船廠空壓機余熱回收利用系統最佳熱源水溫研究

(中船第九設計研究院工程有限公司 上海 200063)

造船業是傳統的人員密集型高能耗產業，正常的生活生產需要消耗大量的能量。但由于各種原因，實際上大部分能量都是在使用中以損耗的方式被浪費。空壓機是船廠的主要耗能設備之一，其運行時消耗的電能中，只有15%能夠用于增加空氣勢能，剩余的85%都轉化為熱量，并以余熱的方式排放到了空氣中，造成了極大的能源浪費。[1]為降低運營成本，實現節能減排，通過水源熱泵收集空壓機循環冷卻水余熱以制備生活熱水的空壓機余熱回收利用系統逐步在船廠得到了應用，并取得了一定成效。該系統的低溫熱源同時也是空壓機系統的冷卻循環水，其水溫關乎兩套系統的運行效率。[2,3]因此，確定該系統運行時的最佳熱源水溫對優化系統運行工況有著積極意義。

一、實驗系統

某上海船廠建有空壓機余熱回收利用系統一套，通過水源熱泵提取空壓機產生的余熱制備船廠淋浴熱水。

(一)系統流程

圖1 系統流程圖

該系統由“功能串聯、介質獨立”的三個子系統構成，分別是熱源循環(一次側)系統、水源熱泵系統和熱水供應(二次側)系統。

熱源循環(一次側)系統：①冷卻水流經空壓機，通過水體溫升將空壓機運行熱量帶出；②隨后流經殼管式換熱器(水-水換熱)與被加熱冷水進行預換熱，溫度降低；③接著流經水源熱泵的蒸發器，將攜帶的余熱傳遞給熱泵工質；④最后進入冷卻塔，通過氣-水換熱的方式將最后的余熱排放至空氣中后，進行下一次循環。

水源熱泵系統：①水源熱泵工質在蒸發器中吸收熱源水傳遞過來的熱量并蒸發為氣體。②蒸發器出來的氣體進入壓縮機，被壓縮為高溫高壓的氣體；③高溫高壓氣體進入冷凝器，將所含熱量釋放給被加熱水，自身凝結為液態；④冷凝器出水進入節流閥，降低壓力后再次進入蒸發器進行下一次循環。

熱水供應(二次側)系統：①被加熱水流經殼管式換熱器(水-水換熱)與熱源水進行預換熱，溫度升高；②隨后流經水源熱泵冷凝器，吸收熱泵工質冷凝液化放出來的熱量，溫升至55℃；③最后流入保溫熱水箱，供應船廠集中淋浴。

(二)系統特點

由于熱源水溫(空壓機冷卻水出水溫度)比被加熱水溫(自來水溫度)高，且溫差理論上存在調節的可能性，因此在被加熱水進水端設置水—水換熱裝置，使被加熱水先行與熱源水進行預熱。預熱過程是純粹的物理過程，無外加能源輸入，因此該部分能源的獲取效率認為是無限大，可有效提升整個系統的綜合制熱效率(COP)。

(三)系統設備

本系統主要設備組成表詳見下表:

表1 系統主要設備組成表

(四)運行狀況

該船廠每日最高淋浴人數為2000人，最高日熱水量為120m3(55℃)，最大耗熱量(5℃進水)為6978KW，采用“開式系統，提前加熱，一次使用”的模式。同時，該空壓站配置空壓機3臺，冷卻水循環流量300m3/h，溫升10℃，對應最大小時產熱能力約為3500KW，完全滿足浴室耗熱量需求。從目前運行情況來看，空壓機供熱量與淋浴熱水耗熱量能夠達到供需平衡。

二、實驗方法

根據上海地區環境溫度及地表水溫變化的特點，選取四個典型“地表水溫”——8℃(冬季)、16℃(春季)、27℃(夏季)和21℃(秋季)——作為被加熱水溫。針對各被加熱水溫，選擇若干對應典型熱源水溫，確定在不同被加熱水溫下，空壓機余熱回收利用系統運行的最佳熱源水溫。

本實驗工況為系統熱水制備量80m3，實際熱泵同時使用數2臺，系統出水溫度55℃。同時，為防止“溫度測試延時性”對實驗結果的可靠性、穩定性造成干擾，剔除開機運行10分中內的數據。

三、實驗結果及分析

在不同被加熱水溫下，空壓機余熱回收利用系統運行效能隨熱源水溫的變化詳見圖2。

圖2 熱源水溫與機組性能曲線圖

(被加熱水溫：左上8℃、右上16℃、左下27℃、右下21℃)

被加熱水溫為8℃時(上海冬季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自20℃提升至28℃，對應的系統綜合制熱效率(COP)相應由3.66提升至5.88。當熱源水溫為23℃，COP可達到4.5。

被加熱水溫為16℃時(上海春季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自22℃提升至32℃，對應的系統綜合制熱效率(COP)相應由3.44提升至5.86。當熱源水溫為26.5℃，COP可達到4.5。

被加熱水溫為27℃時(上海夏季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自28℃提升至40℃，對應的系統綜合制熱效率(COP)相應由3.50提升至5.84。當熱源水溫為33.5℃，COP可達到4.5。

被加熱水溫為21℃時(上海夏季典型地表水溫)，隨著熱源水溫自24℃提升至36℃，對應的系統綜合制熱效率(COP)相應由3.62提升至5.90。當熱源水溫為29℃，COP可達到4.5。

總體來說，系統制熱量及COP值與熱源水溫基本呈線性正相關，隨著熱源水溫度升高、熱源水與被加熱水溫差增大，系統COP逐步提高。該相關性與被加熱水溫無關，也即該相關性理論上不受氣溫影響。

四、實驗結論

空壓機余熱回收利用系統的綜合制熱效率(COP)與熱源水溫呈正相關性，當被加熱水水溫確定時，存在一個最低熱源水溫，使得系統在高于該溫度的熱源水溫下工作時，COP值可維持在4.5以上，處于高效運行水平。在上海地區，該最低熱源水溫在冬季、春季、夏季和秋季分別為23℃、26.5℃、33.5℃和29℃。

五、建議

雖然增加熱源溫度可以提升系統的綜合制熱效率，但同時也會導致空壓機功率消耗增大、冷卻循環水設備結垢增加等問題。[2,4]所以，結合空壓機系統通盤考慮的情況下，空壓機余熱回收利用系統最佳熱源水溫理論上應是一個范圍值，其上限的確定值得進一步的深入研究。