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(jié)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(jié)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(tǒng)設計，利用氧化車間的冰機夜間進行蓄冷，白天優(yōu)先利用蓄冷罐進行放冷。本系統(tǒng)年節(jié)約運行費用89.36萬元，節(jié)能率達28%。本系統(tǒng)采用合同能源管理模式（EMC），由安悅公司全額投資，業(yè)主無任何風險，此種模式可以在鋁型材行業(yè)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(yè)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(qū)，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(guī)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)制冷機開啟數量，從而達到控制目的。根據實測數據，該系統(tǒng)制冷負荷穩(wěn)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(jié)約制冷機組運行費用，降低企業(yè)運營成本。

下表為佛山市工業(yè)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(tǒng)的優(yōu)劣主要看斜溫層的厚度與分布。斜溫層分布越穩(wěn)定，厚度越小，說明水蓄冷效果越好。

本系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性分析

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

首先，本方案根據原系統(tǒng)的特點進行針對性設計，在原系統(tǒng)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(tǒng)是利用原系統(tǒng)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(tǒng)備用冷源，增加系統(tǒng)的可靠性。新增的蓄冷系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對原系統(tǒng)本身并無影響。

為了提高系統(tǒng)的技術含量和操作的便利性，蓄冷系統(tǒng)同時配置一套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，該蓄冷控制系統(tǒng)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(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)具有非常高的穩(wěn)定性。

圖1 水蓄冷系統(tǒng)圖

4 系統(tǒng)配置與運行

本系統(tǒng)采用邊蓄冷邊供冷的方式，系統(tǒng)圖如圖1所示，系統(tǒng)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(tài)表”），達到改變運行模式的目的。

根據系統(tǒng)的特點，該水蓄冷的控制系統(tǒng)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(jié)，系統(tǒng)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(jié)不同的工況模式，能夠自動報警、自動根據運行參數對系統(tǒng)進行調節(jié)；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(tǒng)安全期間，一般只開放查看功能；在業(yè)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(fā)送到手機上，以確保第一時間發(fā)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(jié)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(jié)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(jié)約費用約為941863元。

5.4 冷卻塔和冷卻泵的年節(jié)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(jié)約制冷運行費用約為111.7萬元，考慮到維修保養(yǎng)及生產停機因素，實際節(jié)約運行費用按照理論計算的80%計算，則每年節(jié)約運行費用89.36萬元，原每年運行費用約為320萬元，則節(jié)能率達到28%。

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

5.6 去除節(jié)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(jié)能全額投資，并由安悅負責合同期內的維護保養(yǎng)費用（含蓄冷罐、控制系統(tǒng)、蓄冷系統(tǒng)管道改造等）。

合同期為：8年。

前四年（建造方:業(yè)主方）分成比例為1:9。

后四年（建造方:業(yè)主方）分成比例為2:8。

合同期內，蓄冷系統(tǒng)的所有權歸建造方所有；合同期滿，蓄冷系統(tǒng)的所有權轉歸業(yè)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(yè)氧化車間目前案例還較少，本系統(tǒng)的節(jié)能性和優(yōu)勢還是顯而易見的：

7.1 峰谷電價差價大，每年節(jié)約運行費用89.36萬元，節(jié)約了28%的運行費用，降低了生產成本，提高了業(yè)主的行業(yè)競爭優(yōu)勢。

7.2 夜間蓄冷時，環(huán)境溫度低，離心制冷機工作工況優(yōu)，系統(tǒng)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(tǒng)對電網起到削峰填谷的作用，平衡電網峰谷差，對電力系統(tǒng)具有良好的節(jié)能作用，從宏觀上來看，間接減少了CO2等廢氣排放，保護環(huán)境，節(jié)約資源。

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