化纖生產中制冷機系統配置及節能方案探討

侯 彥 坡

(神馬實業股份有限公司，河南 平項山 467000)

化纖生產中制冷機系統配置及節能方案探討

侯 彥 坡

(神馬實業股份有限公司，河南 平項山 467000)

介紹了制冷機的種類、特點及優化選型配置原則，并以新建化纖生產廠為例，分析了制冷機系統配置及節能方案。常用制冷機分為壓縮式和吸收式兩大類，壓縮式制冷機的能耗較大，有余熱或廢熱利用的化纖生產廠宜采用吸收式制冷機組。在化纖生產中，制冷機系統配置應同時考慮其經濟性和節能減排，合理有效地利用余熱；在必須使用壓縮式制冷機時，需根據制冷量的大小選擇制冷機的型號，并考慮負荷的可調節性，優化機組配置，最大限度提高制冷機組的性能系數。

空調系統 冷水機組 制冷機 節能降耗 余熱利用

在化纖生產中，空調系統是能耗大戶，制冷與空調設備的節能對于企業降低成本具有重要意義。空調系統中制冷站消耗了大量的能源，在大中型系統中，需要配置多臺制冷機來滿足空調和生產工藝用的冷負荷需求，制冷系統投資大、能耗大，制冷機的選擇和配置對于空調系統的耗能大小起著決定性的影響。

目前，化纖生產中制冷機的配置形式比較單一，一般是單獨配置多臺蒸汽型溴化鋰冷水機組，或單獨配置多臺電壓縮式冷水機組。為了降低生產成本，提高市場競爭力，降低消耗，有效、合理地利用能源成為每個生產企業必須面對的問題。作者結合化纖企業生產實際及節能減排需求，重點介紹制冷機的種類、特點和在生產中的節能應用。

1 制冷機的選擇

1.1 常用冷水機組的種類及特點

制冷機按熱力循環過程與消耗能源種類不同分為蒸汽壓縮式制冷機和吸收式制冷機[1]。壓縮式制冷機采用電作能源，有活塞式、螺桿式、蝸旋式、離心式；吸收式制冷機以熱能作為熱源，有直燃型、蒸汽型、熱水型。

1.1.1 壓縮式制冷機

活塞式制冷壓縮機系統裝置比較簡單、制造技術成熟、加工容易、造價低廉；缺點是振動較大，效率相對比較低。

螺桿式制冷壓縮機與活塞式制冷壓縮機相比，結構簡單、運動部件少、振動小、體積小、質量輕，性能系數(COP)比較高，而且制冷量可在10%～100%無級調節；但耗油量大、價格相對較貴、噪音比離心式高。

離心式制冷壓縮機轉速高、制冷量大、易損件少、維護簡單、連續工作時間長、振動小、噪音低、制冷劑中不混有潤滑油，COP高；缺點是單機制冷量不宜太小，由于轉速高，對材料和加工、制造質量要求嚴格。

蝸旋式制冷壓縮機結構簡單、可靠性高、振動小、噪音低、容積效率最高；但價格相對較高，單機容量較小。

壓縮式冷水機組適宜的單機容量[2]及對應冷量下的最小COP見表1。

表1 壓縮式冷水機組單機容量及COPTab.1 Unit capacity and COP of compression refrigerator

1.1.2 吸收式制冷機

直燃型吸收式制冷機利用重油、天然氣等作為熱源，由于與鍋爐結合為一體，減少了中間環節，熱效率相對提高；但從能源的利用角度出發是不合理的，因為燃料燃燒產生的是高品位熱能。

蒸汽型或熱水型吸收式制冷機加工簡單，操作方便。熱水型對能源要求不高，可以利用余熱、廢熱或其他低品位熱能，無需耗用大量電能。吸收式制冷機運行費用低，噪聲低、振動小，安全可靠，但使用壽命低于壓縮式制冷機，COP比較低。吸收式冷水機組單機容量見表2。

表2 吸收式冷水機組單機容量及COPTab.2 Unit capacity and COP of adsorption refrigerator

1.2 制冷機的能耗分析

從1.1節分析可知，不同冷水機組各有特點，其能耗由低到高的順序為：離心式、螺桿式、活塞式、吸收式制冷機。對于壓縮式冷水機組，當單機空調制冷量(φ)大于1 163 kW時，宜選用離心式；φ為582～1 163 kW時，宜選用離心式或螺桿式；φ小于582 kW時，宜選用活塞式。壓縮式制冷機的COP大大高于吸收式制冷機的COP。

從空調系統的運行能耗來說，壓縮式制冷機耗電量大，溴化鋰吸收式機組蒸汽、熱水或燃氣(油)耗量大。吸收式制冷機節電不節能，但如果有余熱或廢熱作為熱源的工廠宜采用吸收式冷水機組。

幾種冷水機組的運行能耗見表3。

表3 幾種冷水機組的運行能耗Tab.3 Operation energy consumption of refrigerators

注：單位制冷量耗電包括制冷機設備耗電，不包括冷凍水泵。

1.3 制冷機配置方案的優化選擇

選擇制冷機配置方案時，要綜合考慮廠區能源供應狀況、制冷量的大小、正常及最高運行負荷的需求情況，對制冷機進行經濟性分析，通過技術經濟比較后確定，同時還需要考慮系統的運行能耗及初始投資費用。

在空調設計中，制冷機的冷量一般是根據最大空調負荷確定的。但實際運行時，空調冷負荷與室外溫度密切相關，制冷機大部分都不是滿負荷運行。因此，在制冷機組大小和數量選擇時，需要綜合考慮負荷變化，首先可以通過制冷機的開啟數量來調節，同一機房內也可采用不同類型、不同容量的機組搭配的組合式方案，以節約能耗。

另外制冷機是選用溴化鋰吸收式冷水機組，還是壓縮式電動制冷機，需要根據廠區的能源供應確定。有余熱和廢熱的廠區，可以全部或部分選用溴化鋰吸收式冷水機組，電動制冷機作為備用或補充；對于沒有余熱利用的廠區，盡量全部選用壓縮式電動制冷機組。

2 工程應用實例

以新規劃的化纖生產工廠為例，生產工藝(包括工藝、設備需要的冷凍水以及滿足工藝生產需要的工藝空調)和車間環境空調均需要冷凍水，供水溫度7 ℃、回水溫度12 ℃。制冷系統總制冷量(空調和工藝總需求)為26 500 kW，其中生產工藝需要空調負荷為3 100 kW，其余均為環境空調負荷。

廠區內裝置工藝塔生產時會有微正壓蒸汽產生，常規運行時采用空氣換熱器降溫后直接排放，造成能源浪費。

2.1 制冷機機型的選擇

廠區內具有廢熱，從節能角度出發，根據廢熱量選擇相對應的熱水型或蒸汽型溴化鋰制冷機，不足的冷負荷通過離心式制冷機補充。

2.2 余熱利用方案

(1)廠區生產工藝產生的常壓蒸汽量預計在10～12 t/h，可以直接利用工藝塔頂的常壓工藝蒸汽，就近布置1臺常壓蒸汽型溴化鋰制冷機，直接采用工藝塔頂蒸汽制取冷凍水。同時在裝置區內增設冷凍水循環泵，將冷凍水與動力站冷凍水管線并管后供生產和空調使用。蒸汽型制冷機系統工作流程見圖1。

圖1 蒸汽型制冷機系統工作流程示意Fig.1 Work flow of steam type refrigerator1—工藝塔；2—風冷冷卻器；3—電機；4—蒸汽型制冷機；5—冷凍水循環泵

(2)在工藝塔頂采用兩級換熱，第一級為熱水換熱器，第二級為風冷冷卻器。將熱水換熱器產生的熱水用于制冷(工藝塔頂熱水換熱器效率按80%計)，可配套1臺3 516 kW的熱水型溴化鋰制冷機。換熱器熱水出口溫度95 ℃，通過廠區管道輸送至廠區內的動力站，經過制冷機后熱水溫度降為80 ℃，再通過管路送回至換熱器循環利用。熱水、冷凍水流程見圖2。

圖2 熱水型制冷機系統工作流程示意Fig.2 Work flow of hot water type refrigerator1—工藝塔；2—熱水換熱器；3—風冷冷卻器；4—電機；5—熱水循環泵；6—熱水型制冷機；7—冷凍水循環泵

(3)上面2個方案制冷方式和安裝位置不同，各有利弊。雖然蒸汽制冷的效率較高，但結合新規劃項目實際情況，綜合考慮公用工程配置和運行費用，以及設備的運行穩定性，選擇方案2，將熱水送至動力站，動力站新增熱水型制冷機。

2.3 制冷機型號和數量的配置方案

生產工藝需要的冷負荷全年不變；環境空調負荷與季節有關，車間環境空調一般每年運行時間為5～10月使用，7月、8月冷負荷需求最大，其余6個月不用。根據使用特點和總冷量，配置1臺3 516 kW的熱水型溴化鋰制冷機，2臺3 517 kW離心式制冷機，和3臺6 893 kW的離心式制冷機。

運行方案如下：只有生產工藝用冷負荷時間段，只開啟1臺3 516 kW的溴化鋰制冷機，此時3 517 kW離心式制冷機作為備用；環境空調需要開啟的時間段，隨著室外氣溫不同，空調需要的冷負荷從小變大，開始可以先開啟3 517 kW的離心制冷機，當負荷慢慢變大，1臺不能滿足要求時，啟動第2臺3 517 kW的離心制冷機，逐步啟動6 893 kW的離心式制冷機，關閉1臺3 517 kW的離心式制冷機，隨著負荷的變化，調節制冷機的運行數量，達到節能最大化。

水泵配置時，需要同時考慮不同制冷模式下冷水量的變化，水泵流量需要滿足不同冷水量時能夠正常運行，并同時將運行能耗降到最低。

2.4 節能減排

熱水型溴化鋰制冷機利用廢氣余熱通過換熱器生產的熱水作為熱源，比傳統的制冷機的配置增加了1臺熱水循環泵，其他配置完全相同。熱水型溴化鋰制冷機裝機容量為33.5 kW，熱水循環量為266 t/h，配置的熱水循環泵流量280 t/h，揚程47 m，功率55 kW。

離心式制冷機采用10 kV/50 Hz電機，制冷量為6 893 kW的離心式制冷機裝機容量為1 153 kW，制冷量為3 517 kW的離心式制冷機裝機容量為591 kW。

生產工藝用冷負荷全年恒定，制冷機需要全年運行，制冷機按照年運行時間8 000 h計算，熱水型溴化鋰制冷機和離心式制冷機能耗量比較見表4。

表4 制冷量為3 517 kW時2種制冷機的能耗比較Tab.4 Energy consumption comparison of two types of refrigerators at cooling capacity of 3 517 kW

由表4可以看出，采用工藝廢氣余熱通過換熱器制取熱水，再利用熱水制冷，每年運行能耗比離心式制冷機節電4.02×104kW·h，折合標煤耗量比離心式制冷機節約1 327 t。另外，利用廢熱制取熱水用來制冷，和離心式制冷機比較，一氧化碳減排量為5.35 t/a；二氧化硫減排量為17.60 t/a；煙塵減排量為1.85 t/a。

從以上數據可以看出，采用余熱制冷不僅給企業帶來了可觀的經濟效益，環境保護和節能減排效果也很好。

2.5 設備配置注意事項

工業余熱利用技術，設備配置方式眾多，但都有一定的適用條件，應根據不同企業余熱種類、溫度、余熱量，結合生產條件、工藝流程、內外能量需求，選擇合適的余熱利用方式，實現降低能耗、提高效益的目的。

選擇制冷機設備數量時，單臺制冷量越大、制冷機數量越少，初投資越低；單臺制冷量變小后，雖然提高了調節性能，但設備臺數增加導致了設備初始投資增加。因此設備選擇時，應優先采用大、小機組搭配的組合型式，同時制冷機組之間還需要考慮互為備用和切換使用的可能性。同一機房內可采用不同類型、不同容量的機組搭配的組合式方案，部分負荷時開啟小機組，高峰時使用大機組，使機組盡量在較高效率下運行，以降低能耗。水泵配置時一定要和制冷機的開啟相匹配，以保證系統運行正常和節能最大化。

制冷機大部分時間在低負荷下運行，因此制冷機的能耗不但與其低負荷下的效率有關，還與能量調節控制系統有關系，在選用冷水機組時，還應優先選用能量調節自動化程度高的機組。

隨著制冷技術的進步，微正壓蒸汽型溴化鋰冷水機組日漸成熟，在條件允許時可采用塔頂工藝蒸汽直接制冷的工藝流程，可提高余熱利用的效率。

3 結論

a. 在化纖生產中，制冷過程需要消耗大量的能量，制冷機系統配置時需要從節能和經濟性角度出發，并合理有效利用現有能源。配置和運行方案對冷凍機和空調節能有著重要的意義。

b. 有余熱和廢熱可利用的企業盡可能選擇吸收式制冷機。有效利用余熱，不僅可以節省大量的運行成本，對節能減排也有重要的意義。

c. 在必須選擇電動壓縮式冷水機組的企業，需要根據制冷量的大小選擇制冷機的型式，同時考慮負荷的可調節性，優化不同型號機組配置組合，最大限度地提高制冷機組的COP，降低能耗。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].第二版.北京:中國建筑工業出版社,2007:2260-2264.

Lu Yaoqin.Practical design handbook for heating and air conditioning[M].Ind ed.Beijing:China Architecture & Building Press,2007:2260-2264.

[2] GB50019—2015.工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

GB 50019—2015.Design code for heating ventilation and air conditioning of industrial buildings[S].

Discussion of system configuration and energy saving scheme of refrigerator for chemical fiber industry

Hou Yanpo

(ShenmaIndustrialCo.,Ltd.,Pingdingshan467000)

The type and characteristics of refrigerators were introduced, as was the principle of type optimization and configuration. The refrigerator system configuration and energy saving and consumption reduction plan were analyzed for a newly-built chemical fiber plant. The traditional refrigerators are divided into two types, compression type and adsorption type. The adsorption type refrigerator is a better choice for the chemical fiber plants having waste heat utilized when the compression type refrigerator consumes a large amount of energy. The refrigerator system configuration should take a comprehensive economic and conservation consideration based on the waste heat utilization for chemical fiber production. The refrigerator model should be rationally decided according to the cooling capacity and load and the refrigerator configuration should be optimized to maximize the coefficient of performance when the compression type refrigerator must be applied.

air conditioning system; chiller unit; refrigerator; energy saving and consumption reduction; waste heat utilization

2017- 03-13； 修改稿收到日期：2017- 04-23。

侯彥坡(1973—)，男，工程師，從事化纖項目籌建及設備管理工作。E-mail：houyanpo123@163.com。

TQ340.5

B

1001- 0041(2017)03- 0063- 04