节能新技术在工厂中的创新应用

2020-11-29王守锋孙国华王加圣卢道凯

科技与创新 2020年8期

关键词：空压机余热源热泵

王守锋，孙国华，王加圣，卢道凯

节能新技术在工厂中的创新应用

王守锋，孙国华，王加圣，卢道凯

（中国重型汽车集团济南动力有限公司，山东济南 250220）

通过对工厂用能特点进行针对性分析，将多种节能技术创新性组合应用，对企业实现节能减排、降本增效起到了立竿见影的效果，具有社会、经济双重效益。通过案例阐述了创新应用的方法，具有启发、借鉴和示范作用。

节能新技术；创新应用；地源热泵；余热回收

能源日趋紧张，节能成为全球关注焦点，国家更加倡导新能源开发和新型节能技术的应用。企业降本增效，既是履行社会责任的要求，也是自身发展的需要。中国重型汽车集团济南动力有限公司自2013年建立能源管理体系以来，从管理、工艺、设备三个方面，找准问题、多措并举，开展了形式多样的节能工作，诸如发动机涂装线“满链生产”、热处理工艺优化、空压机及水泵变频改造、涂装线吹水室改造、电力补偿装置更新等，取得了良好的节能成果。但随着节能工作深入，那些投资少、见效快的节能机会越来越少，因此，必须与时俱进，研究和利用节能新技术。

中国重型汽车集团济南动力有限公司发动机生产车间面积为50 000 m2，要求全年温度在（22±5）℃范围内，冬季利用蒸汽供暖，夏季利用空调供冷，能源消耗十分巨大。在济南夏季的“火炉”天，空调还会“罢工”，影响生产。通过研究，把热泵、水蓄能等技术创新应用于实践，大功率空压机产生的余热，可以回收再利用；水蓄冷转移高峰用电负荷，节省运行费用，同时也可解决空调“罢工”问题；新建厂房引进高效的地源热泵空调，可节能环保。下面用两个案例阐述创新的方法和思路。

1 余热回收+水蓄冷创新应用

2016年，中国重型汽车集团济南动力有限公司投资了空压机余热回收+水蓄冷项目（简称“案例1”），将余热回收与水蓄冷两种技术相结合，对一期厂房（面积30 000 m2）空调设施进行嫁接改造，投资少、见效快。

1.1 项目内容

空压机余热回收：利用热泵技术，通过高高温热泵型余热回收机组，将空压机30 ℃左右的循环水利用水泵输送至机组，通过蒸发器进行热交换，循环水温降至20 ℃时返回空压机，替代凉水塔降温；同时，供热系统的低温水通过供热水泵在机组的冷凝器内进行热交换，使水温升至65 ℃，再返回供热系统并释放热量。

水蓄冷：建造1 500 m3的蓄冷罐，蓄冷量达15 000 kW。在夜间低谷电时段，通过2台蓄冷机和热泵制取5 ℃左右的低温水储存至蓄冷罐；在白天峰电时段，将冷冻水通过放冷泵送至空调机组，实现放冷。

项目具体做法：利用现有3台制冷机组、冷冻水系统、冷却水系统、循环水泵房及设施，增加余热回收装置、蓄冷装置及自动控制系统。主要包括高高温热泵型余热回收机组、板式换热器、供热水泵、自动控制系统、电气系统、余热回收管道系统，以及蓄冷罐、冷水循环泵、空调冷却水降温循环泵、蓄冷放冷管道系统等。

1.2 节能模式

本项目使用条件复杂，在不同的季节、环境及生产情况下，所需能源种类与用量存在变数，宜采用不同模式。为精准控制多节能，采用信息化及自动化、智能化技术，将复杂问题简单化。为此设计了8种可自动转换的运行模式，包括热回收主机余热回收、离心式冷水机和热泵机组联合蓄冷、蓄冷罐放冷、蓄冷罐冷却、热泵机组制冷兼热回收、蓄冷罐放冷与机组联合供冷、离心式冷水机末端供冷、热泵机组蓄冷兼热回收。通过网络技术实现远程控制，数据自动上传，实时监控运行状态，从而实现站房无人值守，降低人工成本。

1.3 应用情况

该项目已投产3年，设备运行良好。夏季，即使是高温、湿度大的极端天气也能正常运行，车间温度能保证在27 ℃以下。冬季每小时提供3 GJ的热量用于采暖。采暖季过渡阶段，在不用电厂蒸汽的情况下，余热回收可以供暖，克服了环境温度过低对生产的影响。水蓄冷转移用电负荷，轻松解决了1 000 kW范围内的限电问题，对生产毫无影响。

2 地热热泵+水蓄冷（热）创新应用

2017年，中国重型汽车集团济南动力有限公司在新建二期智能制造厂房（建筑面积22 000 m2）时，大胆投资地源热泵空调+水蓄冷（热）项目（简称“案例2”）。

2.1 项目内容

制冷制热系统：选用螺杆式地源热泵机组3台，机组最高出水温度65 ℃，最低出水温度4 ℃。地埋管系统：共打井570口，打井深度102 m，采用双U型De32PE管。

水蓄冷（热）系统：建造1 500 m3的蓄冷（热）罐，其蓄量达15 000 kW。夜间低谷电时段，通过热泵机组制取5 ℃左右的低温水储存至蓄冷罐；白天峰电时段，将冷冻水通过放冷泵送至空调机组，实现放冷；或者在需热源时，夜间制热蓄热，白天放热。

2.2 节能模式

该项目夏季制冷冬季采暖，为满足不同使用条件、不同工况下高效使用设备，设计了8种运行模式，包括热泵主机单独蓄冷、蓄冷装置单独供冷、热泵主机单独供冷、热泵主机边制冷边蓄冷、热泵主机单独蓄热、蓄热装置单独供热、热泵主机单独蓄热、热泵主机边蓄热边供热。一套系统实现了多种运行模式，优化了运行策略，不同条件段运行不同的模式，始终保持节能高效的运行状态，节省运行成本。

2.3 应用情况

该项目已投产2年，设备运行良好，比一期车间空调使用效果更好。车间温度在25 ℃左右；制冷机组COP稳定在5.8左右，比一期提高30%；空调系统总负荷同比减少225 kW。

3 创新点

在本文案例中，多项节能技术组合使用，余热、地热资源得到利用，优化用能结构，真正实现能源综合利用、多能互补，创新点表现在两个方面：①运行模式多，控制程序复杂。为适应复杂的工况，节能技术与智能化、信息化及自动化技术融合，将余热回收、制冷、蓄冷、放冷和制热、蓄热、放热等功能进行组合，设计出8种自动转换的运行模式，不同条件段自动启用不同模式，节能效果更好。②新技术的组合，难度大。节能技术的组合，需要进行大量的设计及计算、分析，才能寻找到最大效益组合，得到最佳方案。像这样大规模、多技术组合在工厂应用的并无先例，研究过程复杂，难度较大。

4 创新经验

投资节能项目的宗旨是投资少、见效快。如果节能技术单独使用，投资的目的很难达到。只有多项技术创新组合使用，才能实现目标。因此，如何将节能技术组合使用是本项目的难点，也是项目成败的关键。需要经过方案初步设计、分析、决策三个步骤才能确定组合，即最终方案。

4.1 案例1技术方案设计过程

首先从投资控制、前期困境和政策应用三个方面充分考虑，确定以下初步方案：①投资控制。采暖等需热设施要求水温60 ℃以上，需要增加热泵系统；除热泵系统外的水循环系统、控制系统等借用原有制冷系统的设施或公用，以降低投资。②前期困境。余热回收原有空调系统设施完整，但存在遇到夏季极端天气，设备因凉水塔降温效果差导致冷水机组报警停机的问题，利用蓄冷罐的水给冷水机组供水即可解决。③政策应用。当地政府用电政策，大客户直供电计价采用分时段计价和需量电价，峰谷平电价差距大，水蓄冷可节约费用，且受政策支持。其次，设计不同方案组合，从投资、收益和政策三个方面分析对比：①余热回收。投资94.4万元，年收益172.23万元，投资少，见效快。②水蓄冷。投资359.5万元，年收益22.12万元，投资大，见效慢，受政策支持。③余热回收+水蓄冷。投资375万元，年收益194.35万元，投资大，但见效快，且受政策支持。最后，确定最终的技术方案是余热回收与水蓄冷两种技术相结合，利用现有设施进行嫁接改造，比单项技术应用具有明显的优势。

4.2 案例2技术方案设计过程

案例2技术方案设计过程与案例1相似，但要增加两方面的考虑：地源热泵在工厂大规模应用无先例，需要充分研究，确保一次成功；地源热泵空调比普通空调效率高且节约用水。

4.3 小结

做好节能创新工作的关键点：在实践中，结合工作实际，研究节能技术，提出节能措施，测算经济收益。不同节能技术解决不同的问题，产生的效果也不同。只有进行大量的技术组合设计及计算、分析，才能寻找到最大效益组合，得到最佳解决方案。同时，企业也要充分研究国家和地方能源发展规划，利用好能源政策，寻求政策支持。

5 经济和社会效益

本文所述案例，年节约383.4万元；转移高峰负荷 1 884 kW，实现移峰填谷，平衡电网；年节水9 800 t，节约标准煤1 886.6 t，减少二氧化碳排放4 959.57 t。案例1空压机余热回收及水蓄冷项目被评为2016年济南市电力需求侧管理示范项目，获得98万元的政府补贴，《济南日报》称之为“电力需求侧管理的‘济南样本’”。