（纺织工程专业论文）热电冷三联供系统在纺织企业利用的理论研究.pdf

天津l t 业大学硕士学位论文 摘要 能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力，坏境更是人类赖以生 存的基础。能源的大量开采和消耗，引起了环境的极大破坏。如何提高能源利用 率，减小对环境的污染，早已成为当前能源领域研究的重点和热点。目前世界上 很多国家都在积极研究建设热电冷三联供系统，旨在提高能源利用水平。 热电冷联供系统不仅在世界各国的能源规划与发展中得到重视，同时也是我 国鼓励发展、积极推动的技术方向及供能方式。随着经济建设的加速，对于能源 的需求日益加大，特别是对电力需求。而基于燃气轮机的小型热电冷三联供系统 不仅可以缓解电力供应与夏季燃气消耗较少之 间的矛盾，还可以有效减少由于传统空调系统所采用的制冷剂氟利昂带 来的臭氧层破坏和温室气体排放等环境问题。 本文从经济性、环保性和运行特性三个层面对纺织厂传统电制冷系统和热电 冷三联供系统进行了对比分析。从一次能耗出发，分别比较了两个系统的静态回 收期、动态回收期和净现值。并通过比较分析得出：纺织厂使用热电冷三联供系 统较节能、环保，但初投资较大，在满足纺织厂正常生产工艺需要的同时，还可 产生余热供纺织厂生活热水，进一步实现能源梯级利用，达到节能降耗的目的。 关键词：纺织厂；热电冷三联供；能源梯级利用；理论研究 a b s t r a c t t h ee n e r g ys o u r c e sa r et h ep o s t u l a t eo ft h eh u m a n e x i s t e n c ea n dt h em o 乜v 1 t yo f 位s o c i a ld e v e l o p m e n t ，a n dt h ee n v i r o n m e n t i sa l s ot h eb a s i so fh u m a n e x l s t e n c e ln e e x p l o i 枷o na i l dc o n s u m p t i o no f t h ee n e r g ys o l i c e sb r i n g st ot h es e v e r ed e s t r u c t l o nm 也ee n v i r o 姗e n t h o wt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o n r a t i oo ft h ee n e r g ys o u r c e sa n d r e d u c et h ee n v i r o 唧e n tp o l l u t i o nh a v eb e e nt h ee m p h a s e sa n dh o t s p o t i nt h ee n e r g y s o u r c e sf i e l d s a tp r e s e n t ，m a n yc o u n t r i e sa r er e s e a r c h i n ga n d b u i l d i n gt h ec o m b l n e d c o o l i n gh e a t 鲫dp o w e f ( c c h p ) s y s t e mi n o r d e rt oi m p r o v et h eu t l l l z a t l o nr a t l oo f t h ee n e r g ys o u r c e s m 锄vc o u n t r i e sh a v ea t t a c h e di m p o r t a n c e t ot h ec c h pi nt h el a y o u t 锄d d e v e l o p m e n to ft h ee n e r g ys o u r c e s a n dc h i n a a l s oe n c o u r a g e st h ed e v e l o p m e n to i t h ec c h p w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , t h en e e do f t h ee r i e r g ys o u r c e s1 s i n c r e a s e ，e s p e c i a l l y t h ee l e c t r i cp o w e r b u tt h ec c h pb a s e do nt h ec o m b u s t l o n n 拍i n ec a nr e l e a s et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i cp o w e r s u p p l ya n dt h es m a l l 锄o u n to ft h eg a sv a n ec o n s u m p t i o n ，a n dc a n a l s or e d u c et h ee n v i r o 姗e n tp r o b l e m s c a u s e db yf r e o n ，s u c ha s t h ed e s t r u c t i o no fo z o n o s p h e r ea n dt h ed l s c h a r g eo f g r e e n h o u s eg a s i nt h i sp a p e rw ea n a l y z et h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h et r a d i t i o nr e f - r i g e r a t l o ns y s t e m a n dt h ec c h ps y s t e mf r o mt h r e ea s p e c t s ，i n c l u d i n g t h ee c o n o m y e n v l r o 姗e n t d r o t e c t i o n ，a n dn m c h a m c t e r i s t i c s a n dw ea l s oc o m p a r et h ep a y b a c kp e n o d m e u l o d o ft h et w os y s t e m s a n dg e tt h ec o n c l u s i o n st h a tt h ec c h p s y s t e mc 孤s 撇e m r g y s o u r c e sa n dp r o t e c te n v i r o n m e n t ，b u ti t so r i g i n a lc o s t i sh i g h e r t h ec c h pc a nm e e t t h en e e do fm ep r o d u c t i o nt e c h n i c sa n da tt h es a m et i m es u p p l y h o tw a t e r ，mo r d e rt o s a v ee n e r g ys o u r c e sa n da c h i e v et h ee n e r g ys o u r c e s s t e pt i t i l l z _ a t l o n k e y w o r d s ：t e x t i l em i l l ；c c h p ；e n e r g ys o u r c e ss t e pu t i l i z a t i o n ；t h e o 叫s t u d y 天津工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秀槭诌签字日期：z 9 年2 月幻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：秀枯觞 导师签名： 签字r - 1 期：刎年二月如r 签字f - i 期： 天津工业火学硕士学位论文 学位论文的主要创新点 一、对纺织厂传统供能方式进行分析改造，将电制冷系统改为热 电冷三联供系统，力求提高能源利用率； 二、运用系统一次能耗、回收期、净现值等方法对电制冷系统和 三联供系统进行了分析。并分析了热电冷三联供系统在纺织厂的运行 特性和环保效益。 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论弟一早珀 1 = 匕 能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力，环境更是人类赖 以生存的基础。能源的大量开采和消耗，引起了环境的极大破坏。如何提高 能源利用率，减小对环境的污染，早已成为当前能源领域研究的重点和热点。 自二十世纪九十年代以来，随着我国经济高速发展和人民生活水平的日 益提高，我国的能源消耗也迅速增长。能源专家预测，2 0 3 0 2 0 5 0 年间将是 我国能源危机最严重的阶段，到2 0 5 0 年我国能源缺口将达到2 0 亿吨标煤。 能源节约与资源综合利用是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，如何 合理利用能源，减少污染物的排放，也关系到2 l 世纪的可持续发展战略。而 我国现有的企业能源利用率低，大量工矿企业的余热根本没有合理利用。因 此，节约能源、保护环境成为当前亟待解决的问题。 众所周知，电力是人类社会发展的原动力，而供热与制冷需求对现代城 市生活小区、商业建筑乃至人类的整个生活都显得日益重要。传统的空调制 冷系统均是由电力驱动的，尽管其有许多优点，但存在的问题也是不容忽视 的，例如：耗电量高，夏季大量使用易造成电力供应紧张；以氟利昂为制冷 剂，大量使用及排放破坏臭氧层，产生“温室效应”；夏季制冷工况运行时， 向室外排出热量，造成城市“热岛效应”，给周围环境造成热污染和噪声污 染等等。 热电冷三联供( c o m b i n e dc o o l i n gh e a ta n dp o w e r ，简称c c h p ) 3 l 称分布式 能源系统( d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ) ，是一种建立在能源梯级利用基础上， 将制冷、供热( 采暖和供热水) 及发电一体化的总能系统，目的在于提高能源利 用效率，减少c 0 2 及有害气体的排放。与集中式发电一远程送电比较，热电 冷三联供系统可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率一般为 3 5 - - 一5 5 ，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到3 0 4 7 ，而 热电冷三联供系统的能源利用率可达到9 0 而且没有输电损耗；另外，热电 冷三联供系统中采用溴化锂吸收式制冷机组代替电制冷机组，减轻了氯氟烃 类制冷剂造成的温室效应和臭氧层的破坏。因而，系统在提高能源利用率的 同时减少了碳和污染空气的排放物，减少了对环境的污染【1 。2 1 。据有关专家估 算，在美国如果从2 0 0 0 年起每年有4 的现有建筑的供电、供暖和制冷采用 天津工业大学硕士学位论文 热电冷三联供系统，从2 0 0 5 年起2 5 的新建建筑及从2 0 1 0 年起5 0 的新建 建筑均采用热电冷三联供系统的话，到2 0 2 0 年的c 0 2 的排放量将减少1 9 。 如果将现有建筑实施热电冷三联供系统的比例从4 提高到8 ，到2 0 2 0 年 c 0 2 的排放量将减少3 0 t j 。 自七十年代末期能源危机开始，世界各国能源专家都非常注重新能源开 发及其常规能源的高效利用。能源的“梯级利用是指燃料通过原动机发电 后，将低品质的热能用于采暖、生活供热等用途，这一热量也可以用于驱动 夏季空调的吸收式制冷机，从而形成节能效果显著的热电冷三联供系统。八 十年代末，人们对生活、居住及工作环境的要求也随着社会发展而日益提高， 现代化的宾馆、办公大楼、医院、文化娱乐场所的建筑物对能源( 诸如电力、 热水、冷气) 提出了稳定可靠、调节灵活、经济高效等一系列要求，因此在西 方一些发达国家，建筑行业大量应用三联供技术。 热电冷联供系统不仅在世界各国的能源规划与发展中得到重视，同时也 是我国鼓励发展、积极推动的技术方向及供能方式。我国确立了中长期能源 规划战略研究的基本思路：“节能为本，多元发展，环境友好，保障安全”。 在此规划的指导下，中国科学院院士徐建中指出，要科学用能，提高能源利 用率，减少能源消耗，对热能利用要建立起“温度对口，梯级利用”的原则。 纺织行业属于耗电量大、劳动密集型产业，而中国又属于纺织大国，因 此纺织厂的节能在中国更具有其实际的意义和长远的研究前景。纺织厂空调 的任务是使车间的空气保持一定的温度、湿度、流动速度和洁净度，使车间 的空气不受室内外各种因素变换的影响，从而保证正常合理的生产工艺条件。 因此纺织厂空调是保障生产、改善劳动环境的必要条件，是纺织企业的一项 重要基本工作。但同时也应指出，空调是纺织企业的一个能耗大户，空调设 备的用电量约占企业总用电量的2 5 ，总用水量的8 0 ，空调系统能耗量占 纺织厂总用能耗的4 0 左右。 当前纺织市场竞争激烈，产品供大于求，各个企业在提高产品技术含量 和档次的同时，也想尽办法极力降低生产成本。目前国家整体用电紧张，电 费越来越高，这无疑给空调大户的纺织厂带来了更加沉重的经济负担。除了 规范生产、减少浪费外降低空调能耗是降低纺织企业成本的一个重要途径， 因此空调系统节能降耗早己成为纺织企业面临的重大课题。 1 2 热电冷三联供的国内外研究现状 热电冷三联供作为一种新的能源生产模式，在国内外的发展和研究也不 2 第一章绪论 过是近2 0 年的事。 1 2 1 热电冷三联供的发展 热电冷三联供系统利用天然气可以达到很高的能量利用效率，从2 0 世纪 7 0 年代末期以后便在国外得到了快速的发展。截至目前，世界很多国家和地 区已有很多投产使用的三联供技术实例。例如，美国已经有6 0 0 0 多座热电冷 三联供系统，仅大学校园就有2 0 0 多个采用了热电冷三联供系统；英国只有 5 0 0 0 多万人，但是热电冷三联供系统有1 0 0 0 多座，如英国女王的白金汉宫、 首相的唐宁街l o 号官邸都采用了燃气轮机分布式能源站。俄罗斯采用热电联 供的比例占总能耗的3 3 ，美国占5 0 ，而中国只占1 2 8 。随着燃气轮机技 术、余热锅炉蒸汽技术和吸收式制冷技术的快速发展，分布式能源站的能源 利用总效率已可达9 0 0 0 以上，且今后会有更好的发展p j 。 1 2 2 国内外研究现状 美国是天然气发展热电冷三联供的倡导者。美国从1 9 7 8 年便开始提倡发 展小型热电联供( c h p ) ，目前除了继续坚持发展小型热电联供之外，正研究走 向高效利用能源资源的小型热电冷联供技术。据美国1 9 9 5 年对商用楼宇终端 能源消费的统计，采暖用能占2 2 ，热水供应占7 ，而制冷空调用能占1 8 ， 热电联供的供热只能解决2 9 的用能及电力，而热电冷三联供系统可提供4 7 的用能及电力【6 l 。 1 9 9 8 年1 2 月1 日在c h p 首脑会议上，美国助理国务卿d a n w r e i c h e r 宣布了 一个旨在2 0 1 0 年使c h p 容量翻番的国家目标，这就是说美国要在2 0 1 0 年前再增 j j l l 4 6 0 0 万k w 装机容量的热电联供能力。1 9 9 9 年6 月美国国家能源顾问理查德 斯威泽先生来华访问期间发表了题为c c h p 叫0 2 0 年展望的专题演讲，在 分布式能源未来发展的构想中，首先提出c c h p 一热电冷三联供的概念。 美国能源部( d o e ) 十几年来主要在以下几个方面支持区域供冷供热技术 的发展。( 1 ) 高质量传输介质：该研究项目主要是评价和测试几种媒质添加剂 对减少管网系统阻力损失的影响。美 a r g o n n e 家实验室的测试已取得减阻 6 0 的效果，如果最后试验成功，可在传输同样热能的情况下减少一半的管道 尺寸。另外，该实验室还试图使用相变材料来提高热媒的载能能力，同样可 达到减小管道尺寸的效果。( 2 ) 设备部件：d o e 正与一些企业共同开发研制低 成本、高可靠性的热量计，利用低温热源的制冷制热技术，改进管道性能和 研究高效热交换器。如马里兰大学正在开发基于r a m b i n e 循环的两级溶液循环 热泵，以提高热泵的温升能力。a r g o n n e 国家实验室正试图用一种热塑性材料 来取代传统的钢材。( 3 ) 区域供冷：发展大规模区域供冷系统已日益受到关注。 a r g o n n e 国家实验室正着手建立冰浆泵送、传输和储藏的性能参数库。b r o o k h a v e n 国家实验室则在设计一种新型蒸发器，期望能大幅度提高制冰能力。( 4 ) 系统分析评价：这方面的研究主要针对不同气候条件的地区，新的或改造过 的区域供冷供热系统所采用的各种技术进行比较和分析。以密尔沃基、威斯 康辛、奥斯汀和得克萨斯作为研究对象，b r o o k h a v e n 国家实验室在考虑城市需 求和特殊因素的情况下，试图构造出最佳的区域供冷供热系统的方案。 美国能源部本着建立起行之有效的研究、开发和商业化的目的，广泛而 深入地参与了热电冷三联供领域的合作，目前热电冷三联供是美国能源部所 属能源效率及可再生能源办公室执行的一个较大项目中的一部分。楼宇热电 冷联供系统( b c h p ) 也得到了迅速的发展，芝加哥展览中心的能源系统由热 电冷三联供和冰蓄冷系统组成，年节约运行费用1 0 0 万美元，每年可减少2 4 3 2 7 吨的( 3 0 2 和5 9 吨的n o x 气体排放。美国在天然气领域作了很多丌发性工作和商 业化研究，天然气、电力和暖通空调等行业的制造业也广泛而深入地参与该 领域的合作。采用三联供的学校、大型超市、高层写字楼等大型建筑越来越 多。此外，在美国能源部的倡导和天然气、电力、暖通、空调等工业部门的 参与下，美国于1 9 9 9 年提出了一个“c c h p 2 0 2 0 年纲领”。按照规划，美国到 2 0 0 5 年建成1 0 0 个示范工程，1 0 的联邦建筑物采用热电冷三联供；n 2 0 1 0 年 2 0 的新建和5 的已有商用、写字楼类建筑物将使用c c h p ；n 2 0 2 0 年5 0 的 新建和2 5 的已有商用、写字楼类建筑物将使用c c h p 系统，9 1 1 事件以后， 他们更加速了热电冷三联供系统建设的步伐以保证供电安全【7 j 。 除美国、俄罗斯以外，日本、欧洲对发展热电冷三联供系统也都相当重 视，并具备了设计制造热电冷三联供系统关键设备的能力。 日本燃气热电项目应用领域很广泛，分为工业和民用两种用途。工业燃 气热电项目应用领域包括食品、纺织、造纸、化工、造石、非金属、机械、 电机、金属、钢铁和其他；民用燃气热电项目应用领域包括办公楼、宾馆、 商店、饮食店、公共娱乐设施、住宅、学校、医院、福利院、疗养院、研究 所及其他民用设施，多为采用小型燃气轮机、燃气内燃机和微燃机的楼宇热 电冷联供项目。 东京煤气公司于1 9 9 1 年初投运了一座新的供热和制冷厂作为高效率、高 性能的供热制冷中心，其总容量达1 8 2 8 m w ，到1 9 9 3 年，其总容量扩充到 2 0 7 4 m w ，成为世界最大的区域供热和制冷厂。 截止2 0 0 0 年底，日本全国热电项目总装机容量为2 2 1 2 1 0 k w 的项目数 共1 4 1 3 个。工业燃气热电项目总装机容量为1 7 3 4 x1 0k w 的项目数共1 0 0 2 个， 4 第一章绪论 平均每个项目装机容量为4 7 7 k w 。其中采用小型燃气轮机、燃气内燃机和微 燃机的楼宇热电冷联供项目逐年增长且增长速度较快。日本政府为了鼓励高 效率、低排放的能源利用系统的建设和发展，颁布了不少优惠政策。如：环 保资金使用优惠政策、热电联供项目发电上网政策等，使得燃气热电联供项 目从8 0 年代中后期开始有了突飞猛进的发展【8 】。图1 1 是东京新宿区域热电 冷联供系统第一阶段的联供系统简图。从该图中可以明显地看出，运用城市 煤气做能源，利用燃气轮机发电，利用余热锅炉产生蒸汽供热，也可利用蒸 汽热量驱动汽轮机发电，然后利用汽轮机余热驱动制冷机工作，产生冷量供 用户使用，便形成了电热冷三联供，且实现了能量的梯级利用。 蒸汽电厂，i 一用户 图1 1 东京新宿区域热电冷联供系统示意图 欧洲从19 7 4 年开始促进热电联供，19 8 8 年欧洲议会建议促进公用事业和 私有公司合作，利用可再生能源、废弃的燃料和热电。制定了公用事业必须 购买私有公司额外的热和电；给予私有发电站平等的权利和对待政策；公用 事业应该补偿由于热电联供而节省的燃料和负荷量费用；无区别对待私有发 电厂对公用电网供电等政策以促进热电冷三联供的发展。 英国伦敦1 9 9 0 年开始联供工程，1 9 9 1 年初首次实现商用大厦等重要建筑 的集中供冷。曼彻斯特机场1 9 8 9 年决定建设电功率为9 4 m w 的热电冷联供 装置，向候机楼供电和热水，冬天取暖，夏季则将多余的热用于吸收式制冷。 德国、荷兰的热网较发达，适合优先发展小型热电冷联供系统，英国、西班 天津工业大学硕士学位论文 牙、德国已决定发展工业用和小规模的热电冷联供系统。1 9 9 7 年欧洲委员会 正式通过统一的能源产品税收体制，成员国允诺在税收方面给予可再生 能源和热电联供优惠条件；1 9 9 7 年欧洲委员会宣布加速欧洲热电联供策略， 1 9 9 7 年热电厂的发电量为欧洲总发电量的9 ，预计到2 0 1 0 年提高到1 8 ， 将进一步减少c 0 2 排放量l 亿8 千万吨；德国到2 0 0 5 年在各类建筑物中采用 热电冷联供的潜在市场为1 0 0 0 万k w 。 表1 1 列举了世界上主要城市区域热电冷三联供系统的使用情况。从中可 以看出，热电冷三联供系统最初多运用在经济发达国家需要供冷、供热的集 中商业区、机场或居民生活区。 表1 1 世界上主要城市的区域热电冷三联供 国家城市集中三联供区域 洛杉矶哈卡商业街 美国纽约国际空港 芝加哥罗哈托住宅区 加拿大多伦多多伦多市街区 德国汉堡街区汉堡街区 法国巴黎巴黎街区 札幌札幌市街区 日本 尔京新宿市中心 大阪千里街区 我国的热电冷三联供系统是最近几年才发展起来的。由于在能源结构、 价格管理体制以及热电冷负荷等外部条件与国外存在差异，所以热电冷三联 供系统在我国大中城市的推广应用，仍需要研究一些技术方面的重要课题。 山东省淄博市率先利用张店热电厂的低压蒸汽为热源，实现了热电冷三 联供。随后，济南、南京、上海等城市也相继设置了热电冷三联供系统。国 内对天然气热电冷联供的研究工作起步较晚，已经投入的实际运行也相对较 少，而且应用领域较窄，主要集中于楼宇等民用建筑中。目前清华大学在建 的热电冷三联供工程采用的是燃气一蒸汽轮机联合循环加蒸汽型吸收式制冷 机模式。该工程采用2 台5 万k w 的燃气轮机发电机，联合循环发电。靠汽轮 机来供应制冷与采暖，制冷面积7 0 万m 2 ，采暖面积2 0 万m 2 ，制冷机选用蒸 汽双效溴化锂制冷机。 我国远大公司与美国能源部合作研制的一个b c h p 项目系统如图1 2 所 6 第一章绪论 示。该系统采用的是“燃气轮机+ 双能源双效直燃式溴化锂吸收式冷热水机组 模式。该系统额定制冷量为2 1 0 k w ，系统配置的涡轮发电机为7 5 k w ，系统通 过余热发生器，再利用排气再燃型冷热水机组，产生冷量和热水，系统总的 能源效率可达7 0 以上。 图1 - 2 远大与美国能源部合作的b c h p 项目系统示意图 电力负荷 ( 7 5 k w ) 制冷负荷 ( 2 1 0 k w ) 热水负荷 ( 9 0 k w ) 热电冷三联供进入我国时间虽然不长，在我国热电冷联供的推广应用也 尚属起步阶段，但政府已制定了如立项的优先审批及燃气价格优惠等相关的 鼓励政策，以推动b c h p 、c c h p 系统在城市楼宇建筑上的广泛应用。在我国， 小型热电冷三联供项且已在许多地方建设发展，迄今为止，上海、广州、北 京等地已建成多座c c h p 项目。如上海浦东机场装机容量4 0 0 0k w 、北京软 件广场装机容量1 2 0 0 k w ，计划建设c c h p 项目共l l 座。我国的三联供系统 集中在主要城市的同时，也能充分利用地域能源优势，实现能源梯级利用， 减少污染物排放，保护我们的生存环境。 另外，广州大学城装机容量为2 x 5 0 0 0 0 k w ，可满足大学城8 1 的用电； 广州珠江啤酒热电冷联供项目每年可产生和制冷所节约的电力约9 7 0 万k w h ， 创造6 0 0 万元的年经济效益，每年减少二氧化硫排放约1 8 6 3 吨及c 0 2 排放量 约4 5 0 吨，对环保做出了巨大贡献，并产生积极的社会效益。 可以预见：热电冷三联供将以其能量资源的合理利用、优良的环保性能 和灵活的冷、热、电负荷分配等优势成为我们未来生活不可缺少的能量利用 系统。 基于燃气轮机的三联供系统的总能利用率相当高，可以达到9 0 ，而且 其污染物排放量也非常低。如果天然气的价格适当的话，基于燃气轮机的三 天津工业大学硕士学位论文 联供系统的供能方案比购电加集中供热加电空调系统等其他供能方案要好得 多，因为它有很好的经济效益，有较短的投资回收期，使用户得到更大的收 益【9 】。 1 3 纺织厂空调节能研究现状 纺织行业是人类生存不可或缺的生产型行业，也是空调高耗能产业，各 类纺织院校、研究所、纺织企业在关注纺织行业发展前景的同时，也在纺织 空调节能方面做了不少研究。 济南市纺织科学研究院宫献治【lo j 在研究纺织行业空调节能的过程中，于 2 0 0 7 年提出可以通过控制风机和水泵、合理使用回风和室外风、空调用冷热 源的合理利用等方法达到纺织厂空调节能的目的。 桂林电子科技大学薛兴、梁才航j 在2 0 0 6 年根据纺织厂空调能耗的特点 从空调负荷计算、空调参数的确定、设备的选型、空调的维护等方面，提出 了采用变频器调节风机的风量、加强水系统的水质保养、对风道进行清洗等 有关降低纺织厂空调能耗的方法措施。 山东纺织职业学院韩文全i i2 j 教授研究提出，纺织厂湿度标准主要取决于 工艺要求，空气相对湿度大致控制在5 0 - 8 0 范围内；夏季是空调耗能的 高峰期，将车间温度定在南方3 0 ( 或北方2 8 ) 以下是可行的；温度在春 秋季节最好控制在2 2 - 2 5 ，而冬季可按产品的工艺特点酌情定在18 2 5 。车间的空调标准和能源消耗紧密相连，按目前水平夏季车间温度每降 低1 ，就需多消耗冷量约1 0 。所以适当放宽空调标准就意味着能大量节省 夏季需冷量。另外，使用变风量调节，使用回风、控制送风机机器露点，有 效控制水泵耗电量等方法也可达到纺织厂空调节能。 西安建筑科技大学狄育慧教授、西安工程科技学院黄翔、顾群【l3 j 从空调 系统设计、系统运行和空调设备的选型等方面，根据棉纺织厂空调能耗的特 点，提出了在空调设计中应推广采用冷负荷系数法计算冷负荷，以确定温湿 度基数、新风负荷，并认真作好冷冻水管的保温；在设备选型中注意选用流 体动力式喷水室、蒸发冷却技术和喷雾轴流风机等降低空调能耗的节能措 施。 陕西省风机泵工程研究中心【1 4 】根据纺织空调风机的特点，利用航空高新 技术为纺织空调风机设计了专用的新一代先进翼型，丌发研制了高效、大流 量、低噪声、节能的纺织空调轴流风机。并考虑到纺织企业的现有经济条 件，改造中采取只更换风机叶轮的方式，具有改造周期短、成本低、收效快 8 第一章绪论 的特点。西北第一棉纺织厂等单位采用先进翼型叶轮改造原风机后，测得流 量比原来增加4 9 ，全压增加2 9 3 ，效率增加4 5 7 ，噪声降低了 9 d b ( a ) ；经济效益好，三个月时间节省的电费就收回了改造所用的投资。 石家庄中远设计有限公司解丽、河北省纺织建筑设计院马杰5 j 在实践设 计研究中分析指出，纺织厂空调系统的设计应与生产实际相结合，要考虑到 车间不同季节的气流组织形式，也要考虑到工作环境对产品质量和工人健康 状况的影响。 上海第十一棉纺织厂的黄丹刮1 6 】通过分析研究指出，纺织厂的主要能耗 在纺厂的细纱机运转、纺织厂空调和织厂的浆纱机三个方面，并通过分析细 纱机动力耗用、纺织厂空调除尘和浆纱机的工作原理，得出纺织厂可通过织 机可用增加幅度与高速化、阔幅减速、强化技术管理、防止马达空转、减 少无用功等方面实现细纱机节电、空调节电和降低浆纱机能耗，从而可实现 纺织厂节能降耗。 通过分析可以看出，尽管大家都已意识到纺织厂高耗能的特点，也提出 了很多节能降耗的办法，但目前的纺织厂节能研究还只停留在纺织厂制冷系 统的节能。作者认为，纺织厂由于生产工艺的需要，不仅需要大量的冷量， 也需要大量的电能和热能，我国各地的气候随季节变化较大，而纺织车间需 要维持相对稳定的温湿度条件，因而现在的纺织企业在消耗大量的电能制冷 的同时，产生大量的废热无法利用，而且机器的高散热和高噪声的特点也使 得纺织工人的工作环境更加恶劣。所以纺织厂的节能不应该只从制冷方面考 虑，而应站在企业热电冷总能系统的高度，全盘考虑企业的热、电、冷用能 情况，寻求新的节能途径。用热电冷三联供系统实现总能系统互补利用，是 帮助纺织厂解决节能降耗难题的有效方法。 1 4 能源梯级利用的研究现状 能源梯级利用，即按照能量品位高低进行梯级利用，从总体上安排好热( 冷) 与物料内能等各种能量之间的匹配关系与转换使用，在系统高度上综合利用 好各种能源，以取得更好的总效果，而不仅是着眼于单一生产设备或工艺的 能源利用率或其他性能指标的提高。热电冷三联供系统因为能量梯级利用、 多功能输出而受到广泛关注。三联供系统可以采用的动力子系统有很多种， 包括燃气轮机、内燃机、燃料电池、蒸汽轮机等。其中燃气轮机由于高效、 环保、排烟温度较高便于热回收、可利用的热能连续稳定等特点，成为热电 冷联供系统的最主要动力系统之一。为了更好地实现能量梯级利用，也可以 天津工业大学硕士学位论文 考虑采用回热器回收烟气中的余热用于发电：回热器出口烟气再进入余热锅 炉【1 7 1 9 1 。 1 9 8 0 年吴仲华先生1 2 0 j 在中共中央书记处举办的科学技术知识讲座报告 中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径中，提出各种不同品质的 能源要合理分配、对口供应，做到各得其所，提倡按照“温度对口、梯级利 用 的原则，大力发展各种联合循环与热电并供、余能利用等总能系统。2 0 多 年来承担与完成了数十项国家级重要科研项目，全面拓展和阐明了热能梯级 利用理论，逐步形成热能梯级利用原理的热力系统基础理论体系。 华南理工大学尹勇军、广州造纸股份有限公司过盘兴【2 l 】通过对大型造纸 企业蒸汽的能级分析，提出了在造纸企业实现蒸汽的合理布局及梯级利用有 很大的节能潜力。即满足制浆造纸过程对蒸汽要求的前提下，采用蒸汽梯级 发电、低参数蒸汽驱动锅炉给水泵及利用低品位蒸汽制冷等实现造纸企业的 蒸汽梯级利用。蒸汽梯级利用能在同等用煤的条件下，可增加发电量，节约 用电，提高能源的利用率，降低生产成本，取得明显的经济效益。 淮北纺织一厂的吴锐1 2 2 】工程师在实际生产中发现，细纱车间有a 5 1 2 细 纱机1 3 7 台，功率1 5 k w 台，总发热量为2 0 5 5 k w ，这部分热量在冬季仍剩余 6 0 7 0 即剩余1 4 3 8 5 k w 可利用，以前都是随吸棉风机排出室外，而前纺 车间却有相当长的时间温、湿度开不上去，需要增开加热设备，以保证生产 的正常进行。针对这种情况，建议公司在厂房屋顶两边各架设一条变截面玻 璃钢送风管道，把细纱吸棉排风口与前纺空调室连接起来，并在出口处安装 一套自吸式圆盘过滤器，将细纱吸棉回风过滤再与前纺车间的回风混合经喷 淋处理后送入车间，以达到余热利用的目的。 1 5 热电冷三联供系统的应用前景 热电冷“三联供 事业经过多年的发展，己具有相当规模，但远远不能 满足实际需要，由于以下的因素其发展前景非常广阔【”】。 ( 1 ) 节能工作的需要 根据全国能源平衡，到2 0 1 0 年为保证国民经济的萨常发展，能源产量尚 有很大缺口，大量建设火电厂，满足工农业生产用电，则受资会、能源与环 境等因素制约，故节能工作更加受到重视。热电冷联供己被公认为是节能的 有效措施，目前己被国家有关领导部门作为优先发展的产业确定下来，并己 公布一批相关的文件，优先发展热电联供。 ( 2 ) 坏境保护的要求 1 0 第一章绪论 由于城乡工业的发展，环境污染越来越严重，随着人民物质文化水平的 提高，环境保护的意识越来越高涨，分散供热既浪费能源又污染环境已被越 来越多的人们所认识，在城市和村镇要求实现集中供热供冷的呼声越来越高。 ( 3 ) 工业用热需求量大 1 9 9 7 年全国共生产原煤1 3 7 2 8 2 万吨，原油1 6 0 7 4 万吨，天然气2 2 7 亿 立方米，折合标煤1 3 3 6 0 0 万吨。同年全国发电用标煤3 4 5 4 6 万吨，供热用标 煤3 8 7 6 万吨，两项合计占标准煤产量的2 8 7 5 ，而据有关资料报导，煤源 消费中除发电、炼焦、交通运输和民用煤外，建材和其他工业的用煤的比重 则占4 0 ，也就是说建材和其他工业用煤量远大于发电和供热用煤量，一次 能源转换成电能的比例和电力占总能源消耗的比例太低，从前边分散小锅炉 的分析中也可看出，发展热电冷联供的潜力很大。 ( 4 ) 政府的大力支持 为了更有效的节约能源、保护环境、缓解电力紧张，中央和地方均采取 一系列政策，积极鼓励和支持发展热电联供集中供热。预计，今后大容量、 高参数供热机组将有较大的需求。 综上所述，中国的热电冷三联供系统前景十分广阔，应该在不断地推广、 不断地跟踪研究、不断地改进中实现系统的最优化。 1 6 本文主要工作 ( 1 ) 针对纺织行业现有制冷空调系统进行节能研究，提出热电冷三联供 系统理论的可行性； ( 2 ) 分析不同的三联供系统特点，结合纺织企业的生产特性，选择合适 的三联供系统； ( 3 ) 通过理论分析，证明纺织企业使用热电冷三联供系统比电制冷系统 节能，并深入阐述热电冷三联供系统可观的经济收益和节能价值。 第二章热电冷三联供系统的工作原理及组成 第二章热电冷三联供系统的工作原理及组成 2 1 热电冷三联供系统的原理 热电冷三联供( c o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t i n g & p o w e r ，简称c c h p ) 是一种建 立在能量的梯级利用基础上，将制冷、供热( 采暖和卫生热水) 及发电过程一体 化的多联供总能系统，也是一种高效、科学的城市能源利用系统。在实际热电厂 中，热力发电机组在发电的同时，既利用废气余热供热，又通过余热驱动制冷机 供冷的能量系统。它利用一套系统降低发电煤耗，节约一次能源，实现热电冷联 供和能源的梯级利用，能够有效提高低品位热能的利用率，达到节能的目的，并 减少碳化物及有害气体排放【2 4 j 。 热电冷三联供系统由制冷系统、供热系统和发电系统三个子系统组成，联供 系统供能情况如图2 1 所示。 图2 1 三联供系统能源利用率示意图 采用三联供系统的目的是将一次能源分级使用，从而提高综合利用率。在整 个联供系统中，每个系统都是复杂的体系。典型热电冷三联供系统一般包括：动 力系统和发电机( 供电) 、余热回收装置( 供热) 、制冷系统( 供冷) 等。针对不同的用 户需求，热电冷联供系统方案的可选择范围很大：与热、电联供技术有关的选择 天津t 业大学硕士学位论文 有蒸汽轮机驱动的外燃烧式和燃气轮机驱动的内燃烧式方案；与制冷方式有关的 选择有压缩式、吸收式或其它热驱动的制冷方式。另外，供热、供冷热源还有直 接和间接方式之分。在外燃烧式的热电联供应用中，由于背压汽轮机常常受到区 域供热负荷的限制不能按经济规模设置，多数是相当小的和低效率的；而对于内 燃烧式方案，由于技术的不断进步，已经生产出了尺寸小、重量轻、污染排放低、 燃料适应性广、机械效率较高的燃气轮机，同时燃气轮机的容量范围很宽：从几 十k w 的微型燃气轮机到3 0 0 m w 以上的大型燃气轮机，它们用于热电联供时既 有较高发电效率( 3 0 4 0 ) ，又有较高的热效率( 4 0 - - , 5 0 ) ，从而使总的能源 利用率有很大提高。压缩式制冷是消耗外功并通过旋转轴传递给压缩机进行制冷 的，通过机械能的分配，可以调节电量和冷量的比例；而吸收式制冷是耗费低品 位热能来制冷，根据对热量和冷量的需求进行调节和优化，把来自热电联供的一 部分或全部热能用于驱动吸收式制冷系统，从而实现热电冷三联供。 热电冷联供系统冬季以热定电，夏季以常年热负荷和空调冷负荷定电。其电 能是在供热和供冷基础上生产的。因此，实现热电冷三联供必须具备的基本条件 是： ( 1 ) 有热用户，而且要保证热用户所需要的参数和流量； ( 2 ) 有较大的集中冷负荷，而且要保证冷负荷需要的参数( 温度) 和流量： ( 3 ) 在供热、供冷的同时，还要保证必须数量的供电量。 为了清楚阐述热电冷联供整个系统的工作原理，下面将对每个子系统进行 逐一介绍。 2 1 1 制冷系统 所谓制冷是指从低于环境温度的空间或物体中吸收热量，将其转移给温度 高于它的介质的过程【2 5 1 。一般制冷的方法主要有三种，即： ( 1 ) 气体液化制冷，也称相变制冷。指利用气体在其液化过程中需要吸收 热量这一原理产生制冷效果。常用的液体气化制冷包括蒸气压缩制冷和吸收式 制冷两种形式； ( 2 ) 气体膨胀制冷：利用高压气体的绝热膨胀达到低温，并利用膨胀后的 气体在低压下复热过程实现制冷； ( 3 ) 热电制冷，也称半导体制冷：在两种不同会属组成的闭合回路中，若 通以直流电，就会使一个接点变冷，另一个接点变热，这种现象称为“珀尔 贴”效应，利用这个效应实现制冷的方法称热电制冷。 吸收式制冷机同蒸气压缩制冷原理相同，都是利用液态制冷剂在低温低压条 件下的蒸发、汽化吸收载冷剂的热量，产生制冷效果。不同的是吸收式制冷机是 1 4 第二章热电冷三联供系统的工作原理及组成 以沸点不同而相互溶解的两种物质组成的二元溶液为工质对完成制冷循环，其中 低沸点组分为制冷剂，高沸点组分为吸收剂。工质对溶液在整个制冷循环过程中， 由于热量的加入或排出，使制冷剂由溶液中析出或被吸收，实现溶液循环流动， 以消耗热能作为能量补偿，使制冷剂从溶液中逸出，经冷凝、节流后蒸发吸热、 制冷。然后蒸汽在低压下被溶液中的吸收剂吸收，放出热量由冷却水带走，溶液 复原，升压后重新被加热。吸收式制冷机包括氨吸收式制冷机和溴化锂吸收式制 冷机，由于氨有强烈刺激性气味、可燃，使用较少。而溴化锂吸收式制冷机是以 水和溴化锂组成的二元溶液为工质对，其中水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。溴化 锂吸收式制冷机按驱动热源的形式分为热水型、蒸汽型和直燃型；按照能源利用 情况可分为单效溴化锂吸收式制冷机、双效溴化锂吸收式制冷机和三效溴化锂吸 收式制冷机。 2 1 1 1 溴化锂吸收式制冷系统的原理 在热电冷三联供系统中，制冷系统一般采用吸收式制冷系统。溴化锂吸收式 制冷机是以溴化锂溶液为吸收剂，以水为制冷剂，利用水在高真空下蒸发吸热 达到制冷的目鲥2 6 1 。 溴化锂制冷系统由发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵和溶液热交换器 等组成，系统原理图如图2 2 所示。溴化锂理想的制冷过程需经过发生、冷凝、 节流、蒸发、吸收等五个过程。加热发生器l 中的稀溶液，使之沸腾，从而获 得蒸馏水供不断蒸发使用。随后发生器中的稀溶液变成浓溶液，加热消耗热量 设为q z ，完成发生过程；由发生器产生的水蒸气进入冷凝器2 后，在压力不变 的情况下被冷凝管内流动的冷却水冷却，被冷凝成饱和液体。冷却水带走的热 量设为q k ，完成冷凝过程；压力为p k 的饱和冷剂水经过节流装置3 ，压力降为 p o 后进入蒸发器，完成节流过程，节流前后冷剂水的焓值和浓度均不发生变 化；积存在蒸发器水盘中的冷剂水通过蒸发器泵均匀地喷淋在蒸发器管簇的外 表面，吸收管内冷媒水的热量后蒸发，吸收热量q ，使冷剂水在等压、等温条 件下气化，完成蒸发过程；离开发生器1 的浓溶液温度仍较高，而进入发生器的 稀溶液温度较低，浓溶液在溶液热交换器6 中将热量传递给稀溶液，回收能量 q o ，放热后的浓溶液进入吸收器5 中，和部分稀溶液混合形成中间溶液，然后由 吸收器泵均匀喷淋在吸收器管簇的外表面，由于吸收器管簇内流动的冷却水不断 地带走吸收过程中放出的吸收热，使中间溶液具有不断吸收水蒸气的能力，稀释 后的稀溶液通过泵7 加压通过溶液热交换器6 加热后送入发生器1 中，从而完成 整个理想循环，连续循环便可实现连续制冷的目的。 天津工业大学硕士学位论文 图2 - 2 溴化锂制冷循环示意图 2 1 1 2 吸收式制冷系统的特点 吸收式制冷机的一次能源利用率在热电站热电冷联供的情况下要高于电制 冷机的一次能源利用率，每k w h 制冷量标准煤耗量吸收式制冷机要低于电制冷 机，也就是说热电站在热电联供的情况下用汽轮机做过功的蒸汽供吸收式制冷 机制冷实现热电冷三联供，是节约一次能源的。从总体考虑，在有合适热源特 别是热能作为附产品或有废热、余热等低势能热源的场所或电力缺乏的场所选 用吸收式制冷机制冷，实现能量的梯级利用，其节能效果优于电制冷机。以一 台2 8 0 0 k w 的制冷机组为例，国产离心式制冷机耗电8 0 0 k w ，而溴化锂吸收式 制冷机除功率较小的屏蔽泵以外，没有其他运动部件，仅耗电1 2 k w ，可节电 7 8 8 k w