工業(yè)低溫循環(huán)水余熱回收技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

高軍  馬光宇  劉常鵬  趙俁

（鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧  鞍山，114009）

摘  要：鋼鐵企業(yè)低溫循環(huán)水余熱資源豐富，但利用率低，而熱泵技術(shù)在這方面具有很大潛力。本文介紹了高效熱泵技術(shù)的特點及回收循環(huán)水余熱的亮點，闡述了寒冷地區(qū)采用高效熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水余熱在供暖中的應(yīng)用及效果，具有行業(yè)引領(lǐng)的積極作用，經(jīng)濟效益及環(huán)保效應(yīng)巨大。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水余熱、高效熱泵技術(shù)、節(jié)能

The Application and Development of Industrial Low Temperature Circulating Water Waste Heat Recovery Technology

Gao Jun   Ma Guangyu   Liu Changpeng   Zhao Yu

（Technology Center of Angang Steel Co., Ltd., 114009, Liaoning China）

Abstract：There are abundant low temperature waste heat containing in circulating water, known for low recovery efficiency, in iron and steel industry and the heat pump technology is a potential way to recovery this kind of waste heat. This paper introduces the key feature of high-efficiency heat pump technology and the highlights of waste heat recovery in circulating water and discuss the application of low temperature circulating water waste heat recovery technology in areas with cold winter which has a leading role with huge economy and environment protect benefits.

Key words：Circulating water；Heat pump technology；Energy saving

1 前言

2017年我國鋼鐵工業(yè)余熱資源總量為8.44GJ/t鋼，占噸鋼可比能耗的37%。鋼鐵工業(yè)冷卻水?dāng)y帶的顯熱為1.24GJ/t鋼，占余熱資源總量15%。目前大部分企業(yè)采用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻，水溫大約在15-35℃，循環(huán)水的余熱回收率非常低僅為1.9%左右，存在的大量低溫余熱白白浪費；北方地區(qū)冬季采暖一般采用蒸汽或蒸汽換熱水兩種形式，存在蒸汽壓力和熱損失較大浪費問題。目前高效熱泵回收循環(huán)水余熱技術(shù)應(yīng)用于冶金企業(yè)冬季供暖的較少，這項技術(shù)不僅能大幅度提高一次能源利用效率，而且具有污染物零排放的特點。因此，高效熱泵節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，無論是對于北方地區(qū)的冬季供暖，還是工業(yè)的中低溫余熱利用都意義重大。

2 熱泵技術(shù)的分類及應(yīng)用

2.1 熱泵技術(shù)的分類

熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理實現(xiàn)的。按照驅(qū)動力的不同，熱泵可以分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵。壓縮式熱泵主要由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸收熱量）—壓縮—冷凝（放出熱量）—節(jié)流—再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，將低溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f給熱用戶。吸收式熱泵主要由再生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、溶液熱交換器等組成，是利用兩種沸點不同的物質(zhì)組成的溶液的氣液平衡特性來工作的^[1]。

根據(jù)熱泵的熱源介質(zhì)來分，可分為空氣源熱泵和水源熱泵等：空氣源熱泵是以空氣為熱源，因空氣對熱泵系統(tǒng)中的換熱設(shè)備無腐蝕，理論上可在任何地區(qū)（寒冷地區(qū)可在回水管加補熱器等）都可運用，因此是目前熱泵技術(shù)應(yīng)用最多的裝置；水源熱泵是以熱水為熱源，因水源熱泵的熱源溫度一般為15～35℃，全年基本穩(wěn)定，其制熱和制冷系數(shù)可達(dá)3.5-4.5，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出30%左右^[2]。

2.2 熱泵技術(shù)的應(yīng)用

近年來水源熱泵技術(shù)在我國取得了較快的發(fā)展，市場也日趨活躍，低溫循環(huán)水余熱的低品位熱源可為水源熱泵機組利用，大型高能效熱泵機組技術(shù)成為關(guān)鍵，前景廣闊。本文主要就大型、高效離心式水源熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱的應(yīng)用進(jìn)行實例分析。

3 循環(huán)水與熱泵技術(shù)結(jié)合的亮點

目前熱泵在城市現(xiàn)實生活中的應(yīng)用熱源多為地下水等低位熱能，換熱后的供暖水溫在50℃左右,對于寒冷地區(qū)很難保證供暖。需要與低溫?zé)嵩唇Y(jié)合，達(dá)到滿足寒冷地區(qū)對供暖熱水溫度的需求^[3]。循環(huán)水結(jié)合熱泵技術(shù)供暖的亮點。

3.1 消除熱泵技術(shù)的局限

熱泵不用吸地下水,避免了受地下水資源和含沙量的影響，同時不需要為管路和熱泵的安置打很深的豎井，節(jié)省了初始投資。由于循環(huán)水具有非常好的品質(zhì)和連續(xù)性，閉式循環(huán)運行穩(wěn)定。

由于循環(huán)水比較清潔，無腐蝕問題，不易導(dǎo)致傳熱效果惡化；熱泵如果需要清潔，也比較容易做到^[1]。

3.2 解決循環(huán)水站運行存在的問題

利用循環(huán)水中的余熱，降低了循環(huán)水站蒸發(fā)量，即向大氣排放的熱量，減小了溫室效應(yīng)。

降低循環(huán)水進(jìn)水溫度，循環(huán)水溫度不需再經(jīng)過冷卻水塔或冷卻器冷卻，直接送到循環(huán)水系統(tǒng)中，節(jié)約循環(huán)水泵的電能。

3.3 克服原有蒸汽供暖系統(tǒng)的熱損失

原采暖系統(tǒng)的蒸汽管網(wǎng)長、保溫效果不好；同時原有的蒸汽-熱水換熱如管殼換熱器、板式換熱器等設(shè)備老化，效率過低，導(dǎo)致原有系統(tǒng)熱損失率較大，采用熱泵技術(shù)完全克服了原有供暖系統(tǒng)熱損失。

4 高效熱泵的技術(shù)特點

熱泵機組性能的提高可通過提高制熱系統(tǒng)各部件的性能來實現(xiàn)，也可以通過改善系統(tǒng)循環(huán)來實現(xiàn)。COP是指制熱性能指數(shù)(英文Coefficiency of Performance縮寫)，即制熱量與輸入功率的比率。即如何用低輸入功率，產(chǎn)生高熱制熱量，是提高COP性能指數(shù)的關(guān)鍵。目前熱泵的制熱性能指數(shù)COP一般為3.5-4.5，采用高效熱泵及優(yōu)化運行參數(shù)可提高COP性能指數(shù)30%以上。

4.1 高效離心雙級壓縮補氣增焓熱泵技術(shù)

采用帶經(jīng)濟器的二級壓縮循環(huán)能較大幅度提高制熱量，而功耗增加較少，因此系統(tǒng)性能明顯改善，節(jié)能效果顯著。經(jīng)濟器前節(jié)流的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)系統(tǒng)流程及壓焓圖如圖1。壓縮機排出的高溫高壓制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器放熱，然后通過一次節(jié)流后進(jìn)入經(jīng)濟器閃蒸，產(chǎn)生的中壓蒸氣進(jìn)入中間補氣孔，剩余態(tài)工質(zhì)再經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱氣化后被壓縮機吸氣口吸人，被壓縮到一定壓力后，與中間補氣口吸入的制冷劑混合，再進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機，完成一個循環(huán)^[4]。

雙級壓縮補氣循環(huán)為最優(yōu)選擇，制冷時可提高系統(tǒng)循環(huán)效率5%；制熱時，可提升循環(huán)效率約8%，能效高，更穩(wěn)定，見圖2。

圖1 雙級壓縮補氣增焓系統(tǒng)                       圖2 系統(tǒng)循環(huán)P-h

4.2 壓縮機全工況氣動設(shè)計技術(shù)

傳統(tǒng)的壓縮機設(shè)計方法根據(jù)額定工況點進(jìn)行設(shè)計，高效離心式熱泵針對75%工況點進(jìn)行設(shè)計，然后向50%、100%工況拓展。壓縮機還設(shè)計了新型的三元全長葉片閉式葉輪、低稠度葉片擴壓器360°環(huán)形補氣口等氣動零部件。在常規(guī)運行范圍內(nèi)，壓縮機絕熱效率可達(dá)85%以上 ^[5]。

4.3 減少傳熱溫差技術(shù)

傳熱溫差是導(dǎo)致實際熱泵循環(huán)偏離理想逆卡諾循環(huán)的—個重要因素。從公式(17)№o可看出傳熱溫差越大，不可逆損失越大，偏離理想循環(huán)的程度也就越大：En=∫12dQ (T1-T2)/ (T1T2)× Ta當(dāng)對數(shù)平均溫差每降低l℃，換熱器的不可逆程度減少0.01l。因此要選擇合適的傳熱溫差，使蒸發(fā)溫度不能過低，冷凝溫度不能過高，從而提高系統(tǒng)性能指數(shù) ^[4]。

5 高效熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水低溫余熱在供暖中應(yīng)用

以某鋼廠地區(qū)采暖為例，應(yīng)用一種高效離心熱泵技術(shù)，將鋼鐵企業(yè)低溫余熱循環(huán)水資源利用，替代原有的蒸汽供暖；同時在采暖系統(tǒng)運行中優(yōu)化熱泵運行參數(shù)，提高能效指數(shù)COP指數(shù)在5.5以上。

5.1 熱泵技術(shù)回收循環(huán)水系統(tǒng)余熱的方案

軋鋼廠循環(huán)水經(jīng)過切換閥到熱泵系統(tǒng)，通過熱泵的蒸發(fā)器將循環(huán)水內(nèi)的熱量提取出來，輸送到冷凝器，在冷凝器內(nèi)把熱量傳遞給供暖熱網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)與高效熱泵技術(shù)相結(jié)合的供暖方式。生成的采暖熱水由熱水泵經(jīng)廠區(qū)熱水管網(wǎng)送至各采暖熱用戶，如圖3所示。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)與熱泵相結(jié)合示意圖

5.2 優(yōu)化熱泵系統(tǒng)的運行

5.2.1優(yōu)化熱泵熱水溫差，提高COP性能指數(shù)

離心式熱泵機組在運行過程中，熱水循環(huán)流量固定，機組的制熱量調(diào)節(jié)采用熱水的溫差來實現(xiàn)。通過優(yōu)化熱泵熱水溫差控制，提高COP性能指數(shù)。供熱負(fù)荷按實際需求Qs，熱水流量m，計算得出供回水溫差。計算公式： Qs=m×c×（t₁-t₂)= m×c×△t，其中c比熱容KJ/Kg℃，△t為供回水溫差，此溫差按5-7℃為熱泵機組運行最優(yōu)溫差。隨著出口熱水溫差增加，COP性能指數(shù)降低(見圖4)。

5.2.2優(yōu)化熱泵熱水出口溫度，提高COP性能指數(shù)

降低供出熱水溫度。現(xiàn)有熱泵機組為雙級壓縮系統(tǒng)，在采暖初期和末期，系統(tǒng)供出熱水溫度按40-45℃控制，所需熱負(fù)荷降低，優(yōu)化控制出口水溫參數(shù)，將熱泵雙級壓縮優(yōu)化控制為一級壓縮，降低熱泵系統(tǒng)的耗電量，滿足現(xiàn)場的熱負(fù)荷需求，熱泵性能指數(shù)COP提高（見圖5）。

圖4  熱水溫差性能曲線                   圖5  熱水出口溫度性能曲線

5.2.3 COP性能指數(shù)實際運行分析

COP= Qs/P  Qs供熱熱負(fù)荷  P系統(tǒng)耗電量（按表計量）,以下數(shù)據(jù)為采暖期按4個月的平均值。Qs=m×c×（t₁- t₂)，其中M為供出熱水量，c比熱容KJ/Kg℃，t₁、t₂為供水及回水溫度℃。系統(tǒng)電量P為熱泵系統(tǒng)總的耗電量,按表計量 Qs= m ×c×（t₁- t₂)=31974.3MJ P=5778MJ   COP=Qs/P=5.53 通過以上優(yōu)化運行，COP性能指數(shù)與傳統(tǒng)的指數(shù)4.0比較，提升38.25%以上。

6 運行效果及效益分析

6.1 運行效果及經(jīng)濟效益

項目實施后，采暖全部由熱泵系統(tǒng)供出，供暖溫度達(dá)到設(shè)計55℃要求，原用蒸汽全部停用，實現(xiàn)替代蒸汽采暖的目標(biāo)，同時減少循環(huán)水的蒸發(fā)量及二氧化碳、氮氧化物的排放量，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

節(jié)約蒸汽62.25t/h，采暖期按4個月（2880h）計算，年節(jié)約蒸汽523497.6GJ，蒸汽價格按45元/GJ計算，年節(jié)約蒸汽蒸汽效益2355.7萬元。熱泵供暖系統(tǒng)年耗電量462萬度，消耗資金249.5萬元，扣除年維護(hù)費用和年折舊費用241萬元，年節(jié)約資金1865萬元，項目的投資回收期為1.2年。

6.2 節(jié)能效益及環(huán)保效益

該項目年節(jié)標(biāo)蒸汽523497.6GJ，折算的年節(jié)能量為17862噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

按每燃燒一噸標(biāo)煤排放二氧化碳約2.6 t、二氧化硫約24 kg、氮氧化物約7kg計算，每年可減排二氧化碳46441t、二氧化硫約430t、氮氧化物126t，大大改善了周圍的生活環(huán)境。

回收循環(huán)水余熱的高效熱泵用于北方的供熱方式能較好地實現(xiàn)能量的梯級利用，節(jié)能效果顯著；同時可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對環(huán)境造成的熱污染，具有良好的熱力性能和社會效益。優(yōu)化熱泵運行參數(shù)，使熱泵COP性能指數(shù)達(dá)到5.5以上，為國內(nèi)領(lǐng)先水平，具有向同行業(yè)低溫余熱回收技術(shù)推廣價值。

參考文獻(xiàn)

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