【原创论文九】| 热水系统与空压机冷却余热回收的结合

摘要：本文通过对热水系统和空压机冷却水的现状介绍，以北京市某项目为例，根据前期多次的现场详细勘察，对北京某项目热水系统以及空压机冷却水系统设备进行综合节能改造（高温热泵技术以及空压机余热回收利用），并实现实时监测、在线反馈、远程控制和计算机管理，并在此基础上通过对热水系统以及空压机冷却水系统的优化和节能控制，以达到智能运行、精细化管理和高效节能的目的。从而避免空压机冷却消耗热量，同时节省热水系统的蒸汽使用。最终，确保系统整体的安全性和可靠性，并在一定时期内保持技术的先进性。

关键词：工艺热水系统  空压机冷却水系统  余热回收

1、引言

近些年，节能成为我国大力号召的工作。节能就是在应用技术上现实可靠、经济上可行合理、环境和社会都可以接受的方法，有效地利用能源，提高用能设备或工艺的能量利用效率。热能是生活中必不可少的要素，虽然近些年出现了很多余热回收的措施，来达到节能效果，但是仍存在不少热能浪费的现象。目前全国许多项目的大型空压机的用量较大，但是产生的预热都需要用冷冻机来进行冷却，如何将这部分热量利用起来，具有极大的推广意义[1]。同时热水系统采用蒸汽加热模式，通过板换，蒸汽与热水热交换，给热水加热，将高品位蒸汽转换为低品位热水，存在较大的能源浪费[2]。因此，本文通过对热水系统以及空压机冷却水系统设备进行综合节能改造，使用高温热泵技术实现空压机余热的回收利用，即达到了余热回收的目的，又节省了蒸汽。同时实现实时监测、在线反馈、远程控制和计算机管理，并在此基础上通过对热水系统以及空压机冷却水系统的优化和节能控制，以达到智能运行、精细化管理和高效节能的目的。

2、现状

根据热水系统以及空压机冷却水系统的运行能耗和存在的节能潜力，经过多次的勘察、交流和评估，提供综合性的节能解决方案、投资分析和节能效益评估。

目前热水系统按照闭式运行，由蒸汽提供高温热源，经板式换热器换热，热水供应采暖及生活热水。空压机冷却由制冷站来完成，运行工况如下表2-1。

表2-1 目前设备工况

根据目前热水系统以及空压机冷却水系统的特点和运行情况要求，方案采用的综合节能改造及节能控制系统对现有热水系统以及空压机冷却水系统进行改造，结合现有成熟技术，对空压机余热利用高温热泵技术进行回收，提升设备运行效率，降低制冷机组消耗，减低热水蒸汽加热量。

工艺现状如下图2-1所示。

图2-1节能改造前设备运行原理图

3、技术改造方案

通过工艺确认及详细的节能测算，本项目采取针对性的节能措施，结合工艺、电气、自控及流体力学技术，在现有设备的基础上，采取高温热泵技术以及空压机余热回收利用技术。主要的实施内容如下所示：

3.1采用高温热泵替代原有蒸汽板换加热

通过在原有循环水泵出水口增设管路、高温热泵机组、及切换阀门，使原有热水回水先经过高温热泵机组加热，再经过原有蒸汽板换，替换原有的蒸汽加热方式，大幅降低运行能耗及单耗[3]。

3.2采用高温热泵替代原有冷冻机组部分负荷

通过增设管路，管道增压泵，电动三通比例阀及切换阀门组，使热泵机组替代原有冷冻机组部分负荷，降低制冷机组的负荷，从而大幅度降低运行能耗及单耗。

3.3工艺监测及联动

增设传感器及现场感测箱，实时感测工艺热水，空压机冷却水温度、压力等实时工况，实现安全限值预警及联动，确保工艺安全和稳定运行，确保系统稳定运行。

3.4实时智能监控管理、提高运营管理水平，缩短维护时间

系统实现系统的集中管理、分布式控制和精细化控制，实现对全系统的实时监控、管理，并实现人机交互和远程操作、调节。并进行进一步的数据分析、报表汇总、生成运营报告。智能控制、智能运行、智能管理，降低工作强度，提高管理效率。

3.5规范操作流程，使管理操作人员快速上手，缩短培训时间

规范了系统操作流程和运行策略，可有效杜绝因人为因素造成的操作失误 ，使系统运行更高效、安全、稳定。

4、节能改造原理

4.1工艺和生活热水系统

目前工艺热水和生活热水全年采用蒸汽加热模式，通过板换，蒸汽与工艺热水热交换，从而来给工艺热水加热，存在较大的能源浪费[4]。

根据提供的工艺热水温度需求，流量Q=250m3/h，热水进水温度75℃，回水温度65℃，本项目采用余热回收型高温热泵与原有蒸汽板换串联模式，通过高温热泵蒸发器吸收空压机的余热，来给工艺热水加热，从而达到减少蒸汽甚至替代蒸汽使用目的，原有蒸汽系统作为备用热源或辅助加热热源。

节能改造前，两系统中均存在多余能源的浪费，在空压机中，所产生的余热无法合理利用，如果这部分余热用到工艺热水的加热，可达到减少蒸汽使用的目的。

4.2空压机冷却水系统

目前空压机冷却水系统全年采用冷冻机冷却模式，空压机回水经过冷冻机组降温，再次回到空压机，存在较大的能源浪费。

根据提供的空压机进出水温参数以及流量（流量Q=300m3/h，冷冻机进水温度18℃，出水温度10℃），采用高温热泵与原有冷却系统串联模式，从而达到减少甚至替代冷冻机制冷，减少给空压机散热所需电能的目的，改造后，空压机冷却出水先经过增压泵进入高温热泵机组，降温后的冷却水再回到原冷却水母管，由此可降代冷冻机组的冷却负荷。

本项目改造后，对于低温热源热泵机组的运行效率，在2900kW的制热量下，冷却水回水温度可从18℃降至12－13℃。改造后的系统流程图如下图所示。

图4-1改造后的系统流程图

5、设备参数及节能效益分析

5.1工业热泵回收系统方案设计

5.1.1设计参数

空压机冷却水18℃10℃，流量约为300m³/h，预计制取热水温度75℃/65℃，流量250m³/h。

5.1.2负荷确定

根据流量温度要求，加热250m³/h，温度65℃热水至75℃所需热量：Q=4.2×250×1000×（75－65）℃÷3600=2917kW。本项目空压机冷却水可以提供的热量约为：Q=4.2×300×1000×（18－12）℃÷3600=2100kW。

5.1.3热泵系统方案设计

根据空压机冷却水可以提供热量，采用超高温离心式水源热泵机组1台，制热量3500kW。该机组为两段式压缩高温机组，能量调节范围为10～100%，回收利用空压机余热制取温度为75℃的热水。原有蒸汽作为备用热源。下表为机组性能参数表。

表5-1机组性能参数表

5.2工业热泵系统年节约费用计算

5.2.1改造前蒸汽及用电费用

蒸汽价格200元/吨，需求量为平均每天100吨，则原有热水系统采用蒸汽加热热水费用为：200×100×300=6000000=600万元

原来冷冻机的冷量为：4.2×300×1000×(18-10)/3600=2800kW

按照冷水机组平均能效比5计算所需输入功率为：2800/5=560 kW

则全年使用费用为：560×24×300×0.6 =241.92万元

改造前蒸汽和电力总使用费用为：600万元+241.92万元=841.92万元

5.2.2改造后用电费用计算

新增热泵机组电费计算如下：

用工业热泵运行费用=热泵和水泵输入功率×运行台数×每天运行时间×运行天数。

运行时间按每天运行24小时，全年300天计；平均电价按0.6元/kWh计。则年运行费用为：920×1×24×300×0.60=3974400≈398万元

制冷机组电力消耗的计算主要包括，改造后，空压机冷却水回水温度可降到12℃，制冷机负荷为：4.2×300×1000×(12-10)/3600=700kW

该部分冷却水消耗的电力为：700/5=140 kW

全年使用费用为：140×24×300×0.6 =60.48万元

改造后电力总使用费用为：398万元+60.48万元=458.48万元

综合以上，本项目改造后，每年节省费用为：841.92万元-458.48万元=383.44万元

5.3热泵原理介绍

制热原理：通过抽取低温热水进入机组蒸发器和制冷剂进行热交换，此时制冷剂吸收了低温热水中所蕴含的热量，而制冷剂则通过自身的循环过程把吸收的热量带至冷凝器中，再把热量释放给在冷凝器中循环的系统水，系统水被加热后进入使用端，如暖气片、风机盘管、地暖管等，这样就实现了房间的供暖目的。总体来说，就是热泵机组把低温热水中蕴含的热量提取出来运输并转移至用户端。

制冷原理：制冷与制热过程能量的传递刚好相反，系统水在房间里也通过末端装置，如风机盘管、空调器等和室内空气进行热交换，吸收房间的热量后进入机组蒸发器和制冷剂进行热交换，此时制冷剂吸收了系统水中吸收的房间的热量，制冷剂则通过自身的循环过程把吸收的热量带至冷凝器中，再把热量释放给在冷凝器中循环的地下水，地下水就完成了任务通过回灌井回灌到地下同时也把房间的热量带到了地下，从而实现制冷的目的。实际上总结起来一句话，热泵机组把系统水中吸收的房间的热量提取出来运输并转移至地下实现了制冷。

水源热泵用于供暖其效率（能效比）高达5左右；供冷能效比高达6左右。

5.4系统监控

无线监控系统为用户实现了真正意义上的远程监控，也为提供优质的售后服务搭建了良好的平台。无线监控作为每台机组的标准配置，用户操作者可通过手机发送短消息，对机组进行开机、停机和查询机组运行状态的指令，当机组出现故障时，机组会自动通过给用户操作者发送短消息进行故障报警。由专门售后服务人员通过专用计算机，监控每一台机组的运行状态，当机组偏离标准运行工况时，售后服务人员会在第一时间知道并针对偏离情况提出解决办法。

6、结论

最终，本文所述的北京市某项目在热水系统与空压机冷却余热回收技术上的应用较为成功。该项目将两个独立的系统工艺热水系统和空压机冷却水系统建立连接的桥梁，不仅达到了余热回收的效果，而且实现实时监测、在线反馈、远程控制和计算机管理，并在此基础上通过对工艺热水系统以及空压机冷却水系统的优化和节能控制，以达到智能运行、精细化管理和高效节能的目的。全面实现无人值守、少人值守，完善设备管理系统，提高现代化水平。量身定做并做针对性规划设计。并且工艺热水系统以及空压机冷却水节能改造项目的实施，不仅对两系统本身进行了优化和节能，也为接下来在工艺热水系统和空压机冷却水系统方面的研究提供新思路。

参考文献

[1]刘伟立, 曾伟平. 空压机余热回收热水系统方案的探讨[J]. 科技致富向导, 2013(27):263-263.

[2]席海涛. 空压机余热回收利用设计与效益分析[J]. 煤炭工程, 2014, 46(6):22-24.

[3]潘立敏. 煤矿空压机余热回收再利用系统可行性分析[J]. 煤炭科技, 2018(1).

[4]张晓宇. 空压机余热回收用于洗浴系统[J]. 科技创新与应用, 2013(36):45-45.