工業低溫循環水余熱回收技術的開發與應用

摘 要：鋼鐵企業低溫循環水余熱資源豐富，但利用率低，而熱泵技術在這方面具有很大潛力。本文介紹了高效熱泵技術的特點及回收循環水余熱的亮點，闡述了寒冷地區采用高效熱泵技術回收工業循環水余熱在供暖中的應用及效果，具有行業引領的積極作用，經濟效益及環保效應巨大。

關鍵詞：循環水余熱、高效熱泵技術、節能

1 前言

2017年我國鋼鐵工業余熱資源總量為8.44GJ/t鋼，占噸鋼可比能耗的37%。鋼鐵工業冷卻水攜帶的顯熱為1.24GJ/t鋼，占余熱資源總量15%。目前大部分企業采用敞開式循環冷卻水系統冷卻，水溫大約在15-35℃，循環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水余熱技術應用于冶金企業冬季供暖的較少，這項技術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，高效熱泵節能技術的開發與應用，無論是對于北方地區的冬季供暖，還是工業的中低溫余熱利用都意義重大。

2 熱泵技術的分類及應用

2.1 熱泵技術的分類

熱泵技術是基于逆卡諾循環原理實現的。按照驅動力的不同，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器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成，通過讓工質不斷完成蒸發（吸收熱量）—壓縮—冷凝（放出熱量）—節流—再蒸發的熱力循環過程，將低溫熱源的熱量傳遞給熱用戶。吸收式熱泵主要由再生器、吸收器、冷凝器、蒸發器、溶液熱交換器等組成，是利用兩種沸點不同的物質組成的溶液的氣液平衡特性來工作的[1]。

根據熱泵的熱源介質來分，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，因空氣對熱泵系統中的換熱設備無腐蝕，理論上可在任何地區（寒冷地區可在回水管加補熱器等）都可運用，因此是目前熱泵技術應用較多的裝置；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℃，全年基本穩定，其制熱和制冷系數可達3.5-4.5，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出30%左右[2]。

2.2 熱泵技術的應用

近年來水源熱泵技術在我國取得了較快的發展，市場也日趨活躍，低溫循環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成為關鍵，前景廣闊。本文主要就大型、高效離心式水源熱泵技術回收循環水余熱的應用進行實例分析。

3 循環水與熱泵技術結合的亮點

目前熱泵在城市現實生活中的應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,對于寒冷地區很難保證供暖。需要與低溫熱源結合，達到滿足寒冷地區對供暖熱水溫度的需求[3]。循環水結合熱泵技術供暖的亮點。

3.1 消除熱泵技術的局限

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，節省了初始投資。由于循環水具有非常好的品質和連續性，閉式循環運行穩定。

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

3.2 解決循環水站運行存在的問題

利用循環水中的余熱，降低了循環水站蒸發量，即向大氣排放的熱量，減小了溫室效應。

降低循環水進水溫度，循環水溫度不需再經過冷卻水塔或冷卻器冷卻，直接送到循環水系統中，節約循環水泵的電能。

3.3 克服原有蒸汽供暖系統的熱損失

原采暖系統的蒸汽管網長、保溫效果不好；同時原有的蒸汽-熱水換熱如管殼換熱器、板式換熱器等設備老化，效率過低，導致原有系統熱損失率較大，采用熱泵技術完全克服了原有供暖系統熱損失。

4 高效熱泵的技術特點

熱泵機組性能的提高可通過提高制熱系統各部件的性能來實現，也可以通過改善系統循環來實現。COP是指制熱性能指數(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，產生高熱制熱量，是提高COP性能指數的關鍵。目前熱泵的制熱性能指數COP一般為3.5-4.5，采用高效熱泵及優化運行參數可提高COP性能指數30%以上。

4.1 高效離心雙級壓縮補氣增焓熱泵技術

采用帶經濟器的二級壓縮循環能較大幅度提高制熱量，而功耗增加較少，因此系統性能明顯改善，節能效果顯著。經濟器前節流的準二級壓縮循環系統流程及壓焓圖如圖1。壓縮機排出的高溫高壓制冷劑蒸氣進入冷凝器放熱，然后通過一次節流后進入經濟器閃蒸，產生的中壓蒸氣進入中間補氣孔，剩余態工質再經節流降壓后進入蒸發器，在蒸發器內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，再進一步壓縮后排出壓縮機，完成一個循環。

雙級壓縮補氣循環為優先選擇，制冷時可提高系統循環效率5%；制熱時，可提升循環效率約8%，能效高，更穩定，見圖2。

圖1 雙級壓縮補氣增焓系統                   圖2 系統循環P-h

4.2 壓縮機全工況氣動設計技術

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

4.3 減少傳熱溫差技術

傳熱溫差是導致實際熱泵循環偏離理想逆卡諾循環的—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，偏離理想循環的程度也就越大：En=∫12dQ (T1-T2)/ (T1T2)× Ta當對數平均溫差每降低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，使蒸發溫度不能過低，冷凝溫度不能過高，從而提高系統性能指數 [4]。

5 高效熱泵技術回收工業循環水低溫余熱在供暖中應用

以某鋼廠地區采暖為例，應用一種高效離心熱泵技術，將鋼鐵企業低溫余熱循環水資源利用，替代原有的蒸汽供暖；同時在采暖系統運行中優化熱泵運行參數，提高能效指數COP指數在5.5以上。

5.1 熱泵技術回收循環水系統余熱的方案

軋鋼廠循環水經過切換閥到熱泵系統，通過熱泵的蒸發器將循環水內的熱量提取出來，輸送到冷凝器，在冷凝器內把熱量傳遞給供暖熱網系統，實現循環水系統與高效熱泵技術相結合的供暖方式。生成的采暖熱水由熱水泵經廠區熱水管網送至各采暖熱用戶，如圖3所示。

5.2 優化熱泵系統的運行

5.2.1優化熱泵熱水溫差，提高COP性能指數

離心式熱泵機組在運行過程中，熱水循環流量固定，機組的制熱量調節采用熱水的溫差來實現。通過優化熱泵熱水溫差控制，提高COP性能指數。供熱負荷按實際需求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℃為熱泵機組運行建議溫差。隨著出口熱水溫差增加，COP性能指數降低(見圖4)。

5.2.2 優化熱泵熱水出口溫度，提高COP性能指數

降低供出熱水溫度。現有熱泵機組為雙級壓縮系統，在采暖初期和末期，系統供出熱水溫度按40-45℃控制，所需熱負荷降低，優化控制出口水溫參數，將熱泵雙級壓縮優化控制為一級壓縮，降低熱泵系統的耗電量，滿足現場的熱負荷需求，熱泵性能指數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性能指數實際運行分析

COP= Qs/P Qs供熱熱負荷 P系統耗電量（按表計量）,以下數據為采暖期按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℃。系統電量P為熱泵系統總的耗電量,按表計量 Qs= m ×c×（t1- t2)=31974.3MJ P=5778MJ COP=Qs/P=5.53 通過以上優化運行，COP性能指數與傳統的指數4.0比較，提升38.25%以上。

6 運行效果及效益分析

6.1 運行效果及經濟效益

項目實施后，采暖全部由熱泵系統供出，供暖溫度達到設計55℃要求，原用蒸汽全部停用，實現替代蒸汽采暖的目標，同時減少循環水的蒸發量及二氧化碳、氮氧化物的排放量，具有顯著的經濟效益和環保效益。

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

6.2 節能效益及環保效益

該項目年節標蒸汽523497.6GJ，折算的年節能量為17862噸標準煤。

按每燃燒一噸標煤排放二氧化碳約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境。

7 結論

回收循環水余熱的高效熱泵用于北方的供熱方式能較好地實現能量的梯級利用，節能效果顯著；同時可減少循環水的蒸發損失以及對環境造成的熱污染，具有良好的熱力性能和社會效益。優化熱泵運行參數，使熱泵COP性能指數達到5.5以上，為國內領先水平，具有向同行業低溫余熱回收技術推廣價值。

原標題:【技術文獻】工業低溫循環水余熱回收技術的開發與應用