大型化工企業冷凍水制備系統節能優化改造

方立軍，張占超

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2.樂凱膠片股份有限公司，河北保定071000)

大型化工企業冷凍水制備系統節能優化改造

方立軍1，張占超2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2.樂凱膠片股份有限公司，河北保定071000)

摘要：從節能的角度出發，針對某大型化工企業冷凍水制備系統運行過程中存在的問題，并結合公司實際情況確定了制冷系統的節能優化改造方案。通過對離心制冷機替代溴化鋰制冷機、安裝螺桿制冷機、風機水泵節能改造、循環補充水的中水替代等方案的實施，進行優化改造后冷凍水制備系統經濟和節能效益分析。方案實施后不但取得較好的節能效益，也帶來了比較大的經濟效益，2014年水的消耗量降低65.5%，水單耗降低68.5%，電單耗下降8.7%，全年節約費用為121.7萬元，實現綜合能耗同比下降5.23%。

關鍵詞：大型化工企業；制冷系統；節能；優化改造

中圖分類號：TB69

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.008

收稿日期：2015-05-15。

基金項目：河北省自然科學基金(B2014502056)。

作者簡介：方立軍(1971-)，男，副教授，博士研究生，主要從事潔凈煤技術和大氣污染物控制等方面的研究，E-mail：fanglijun2009@163.com。

Abstract：From energy saving point of view, the energy-saving optimization scheme of chilled water refrigeration system for Lucky Film Co., Ltd. was determined by problems in the refrigeration operation system and the company’s practical situation. The exact schemes were the centrifugal refrigeration machine instead of lithium bromide absorption refrigerating machine, installing screw chiller, and fan and pump energy saving transformation and water substitute for circulating water and so on. Analysis of economic and energy saving benefit of chilled water preparation system after optimization and reform was presented. The results show that the optimal modification was not only achieved better energy-saving effect, but also improved economic and social the benefits. In 2014, the amount of water used reduced to 65.5%, the water and electricity consumption per cooling capacity reduced to 68.5% and 8.7% respectively, and the cost reduction amounts up to 1.217 million Yuan. The comprehensive energy consumption was dropped by 5.23%.

Keywords：large chemical enterprises；refrigeration system；energy-saving；optimal modification

0引言

隨著我國經濟的增長，如何改變目前我國單位產品能耗遠高于世界先進水平國家的問題日益突出，節能降耗已成為我國經濟發展的一項長期戰略方針[1,2]。當今社會，制冷技術廣泛地應用于工業生產過程，它在提高工藝生產技術水平的同時，所引起的嚴峻的能源和環境問題受到越來越多的關注[3～5]。因此，對化工企業的用能大戶制冷系統進行優化設計和節能改造，對企業來說具有很大的經濟性和必要性，也具有良好的社會效益。

樂凱膠片股份有限公司是始建于建國初期的大型化工企業，制冷系統生產的冷凍水供片基、涂布等車間工藝生產、生活空調的需要，循環冷卻水用于本系統和TAC、片基生產使用。由于早期的冷凍水制備系統存在裝機容量大、高耗能設備多、工藝管理中節能意識不強等問題，造成了能源上的極大浪費。雖然經過幾次節能改造取得了一定的效果，但該系統所消耗的能源占公司總能源消耗的比例仍然較大，具有較大的節能空間。因此本文針對公司制冷系統運行過程中存在的問題進行優化設計，對企業降低運行成本，提升產品質量，創造效益以及落實國家節能減排政策和推動低碳經濟發展方面具有重要的現實意義。

1冷凍水制備系統介紹

冷凍水制備系統工藝流程如圖1所示，系統由兩部分組成：一部分是循環水泵房和冷卻塔；另一部分是冷凍水泵房和制冷機房。此兩部分冬夏季進行轉換，冬季日平均氣溫低于10 ℃時通過冷卻塔自然冷卻供出冷凍水，其他季節以制冷機為主供出冷凍水。制冷系統24 h連續運轉生產。

優化前，冷凍水制備系統由5臺制冷機組構成，1號和2號為2005～2010年間安裝的離心機，1號離心機制冷量為6 329 kW，2號離心機制冷量為6 680.4 kW。3號、4號分別為1992年和1996年安裝運行的雙效溴冷機組，5號機組為2001年投入使用的雙效溴冷機組。

圖1　冷凍水制備系統工藝流程簡圖

2冷凍水制備系統運行過程中存在的問題

(1)溴冷機為早期設計，消耗能源為蒸汽，工藝相對落后，效率較低，屬高耗能設備，另外，由于運行年限較長以及溴冷機的腐蝕等問題，近年來溴冷機換熱銅管已連續出現4次破損內漏，雖已修復但已不能穩定生產。制冷系統運行中以兩臺離心機組為主要生產設備，3臺溴冷機作為備用機組。根據近兩年的生產情況，夏季高峰用冷時缺口大約1 163 kW左右，此時需開啟2臺溴冷機組，能耗較高；另外在初春、秋冬交替和節日長假期間的用冷量也較小，但由于離心機單機容量較大，若開啟離心機，機組在部分負荷工況下運行，效率降低。

(2)動力設備設計容量偏大，額定轉速運行，電量消耗大。

由于前期設計思想比較保守，過分強調安全性，對節能方面的考慮較少，因此水泵和風機都是按照最大負荷進行選配的，且還需要留有一定的富裕量，而實際運行中，制冷機組處于部分負荷下運行，一般都通過人工對風門、閥門的開度進行調節來達到控制流量和壓力的目的，造成較大的節流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象。

(3)冷卻塔水量損失大，冷卻水用水量大。

由于早期制冷系統為吸收式制冷機組，其冷卻冷凝及吸收過程都要放出大量的熱量，同等制冷量下約為蒸汽壓縮式制冷機組的2倍，使得制冷系統的放熱量以及冷卻水的用量都較大。在更換為離心機后，冷卻塔并沒有重新設計，使得冷卻塔的容量偏大，雖然冷卻效率得到提升但冷卻水的循環量偏大，由于蒸發損失、風吹損失、排污損失的存在也導致了冷卻水系統的補水量增加。

另外公司各單位生產中所產生的污水經過處理后制備成中水，每年生產中水20余萬t，除了用于廁所沖水和灌溉草地外，大多排入市政管網，造成了很大浪費。

(4)工況變化頻繁，供水溫度不穩定

由于公司用冷車間和用戶較多，制冷系統受用戶影響，供水溫度不穩定，造成冷量損失。

在中國跨境電商的發展過程中，由于其涉及的環節較多，在每個環節都會產生相對應的退換貨情況，而跨境物流周期長，在其中隱藏存在多種風險，貨品的丟失、 海關和商檢的風險、錯誤的配送地址等問題，大大制約了退貨和換貨。再者，在中國跨境物流中缺乏完善的退貨通道，難以實現退換貨。

3節能優化改造方案

結合公司的實際情況，對冷凍水制備系統的節能優化改造，采用了下列主要技術措施。

3.1　離心制冷機替代溴化鋰制冷機

由于3號、4號溴冷機工藝落后，能效較低，而改造前的主要運轉設備1號、2號離心制冷機的平均能效比也僅為5.5左右。因此淘汰處理3號、4號溴冷機組，回收的資金用于購置能效比較高的離心機。通過招標，確定更新機組為某公司高效離心制冷機，設計工況下的能效比為5.9。新離心機投入使用后，替代1號離心機組長期運轉，在夏季高峰用冷期間開啟2號離心機替代原來運行的溴冷機組。

3.2　安裝螺桿制冷機

為了綜合利用閑置處理設備，減少集團公司的整體經濟損失，經過調研樂凱數碼公司的雙螺桿冷水機組，并綜合考慮動力車間制冷一段現有制冷機組的生產能力、能效比和供冷情況，將數碼公司已閑置的雙機頭螺桿冷水機組拆除安裝到制冷一段機房。新安裝的螺桿冷水機組，投入運行后可在夏季高峰用冷時代替能耗較高的溴冷機組，另外在初春、秋冬交替和節日長假期間用冷量比較小的情況下替代2號離心機組運行，實現更加高效的經濟運行。

3.3　風機水泵節能改造

冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化做出相應調節，存在很大的浪費。目前變頻調速技術以其卓越的調速性能、完善的保護功能、顯著的節能效果和簡單易行的自動調節特性成為企業技術改造和節能降耗行之有效的手段[6,7]。采用增加變頻器來實現動力裝置的變速調節。水泵風機布置如圖2所示。

圖2　冷凍水制備系統工藝流程圖

(1)33號、34號冷凍水送水泵，加裝變頻器，設定恒定供水壓力；

(2)21號、22號循環水送水泵，加裝變頻器，設定恒定供水壓力；

(3)30號循環水供水泵，作為備用泵，供水量小時使用，葉輪車小，更換為高效電機；

(4)25號循環水上塔泵，冬季使用，原大馬拉小車，更新選型為55 kW電機；

(5)7號、9號循環水風機維修更新。

3.4　循環補充水的中水替代

從中水主管網接中水管至循環水反沖過濾罐，將中水中部分雜質進行沙濾后補充進循環水塔中，加裝一塊計量表。

3.5　冬夏季之交倒車改造

冷凍水制備系統，一年中分兩種運行模式。夏季，由制冷機制備6 ℃冷凍水；冬季，通過循環水塔自然降溫供各用戶，每年運行一個采暖季。在春夏之交，為了節約能源，盡量晚開制冷機，減少電消耗。但是，春夏之交氣候溫度波動較大，每年3月底4月初，早晚溫差較大，中午氣溫高于20 ℃時，制冷機需開啟，早晚靠自然降溫就能滿足要求，系統調整會帶來供出水溫的波動。

為滿足用戶需求，保持供水溫度恒定，加裝管道循環泵，作為制冷機的旁路，從根本上解決了這一問題。

3.6　經濟運行方案

因氨壓縮站、空壓站及片基車間用循環水作為冷卻水使用，總共用水量約600 t/h，故采取如下運行方案。

(1)冬季供水時，制冷機組及冷凍泵停，只開循環水系統，此時為兩級泵供水，在保證外送壓力的情況下，經濟運行方案如表1所示。

(2)其他季節供水時，制冷機組和冷凍泵經濟運行方案如表2所示。

此時，循環水系統為一級泵供水，其經濟運行方式如表3所示。

表1　冬季水泵經濟運行方案

表2　其他季節經濟運行方案

表3　循環水系統經濟運行方案

3.7　夜間蓄冷

為充分利用夜晚室外溫差以及后夜電價為谷值特點，通過運行改進，后夜開足循環水風機，降低循環水溫度；使制冷機電消耗減少的同時，降低冷凍水回水池內溫度，從而可實現夜間蓄冷的目的。

4優化改造后的經濟和節能效益分析

優化改造后冷凍水制備系統經濟和節能效益如圖3和表4所示。從中可看出，2013年，水電的消耗量分別降低19.9%和12.8%，水單耗和電單耗分別降低16.9%和9.6%，全年節約費用為40.9萬元。2014年水的消耗量降低65.5%，水單耗降低68.5%，由于制冷量增加9.5%，全年耗電與2013年持平，但是電單耗下降8.7%，全年節約費用為121.7萬元，較2013年多節約費用80.8萬元，為2013年的3倍。

圖3　優化改造后的能耗統計及年變化率情況

表4　優化改造后冷凍水制備系統能耗及費用統計

通過采取節能技術改造、開展設備經濟運行、完善績效考核制度等措施，實現綜合能耗同比下降5.23%。

5結論

針對樂凱膠片股份有限公司冷凍水制備系統運行過程中存在的問題，提出了節能優化改造方案，并對節能優化改造后的節能和經濟效益進行了分析。通過采取節能技術改造、開展設備經濟運行、完善績效考核制度等措施，不但取得較好的節能效益，也帶來了比較大的經濟效益，實現綜合能耗同比下降5.23%。

參考文獻:

[1]夏紅德,張華良,徐玉杰,等. 我國工業節能潛力與對策分析[J]. 工程熱物理學報, 2011, 32(12): 1992-1996.

[2]郭國峰，王彥彭. “十二五”時期我國節能潛力與節能降耗目標分析[J].21世紀數量經濟學, 2012,10: 139-146.

[3]靳光亞,謝英柏,劉春濤.NH3/CO2復疊式制冷循環的分析與優化[J].電力科學與工程,2013, 29(1):69-73.

[4]朱金棟. 制冷機組日常故障分析[J]. 石化技術，2015，(3)：1，6.

[5]王剛,解國珍, 張麗蓉.制冷空調行業HCFCs 工質替代的分析[J].制冷與空調(四川),2012,26(1):18 -23，43.

[6]徐尚志.基于PLC控制的空調冷卻塔循環水泵的變頻節能研究[D].廣州:華南理工大學,2014.

[7]楊詩成,王喜魁.泵與風機(第四版)[M].北京:中國電力出版社,2012.

The Energy-saving Optimization of Chilled Water Refrigeration System for a Large Chemical Enterprise

Fang Lijun1，Zhang Zhanchao2

(1. North China Electric Power University, Baoding, 071003, China；2.Baoding Lucky Film Co., Ltd., Baoding, 071000, China)