多种模式的节能技术在制造工厂中的运用

王守锋　卢道凯　王加圣

摘 要：在企业管理中建立能源管理体系建设，从管理节能、工艺节能、设备节能等方面，多措并举，深挖潜力，运用热回收和水蓄冷技术，结合企业能源消耗特点，制定多种节能模式，根据实际生产自由组合，以达到最优的节能效果。

关键词：能源管理体系；热回收和水蓄冷；节能模式

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

1 概述

随着能源的日益紧张，节能工作已经成为当今全球关注的焦点。企业在生产过程中，也越来越重视控制能源消耗。对于制造业企业来说，能源消耗主要来自于设备用电，高能耗的如清洗机、涂装线等，多是采用电加热。另外，生产车间的夏季制冷和冬季供热也需要消耗电能和天然气。前期能源管理的主要途径是通过合理安排生产，减少开机时间来节约能耗。在能源管理体系中，以寻求日常生产的节能机会是企业节能的一个重要措施。近几年，国家正在積极推行电力需求侧管理，为了鼓励使用谷电，电费执行峰、平、谷的差别电价政策，峰电时段（8：30至11：30）电价比谷电时段（23：00至次日7：00）电价高出0.7元/kWh，电费差距巨大，这对企业节能来说是一个很好的节省能源费用的契机。如果能充分利用谷电，移峰填谷，可降低能源消耗、节约电费。

2 热泵技术与工厂节能

根据热力学定律，热能从温度高的地方向温度低的地方传递，而如果我们想要让这个过程逆转，那就需要使用热泵技术，其原理是逆卡诺循环，通过压缩机做功，使工质产生物理变相“气态--液态--气态”，利用这一往复循环相变过程不断通过蒸发器吸热和冷凝器放热（图1），将低温热能转换为高温热能的方式，能效永远大于1。

热泵技术近些年被广泛推广，在于其既可用于供热采暖，也可以用于制冷降温，并且其特点正好受益于国家电力需求侧改革的谷峰电政策，可以将其用于节能案例中，通过增加谷电消耗、减少峰电运行的方式来追求经济价值。可以说，热泵开启了节约能源的新时代，是节约能源的最重要最有效的手段。

3 余热回收和水蓄冷

热泵技术可用于余热回收，其方式在于将原本没有使用价值的低品质热源通过高高温热泵提升品质，达到可利用的高温热源，回收再利用。这种技术在工厂节能中如同汽车涡轮增压器提升发动机性能并减少汽油消耗。高温热源在工厂中可用于代替电、天然气、蒸汽等热源使用，减少能源浪费，降低能源消耗、优化用能结构。

水蓄冷技术主要采用电动制冷机制冷，也可采用热泵用于制冷，将冷量以冷水的形式储存起来。对于工厂来说，基于谷峰电费差异较大的情况，可以用水蓄冷在电力负荷低的夜间制冷，在电力高峰期的白天，不开或少开制冷机，充分利用夜间储存的冷量进行供冷，从而达到电力移峰填谷的目的。降低企业运营成本，且有利于电网的安全经济运行。

4 多种组合的企业节能模式

4.1 工厂生产中的节能机会

企业在日常生产时，清洗机使用电加热，涂装线使用天然气加热，厂房采暖使用天然气和蒸汽，夏季制冷使用空调消耗电能。与此同时，公司的多个空压机以及多台发动机试车台架在运行时产生大量余热却无法使用。另外，每年采暖季前后共1个月的过渡时段内，因环境温度低，许多高精度进口加工设备会报警，无法正常使用，若单独为其供热，能效较低，而且费用很高。

4.2 余热回收和水蓄冷相结合的解决方案

对于大量用热点的需求，我们利用热泵技术，通过高高温热泵型余热回收机组，将空压机30℃左右的循环水利用水泵输送至机组，通过蒸发器进行热交换，循环水温降至20℃返回空压机，替代凉水塔降温；同时，用热点（例如清洗机、涂装空调）的低温水通过供热水泵在机组的冷凝器内进行热交换，使水温升至65℃，再返回用热点，通过换热器将热量释放。空压机的余热得到有效利用。

为了解决夏季用冷耗电的问题，我们在生产厂房附近建造了一座1500 m?的蓄冷罐，其蓄冷量达到15000kW，采用专利高效布水装置，蓄冷有效利用率可高达95%。在夜间低谷电时段，通过两台蓄冷机和热泵制取5℃左右的低温水储存至蓄冷罐；在白天峰电时段，将冷冻水通过放冷泵送至空调机组，实现放冷。

通过能量平衡计算，确定热泵参数（见表1）。

综上所述，采用余热回收和水蓄冷相结合的解决方案，实现能量的平衡（见表2），达到节能的目的。

4.3 多种节能模式完全应对工厂用能

由于能源使用条件情况多变，在不同的季节、环境及生产条件下，对能源种类与用量的需求存在诸多变数。例如极端天气的高用能、出现对冷热同时需求的时段、制冷机制冷量与用冷量存在较大差异等。我们经过分析大量运行数据，对用能情况划分了八种状况，通过对热泵和制冷机的运行组合，将运行方式进行创新的模块化设计，以对应八种用能状况，各模式间可自动转换。同时，我们将信息化技术引入自控中，以实现通过网络的远程控制、数据自动上传、运行状态时时监控等，做到无人值守站房的能源管理，减少劳动力。这八种运行运行模式设计如下：

（1）模式1：热回收主机余热回收。一年四季均可实现余热回收，尤其是在冬季采暖季及采暖季前后各半个月，该段时期回收的余热可全部用掉，春夏秋季可用于清洗机加热。彻底解决了多年以来一直困扰着的采暖过渡季节设备不能正常开机的难题。该模式的原理图见图2。

（2）模式2：离心式冷水机和热泵机组联合蓄冷模式。该模式主要是在夜间低谷电时段，机加工车间清洗机不需加热，热泵机组不进行余热回收，此时段以蓄冷为主，可减少能源浪费，使蓄冷能耗最小。该模式的原理图见图3。

（3）模式3：蓄冷罐放冷模式。该模式主要是应用于峰电时段，将夜间低谷电时段蓄存的冷量释放，减少高峰时段电能消耗，降低电费、平衡电网。该模式的原理图见图4。

（4）模式4：蓄冷罐冷却模式。该模式用在放冷模式结束后的极端天气时，制冷机组运行过程中冷却水温度不断提高，机组制冷负荷增大，当冷却水温度升至32℃时，机组存在喘振可能。使用该模式可提供14-24℃的冷水对冷却水降温至28℃左右，可确保机组安全、高效运行。该模式的原理图见图5。

（5）模式5：热泵机组制冷兼热回收模式。该模式主要用于制冷负荷较大时，两台制冷主机不能满足制冷要求或一台主机制冷不足而两台主机负荷过低时，使用该模式可使热泵机组在为机加工清洗机供热的情况下参与制冷。该模式的原理图见图6。

（6）模式6：蓄冷罐放冷与机组联合供冷模式。该模式用在极端高温天气时，蓄冷罐蓄存冷量不能满足3个小时放冷，使用该模式可将热泵机组参与制冷和供热，制冷主机设置在自动状态，根据冷冻水温变化自动启动，降低空调负荷，减少峰电时段电能消耗。该模式的原理图见图7。

（7）模式7：离心式冷水机末端供冷模式。该模式主要是用于制冷负荷较大时，两台制冷主机可满足制冷要求时，制冷主机制冷，热泵机组参与制冷不供热，可最大限度提高制冷量，确保制冷效果。该模式的原理图见图8。

（8）模式8：热泵机组蓄冷兼热回收模式。该模式用在夜间谷电时段，车间上夜班清洗机需加热时，热泵机组在蓄冷的同时为清洗机加热。该模式的原理图见图9。

5 效果分析

空压机余热回收及水蓄冷有效结合，通过模块化运行管理，实施效果非常好。经测算，2016年给企业节省费用194万元，节约790吨标煤，减少1973吨二氧化碳排放，并节省软化水消耗3800吨。该成果被当地评为2016年市电力需求侧管理示范项目，获得政府专项补贴，并得到媒体的广泛宣传，称为“电力需求侧管理的‘样本工程”，为企业取得了巨大的经济效益和社会效益，具有极大的推广价值和示范作用。

参考文献：

[1]陈东.热泵技术手册[M].化学工业出版社，2012.

[2]赵学俭.工业用能设备节能手册[M].机械工业出版社，2014.

[3]刘志斌.热泵供热供冷工程[M].中国海洋大学出版社，2016.

[4]DL/T 359-2010电蓄冷（热）和热泵系统现场测试规范[M].中国电力出版社，2010.

[5]GB/T 23681-2009制冷系统和热泵系统流程图和管路仪表图[S].

[6]SB/T 10345.2-2012制冷系统和热泵 安全和环境要求[S].