2℃，地溫沒有降低，完全可以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，且還可以增加末端負(fù)荷，擴(kuò)大供熱面積 30%。系統(tǒng)經(jīng)效能測(cè)試，綜合能效比達(dá)到了3.8。實(shí)際運(yùn)行與采用集中供熱相比，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省50%。

3.3 冬季空調(diào)

原設(shè)計(jì)方案認(rèn)為生產(chǎn)車間冬季是不需要冷源的，只需要進(jìn)行加熱。但2010年實(shí)際投入運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)冬季車間正常生產(chǎn)時(shí)溫度偏高，必須進(jìn)行加冷降溫，嘗試了使用空調(diào)加新風(fēng)降溫的方式，十分不理想，大量新風(fēng)進(jìn)來以后，溫度雖然降下來了，可是濕度無法保證。加濕器全部開啟也無法滿足加濕需求，浪費(fèi)大量能源且濕度波動(dòng)很大；后又對(duì)原制冷系統(tǒng)在循環(huán)水管道上進(jìn)行了一些改進(jìn)，使系統(tǒng)冬季可以利用室外冷卻塔制造冷水，為生產(chǎn)空調(diào)提供冷源，這樣做空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度都得到了保證，可是還是存在冬季冷卻塔結(jié)冰、消耗水和電的問題。

冬季利用地源熱泵系統(tǒng)提供冷源，在用于采暖的同時(shí)，將蒸發(fā)器端產(chǎn)生的低溫水用于為生產(chǎn)車間的空調(diào)系統(tǒng)提供冷源，一舉兩得。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)大部分時(shí)間蒸發(fā)器出口水溫低于10℃，水流量150-300噸/小時(shí)，空調(diào)冷水系統(tǒng)冬季所要求的水溫14℃以下、流量200噸/小時(shí)左右即可，二者恰可以互補(bǔ)，且系統(tǒng)改動(dòng)不大。系統(tǒng)流程圖見圖二。

2011年運(yùn)行效果良好，一個(gè)冬季較使用冷卻塔直接供冷節(jié)約自來水用量3000噸，節(jié)約用電80000度，并且解決了冷卻塔冬季運(yùn)行結(jié)冰的難題。

3.4 空壓機(jī)熱回收

壓縮空氣系統(tǒng)是卷煙廠生產(chǎn)必不可少的，且功率都很大，總功率達(dá)500千瓦以上，并且不分冬夏，只要生產(chǎn)就要運(yùn)行。我廠空壓系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)、冷干機(jī)、水泵總功率約計(jì)600千瓦，而位于同一站房的綜合庫(kù)和片煙庫(kù)采暖換熱機(jī)組的設(shè)計(jì)功率為1600千瓦，實(shí)際連續(xù)運(yùn)行時(shí)供熱功率達(dá)到設(shè)計(jì)功率的30%-50%即可滿足供熱需求，二者具有匹配性。利用熱泵將空壓系統(tǒng)的余熱用于兩個(gè)庫(kù)房的冬季供熱，為優(yōu)先保證空壓系統(tǒng)的冷卻需求，選取了供熱能力為846千瓦的熱泵機(jī)組，其輸入電功率為180Kw，滿負(fù)荷工作時(shí)可吸收熱量為666千瓦，可以保障空壓機(jī)系統(tǒng)的冷卻需求，又考慮熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器吸入口溫度不宜過高設(shè)置了混水調(diào)節(jié)閥及供熱負(fù)荷變化時(shí)冷卻塔輔助降溫的調(diào)節(jié)調(diào)度閥門等保障系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)流程圖如圖三。

2012年10月系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行，于10月28日開始正式運(yùn)行，雖然長(zhǎng)春市的天氣在此時(shí)段較正式的冬季溫度要高一些，但為測(cè)試系統(tǒng)的能力，運(yùn)行時(shí)的供熱溫度已經(jīng)按照上一年度冬季常用的供熱溫度和水流量進(jìn)行供應(yīng)，狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)供熱端回水溫度42℃、供水溫度48℃，冷卻水進(jìn)水溫度30℃、出水溫度22℃，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冷卻水溫度還有上升趨勢(shì)，所以開啟了輔助降溫電動(dòng)閥，使冷卻水流經(jīng)冷卻塔，降低2℃溫度，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以看出如果正式供熱，系統(tǒng)仍可以達(dá)到供熱需求。一個(gè)采暖期可以節(jié)約天然氣85000立方米、節(jié)水1000噸，但需耗電56000度，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用187000元。

4 結(jié)論

(1)在能源日益緊張的今天，通過分析廠內(nèi)能源的特點(diǎn)，對(duì)于大量低品位的熱能，可以利用熱泵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，減少能源浪費(fèi)和污染物的排放。

(2)通過合理的設(shè)計(jì)土壤源熱泵，利用燃?xì)忮仩t廢氣熱回收技術(shù)，調(diào)節(jié)土壤源熱泵冬夏季熱平衡。土壤源熱泵在北方寒冷地區(qū)卷煙廠具有顯著的節(jié)能潛力。對(duì)于緩解能源問題、環(huán)境問題將發(fā)揮巨大作用。

[1]柴沁虎,馬國(guó)遠(yuǎn).空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].能源與環(huán)境,2002,(5).

[2]龍惟定.試論中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇取向[J].暖通空調(diào),2000,(5).

[3]林玉森.燃?xì)忮仩t排煙余熱調(diào)節(jié)地源熱泵系統(tǒng)冷熱平衡的應(yīng)用研究[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2013,(32).

TH6

A

1673-2219（2014）05-0043-03

2013－12－11

魏佳宏（1964－），男，吉林長(zhǎng)春人，吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠總工程師，研究方向?yàn)榈卦礋岜迷跓煵菪袠I(yè)的應(yīng)用。

(責(zé)任編校：何俊華)