太陽能與冷凝水耦合采暖系統(tǒng)經濟性分析

殷士海，陳小元，肖松

(1.魯南貝特制藥有限公司，臨沂 276000; 2.臨沂大學機械與車輛工程學院，臨沂 276000)

0 引 言

在工業(yè)企業(yè)(例如，醫(yī)藥、食品、化工及化肥等)生產中，蒸汽所占動力的比重很高。作為重要熱源，蒸汽做功后會轉化為高溫冷凝水，其可回收利用的熱量約占蒸汽總熱量的15%～20%[1]。因此，合理利用該部分熱量，成為減少能源消耗，實現低碳生產的重要途徑。

現階段，冷凝水利用效率僅為20%左右，如果將其利用率提升到80%，每年可較少3 000多萬t標煤消耗，節(jié)約工業(yè)用水30多億立方米[2-3]。根據計算，鍋爐給水溫度每提高6 ℃，可降低能源消耗1%[4]。總之，冷凝水余熱回收利用關系到企業(yè)的節(jié)能減排及綠色低碳生產[5]。

魯南制藥集團厚普中藥車間生產過程中會產生大量冷凝水，現階段冷凝水全部排放，造成廠區(qū)的熱污染及能源的浪費。冬季，集團需要通過燃氣鍋爐額外提供蒸汽進行采暖。為降低冬季采暖成本及減少鍋爐燃料費用，擬將太陽集熱系統(tǒng)加以改造用于冬季公寓、辦公樓、經警樓及幼兒園的供暖，且冷凝水已回收到熱動力中心，可以作為輔助熱源予以補充。從而實現企業(yè)低碳生產及采暖。

1 太陽能與冷凝水耦合采暖系統(tǒng)

魯南制藥倉儲區(qū)太陽能項目于2016年建設，該系統(tǒng)太陽能集熱器面積大約10 000 m2，設計為24 h 120 t水加熱到≥65 ℃。此外，魯南厚普中藥車間生產過程中每小時產生13 t/h的高溫冷凝水(溫度≥90 ℃)。根據采暖熱負荷，我們通過將太陽能與冷凝水二個系統(tǒng)耦合，實現企業(yè)冬季采暖低碳化。該耦合系統(tǒng)設計分為可分為二個時間段：非采暖季與采暖季。對于非采暖季，利用該系統(tǒng)加熱10 t/h軟化水，提高進入除氧器軟化水溫度，從而減少除氧消耗蒸汽量，達到提高鍋爐效率，減少燃氣消耗，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 夏季太陽能加熱系統(tǒng)提供鍋爐進水溫度示意圖

由圖1可知，夏季太陽能熱水系統(tǒng)主要用于提高鍋爐給水溫度，從而減少燃料消耗。此時，閥門2、11關閉，閥門1、12開啟。50 ℃的軟化水進入循環(huán)水箱通過循環(huán)水泵1輸送到太陽能加熱系統(tǒng)加熱后通過閥門1進入除氧器除氧。同時，閥門5開啟，閥門4關閉，冷凝水直接回到除氧器加以利用。

對于采暖季，利用該系統(tǒng)與冷凝水余熱回收系統(tǒng)耦合通過換熱器對采暖二級管網循環(huán)水進行加熱，達到利用太陽能與余熱不需要供熱公司或企業(yè)自身鍋爐采暖的目的，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

當A點供水溫度低于設定溫度5 ℃的時間大于1小時，此時閥門3、5關閉，閥門4、7開啟，二網采暖循環(huán)水經過換熱器A加熱后進入換熱器B繼續(xù)加熱，然后供給各個采暖建筑，放熱后的二網循環(huán)水通過循環(huán)水泵2的加壓，經過閥門10進入換熱器A進行加熱，完成二網的一次循環(huán)。冷凝水通過換熱器B后通過閥門7回到除氧器加以利用，如圖2所示。

圖2 太陽能熱水系統(tǒng)耦合冷凝水回收系統(tǒng)采暖示意圖

此外，采暖初期及即將結束期，由于外界環(huán)境溫度并沒有降到極冷狀態(tài)(屬于初冷階段)，此時盡量只使用太陽能加熱系統(tǒng)對采暖二級管網循環(huán)水進行加熱，在保證舒適度的情況下，而冷凝水將不經過耦合系統(tǒng)換熱器全部回到除氧器，系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

由圖3可知，首先，開啟閥門2、3、5、9、10、11，而閥門4、6、7、8關閉。監(jiān)測A點供水溫度，如果該點溫度滿足設計要求，則保持上述閥門狀態(tài)。此時，系統(tǒng)將完全由太陽能熱水系統(tǒng)提供采暖所需全部熱量，即循環(huán)水箱中的循環(huán)水通過循環(huán)水泵1輸送到太陽能加熱系統(tǒng)進行加熱，加熱后通過閥門2進入換熱器A加熱采暖二網循環(huán)水，然后通過閥門11回到循環(huán)水箱，完成一次循環(huán)。二網循環(huán)水通過換熱器A加熱后經過閥門9、3供給各個采暖建筑，放熱后的二網循環(huán)水通過循環(huán)水泵2的加壓，經過閥門10進入換熱器A進行加熱，完成二網的一次循環(huán)。冷凝水通過閥門5直接回到鍋爐除氧器加以利用。

圖3 完全利用太陽能熱水系統(tǒng)采暖示意圖

2 太陽能與冷凝水耦合采暖系統(tǒng)理論計算

(1)采暖循環(huán)水量Q(t/h)

=132 t/h

式中，S為采暖面積m2；q為熱負荷w/m2；Δt為溫差℃。

(2)采暖需要熱量E(kJ/h)

E=27 919×55×3 600÷1 000=5.5×106kJ/h

(3)折成天然氣量V1(m3/h)

(4)采暖季消耗燃料量V(m3)

V=V1×24×120=4.92×105m3

(5)采暖季消耗燃料價值CS(萬元)

CS=V×4.8=236.2萬元

(6)太陽能加熱系統(tǒng)與冷凝水余熱耦合系統(tǒng)采暖提供熱量E1(kJ/h)

E1=15 000×10×4.2+30×103×

(100-60)×4.2=5.63×106kJ/h

(7)提高回水溫度年節(jié)約的燃氣量

V=330×103×(100-50)×300÷

9 000÷85%=647 059 m3/y

(8)節(jié)約燃氣價值

C1=V×4.8=647 059×4.8=310.6萬元/y

(9)減少軟化水費用

C2=330×300×4.5=44.6萬元/y

(10)年節(jié)約總價值

CL=C1+C2=310.6+44.6=355.2萬元/y

根據上述計算可以清楚發(fā)現太陽能加熱系統(tǒng)與冷凝水余熱耦合系統(tǒng)采暖提供熱量E1大于采暖需要熱量E。因此，必須采用太陽能熱水系統(tǒng)與冷凝水回收系統(tǒng)耦合方式進行冬季供暖，以保證采暖效果的連續(xù)性。而夏季，太陽能熱水系統(tǒng)可以對鍋爐上水進行預熱，可以將現階段50 ℃左右的進水溫度提高15 ℃，從而提高鍋爐熱效率2%～3%左右。

3 太陽能與冷凝水耦合采暖系統(tǒng)環(huán)境效益分析

天然氣燃燒主要的污染物為二氧化碳及氮氧化物。通過余熱回收，可以減少天然氣的使用量，從而達到二氧化碳及氮氧化物的減排，具有很好的環(huán)境效益。根據統(tǒng)計，天然氣燃燒產生的二氧化碳及氮氧化物指標分別為55.9 kg/109J及3.5 kg/109J。

每年減少二氧化碳排放量

Q1=(5.5×109×24×120+0.945×109×

8×120)÷85%×55.9÷109=1 101 t/y

每年減少氮氧化物排放量

Q2=(5.5×109×24×120+0.945×109×

8×120)÷85%×3.5÷109=68.9 t/y

4 太陽能與冷凝水耦合采暖系統(tǒng)經濟性分析

太陽能與冷凝水耦合采暖系統(tǒng)投資(M)505.7萬，主要由太陽能熱水系統(tǒng)、冷凝水回收系統(tǒng)、蒸汽補充系統(tǒng)、管網及智能控制系統(tǒng)等組成。因此，整個系統(tǒng)改造的投資回收期(T)為：

T=M÷(CS+CL)=505.7萬元÷

(236.2+355.2)萬元=0.86年=10.2個月

5 結束語

通過對魯南集團原有太陽能加熱系統(tǒng)恢復及與冷凝水回收系統(tǒng)耦合，可滿足集團冬季采暖需求(節(jié)省采暖費用236.2萬元)，每年可減少能源使用費用591.4萬元。整個系統(tǒng)投資505.7萬元，投資成本10.2個月全部回收小于國家規(guī)定的3年時間；此外，由于燃氣量消耗減少可以減少二氧化碳排放約1 101 t，氮氧化物68.9 t，實現集團生產過程的節(jié)能減排及冬季的綠色采暖。因此，該項目的實施可以給企業(yè)帶來巨大的經濟效益和社會效益。