多種模式的節能技術在制造工廠中的運用

王守鋒　盧道凱　王加圣

摘 要：在企業管理中建立能源管理體系建設，從管理節能、工藝節能、設備節能等方面，多措并舉，深挖潛力，運用熱回收和水蓄冷技術，結合企業能源消耗特點，制定多種節能模式，根據實際生產自由組合，以達到最優的節能效果。

關鍵詞：能源管理體系；熱回收和水蓄冷；節能模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.001

1 概述

隨著能源的日益緊張，節能工作已經成為當今全球關注的焦點。企業在生產過程中，也越來越重視控制能源消耗。對于制造業企業來說，能源消耗主要來自于設備用電，高能耗的如清洗機、涂裝線等，多是采用電加熱。另外，生產車間的夏季制冷和冬季供熱也需要消耗電能和天然氣。前期能源管理的主要途徑是通過合理安排生產，減少開機時間來節約能耗。在能源管理體系中，以尋求日常生產的節能機會是企業節能的一個重要措施。近幾年，國家正在積極推行電力需求側管理，為了鼓勵使用谷電，電費執行峰、平、谷的差別電價政策，峰電時段（8：30至11：30）電價比谷電時段（23：00至次日7：00）電價高出0.7元/kWh，電費差距巨大，這對企業節能來說是一個很好的節省能源費用的契機。如果能充分利用谷電，移峰填谷，可降低能源消耗、節約電費。

2 熱泵技術與工廠節能

根據熱力學定律，熱能從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞，而如果我們想要讓這個過程逆轉，那就需要使用熱泵技術，其原理是逆卡諾循環，通過壓縮機做功，使工質產生物理變相“氣態--液態--氣態”，利用這一往復循環相變過程不斷通過蒸發器吸熱和冷凝器放熱（圖1），將低溫熱能轉換為高溫熱能的方式，能效永遠大于1。

熱泵技術近些年被廣泛推廣，在于其既可用于供熱采暖，也可以用于制冷降溫，并且其特點正好受益于國家電力需求側改革的谷峰電政策，可以將其用于節能案例中，通過增加谷電消耗、減少峰電運行的方式來追求經濟價值。可以說，熱泵開啟了節約能源的新時代，是節約能源的最重要最有效的手段。

3 余熱回收和水蓄冷

熱泵技術可用于余熱回收，其方式在于將原本沒有使用價值的低品質熱源通過高高溫熱泵提升品質，達到可利用的高溫熱源，回收再利用。這種技術在工廠節能中如同汽車渦輪增壓器提升發動機性能并減少汽油消耗。高溫熱源在工廠中可用于代替電、天然氣、蒸汽等熱源使用，減少能源浪費，降低能源消耗、優化用能結構。

水蓄冷技術主要采用電動制冷機制冷，也可采用熱泵用于制冷，將冷量以冷水的形式儲存起來。對于工廠來說，基于谷峰電費差異較大的情況，可以用水蓄冷在電力負荷低的夜間制冷，在電力高峰期的白天，不開或少開制冷機，充分利用夜間儲存的冷量進行供冷，從而達到電力移峰填谷的目的。降低企業運營成本，且有利于電網的安全經濟運行。

4 多種組合的企業節能模式

4.1 工廠生產中的節能機會

企業在日常生產時，清洗機使用電加熱，涂裝線使用天然氣加熱，廠房采暖使用天然氣和蒸汽，夏季制冷使用空調消耗電能。與此同時，公司的多個空壓機以及多臺發動機試車臺架在運行時產生大量余熱卻無法使用。另外，每年采暖季前后共1個月的過渡時段內，因環境溫度低，許多高精度進口加工設備會報警，無法正常使用，若單獨為其供熱，能效較低，而且費用很高。

4.2 余熱回收和水蓄冷相結合的解決方案

對于大量用熱點的需求，我們利用熱泵技術，通過高高溫熱泵型余熱回收機組，將空壓機30℃左右的循環水利用水泵輸送至機組，通過蒸發器進行熱交換，循環水溫降至20℃返回空壓機，替代涼水塔降溫；同時，用熱點（例如清洗機、涂裝空調）的低溫水通過供熱水泵在機組的冷凝器內進行熱交換，使水溫升至65℃，再返回用熱點，通過換熱器將熱量釋放。空壓機的余熱得到有效利用。

為了解決夏季用冷耗電的問題，我們在生產廠房附近建造了一座1500 m?的蓄冷罐，其蓄冷量達到15000kW，采用專利高效布水裝置，蓄冷有效利用率可高達95%。在夜間低谷電時段，通過兩臺蓄冷機和熱泵制取5℃左右的低溫水儲存至蓄冷罐；在白天峰電時段，將冷凍水通過放冷泵送至空調機組，實現放冷。

通過能量平衡計算，確定熱泵參數（見表1）。

綜上所述，采用余熱回收和水蓄冷相結合的解決方案，實現能量的平衡（見表2），達到節能的目的。

4.3 多種節能模式完全應對工廠用能

由于能源使用條件情況多變，在不同的季節、環境及生產條件下，對能源種類與用量的需求存在諸多變數。例如極端天氣的高用能、出現對冷熱同時需求的時段、制冷機制冷量與用冷量存在較大差異等。我們經過分析大量運行數據，對用能情況劃分了八種狀況，通過對熱泵和制冷機的運行組合，將運行方式進行創新的模塊化設計，以對應八種用能狀況，各模式間可自動轉換。同時，我們將信息化技術引入自控中，以實現通過網絡的遠程控制、數據自動上傳、運行狀態時時監控等，做到無人值守站房的能源管理，減少勞動力。這八種運行運行模式設計如下：

（1）模式1：熱回收主機余熱回收。一年四季均可實現余熱回收，尤其是在冬季采暖季及采暖季前后各半個月，該段時期回收的余熱可全部用掉，春夏秋季可用于清洗機加熱。徹底解決了多年以來一直困擾著的采暖過渡季節設備不能正常開機的難題。該模式的原理圖見圖2。

（2）模式2：離心式冷水機和熱泵機組聯合蓄冷模式。該模式主要是在夜間低谷電時段，機加工車間清洗機不需加熱，熱泵機組不進行余熱回收，此時段以蓄冷為主，可減少能源浪費，使蓄冷能耗最小。該模式的原理圖見圖3。

（3）模式3：蓄冷罐放冷模式。該模式主要是應用于峰電時段，將夜間低谷電時段蓄存的冷量釋放，減少高峰時段電能消耗，降低電費、平衡電網。該模式的原理圖見圖4。

（4）模式4：蓄冷罐冷卻模式。該模式用在放冷模式結束后的極端天氣時，制冷機組運行過程中冷卻水溫度不斷提高，機組制冷負荷增大，當冷卻水溫度升至32℃時，機組存在喘振可能。使用該模式可提供14-24℃的冷水對冷卻水降溫至28℃左右，可確保機組安全、高效運行。該模式的原理圖見圖5。

（5）模式5：熱泵機組制冷兼熱回收模式。該模式主要用于制冷負荷較大時，兩臺制冷主機不能滿足制冷要求或一臺主機制冷不足而兩臺主機負荷過低時，使用該模式可使熱泵機組在為機加工清洗機供熱的情況下參與制冷。該模式的原理圖見圖6。

（6）模式6：蓄冷罐放冷與機組聯合供冷模式。該模式用在極端高溫天氣時，蓄冷罐蓄存冷量不能滿足3個小時放冷，使用該模式可將熱泵機組參與制冷和供熱，制冷主機設置在自動狀態，根據冷凍水溫變化自動啟動，降低空調負荷，減少峰電時段電能消耗。該模式的原理圖見圖7。

（7）模式7：離心式冷水機末端供冷模式。該模式主要是用于制冷負荷較大時，兩臺制冷主機可滿足制冷要求時，制冷主機制冷，熱泵機組參與制冷不供熱，可最大限度提高制冷量，確保制冷效果。該模式的原理圖見圖8。

（8）模式8：熱泵機組蓄冷兼熱回收模式。該模式用在夜間谷電時段，車間上夜班清洗機需加熱時，熱泵機組在蓄冷的同時為清洗機加熱。該模式的原理圖見圖9。

5 效果分析

空壓機余熱回收及水蓄冷有效結合，通過模塊化運行管理，實施效果非常好。經測算，2016年給企業節省費用194萬元，節約790噸標煤，減少1973噸二氧化碳排放，并節省軟化水消耗3800噸。該成果被當地評為2016年市電力需求側管理示范項目，獲得政府專項補貼，并得到媒體的廣泛宣傳，稱為“電力需求側管理的‘樣本工程”，為企業取得了巨大的經濟效益和社會效益，具有極大的推廣價值和示范作用。

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