化纤生产中制冷机系统配置及节能方案探讨

侯 彦 坡

(神马实业股份有限公司，河南 平项山 467000)

化纤生产中制冷机系统配置及节能方案探讨

侯 彦 坡

(神马实业股份有限公司，河南 平项山 467000)

介绍了制冷机的种类、特点及优化选型配置原则，并以新建化纤生产厂为例，分析了制冷机系统配置及节能方案。常用制冷机分为压缩式和吸收式两大类，压缩式制冷机的能耗较大，有余热或废热利用的化纤生产厂宜采用吸收式制冷机组。在化纤生产中，制冷机系统配置应同时考虑其经济性和节能减排，合理有效地利用余热；在必须使用压缩式制冷机时，需根据制冷量的大小选择制冷机的型号，并考虑负荷的可调节性，优化机组配置，最大限度提高制冷机组的性能系数。

空调系统 冷水机组 制冷机 节能降耗 余热利用

在化纤生产中，空调系统是能耗大户，制冷与空调设备的节能对于企业降低成本具有重要意义。空调系统中制冷站消耗了大量的能源，在大中型系统中，需要配置多台制冷机来满足空调和生产工艺用的冷负荷需求，制冷系统投资大、能耗大，制冷机的选择和配置对于空调系统的耗能大小起着决定性的影响。

目前，化纤生产中制冷机的配置形式比较单一，一般是单独配置多台蒸汽型溴化锂冷水机组，或单独配置多台电压缩式冷水机组。为了降低生产成本，提高市场竞争力，降低消耗，有效、合理地利用能源成为每个生产企业必须面对的问题。作者结合化纤企业生产实际及节能减排需求，重点介绍制冷机的种类、特点和在生产中的节能应用。

1 制冷机的选择

1.1 常用冷水机组的种类及特点

制冷机按热力循环过程与消耗能源种类不同分为蒸汽压缩式制冷机和吸收式制冷机[1]。压缩式制冷机采用电作能源，有活塞式、螺杆式、蜗旋式、离心式；吸收式制冷机以热能作为热源，有直燃型、蒸汽型、热水型。

1.1.1 压缩式制冷机

活塞式制冷压缩机系统装置比较简单、制造技术成熟、加工容易、造价低廉；缺点是振动较大，效率相对比较低。

螺杆式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比，结构简单、运动部件少、振动小、体积小、质量轻，性能系数(COP)比较高，而且制冷量可在10%～100%无级调节；但耗油量大、价格相对较贵、噪音比离心式高。

离心式制冷压缩机转速高、制冷量大、易损件少、维护简单、连续工作时间长、振动小、噪音低、制冷剂中不混有润滑油，COP高；缺点是单机制冷量不宜太小，由于转速高，对材料和加工、制造质量要求严格。

蜗旋式制冷压缩机结构简单、可靠性高、振动小、噪音低、容积效率最高；但价格相对较高，单机容量较小。

压缩式冷水机组适宜的单机容量[2]及对应冷量下的最小COP见表1。

表1 压缩式冷水机组单机容量及COPTab.1 Unit capacity and COP of compression refrigerator

1.1.2 吸收式制冷机

直燃型吸收式制冷机利用重油、天然气等作为热源，由于与锅炉结合为一体，减少了中间环节，热效率相对提高；但从能源的利用角度出发是不合理的，因为燃料燃烧产生的是高品位热能。

蒸汽型或热水型吸收式制冷机加工简单，操作方便。热水型对能源要求不高，可以利用余热、废热或其他低品位热能，无需耗用大量电能。吸收式制冷机运行费用低，噪声低、振动小，安全可靠，但使用寿命低于压缩式制冷机，COP比较低。吸收式冷水机组单机容量见表2。

表2 吸收式冷水机组单机容量及COPTab.2 Unit capacity and COP of adsorption refrigerator

1.2 制冷机的能耗分析

从1.1节分析可知，不同冷水机组各有特点，其能耗由低到高的顺序为：离心式、螺杆式、活塞式、吸收式制冷机。对于压缩式冷水机组，当单机空调制冷量(φ)大于1 163 kW时，宜选用离心式；φ为582～1 163 kW时，宜选用离心式或螺杆式；φ小于582 kW时，宜选用活塞式。压缩式制冷机的COP大大高于吸收式制冷机的COP。

从空调系统的运行能耗来说，压缩式制冷机耗电量大，溴化锂吸收式机组蒸汽、热水或燃气(油)耗量大。吸收式制冷机节电不节能，但如果有余热或废热作为热源的工厂宜采用吸收式冷水机组。

几种冷水机组的运行能耗见表3。

表3 几种冷水机组的运行能耗Tab.3 Operation energy consumption of refrigerators

注：单位制冷量耗电包括制冷机设备耗电，不包括冷冻水泵。

1.3 制冷机配置方案的优化选择

选择制冷机配置方案时，要综合考虑厂区能源供应状况、制冷量的大小、正常及最高运行负荷的需求情况，对制冷机进行经济性分析，通过技术经济比较后确定，同时还需要考虑系统的运行能耗及初始投资费用。

在空调设计中，制冷机的冷量一般是根据最大空调负荷确定的。但实际运行时，空调冷负荷与室外温度密切相关，制冷机大部分都不是满负荷运行。因此，在制冷机组大小和数量选择时，需要综合考虑负荷变化，首先可以通过制冷机的开启数量来调节，同一机房内也可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案，以节约能耗。

另外制冷机是选用溴化锂吸收式冷水机组，还是压缩式电动制冷机，需要根据厂区的能源供应确定。有余热和废热的厂区，可以全部或部分选用溴化锂吸收式冷水机组，电动制冷机作为备用或补充；对于没有余热利用的厂区，尽量全部选用压缩式电动制冷机组。

2 工程应用实例

以新规划的化纤生产工厂为例，生产工艺(包括工艺、设备需要的冷冻水以及满足工艺生产需要的工艺空调)和车间环境空调均需要冷冻水，供水温度7 ℃、回水温度12 ℃。制冷系统总制冷量(空调和工艺总需求)为26 500 kW，其中生产工艺需要空调负荷为3 100 kW，其余均为环境空调负荷。

厂区内装置工艺塔生产时会有微正压蒸汽产生，常规运行时采用空气换热器降温后直接排放，造成能源浪费。

2.1 制冷机机型的选择

厂区内具有废热，从节能角度出发，根据废热量选择相对应的热水型或蒸汽型溴化锂制冷机，不足的冷负荷通过离心式制冷机补充。

2.2 余热利用方案

(1)厂区生产工艺产生的常压蒸汽量预计在10～12 t/h，可以直接利用工艺塔顶的常压工艺蒸汽，就近布置1台常压蒸汽型溴化锂制冷机，直接采用工艺塔顶蒸汽制取冷冻水。同时在装置区内增设冷冻水循环泵，将冷冻水与动力站冷冻水管线并管后供生产和空调使用。蒸汽型制冷机系统工作流程见图1。

图1 蒸汽型制冷机系统工作流程示意Fig.1 Work flow of steam type refrigerator1—工艺塔；2—风冷冷却器；3—电机；4—蒸汽型制冷机；5—冷冻水循环泵

(2)在工艺塔顶采用两级换热，第一级为热水换热器，第二级为风冷冷却器。将热水换热器产生的热水用于制冷(工艺塔顶热水换热器效率按80%计)，可配套1台3 516 kW的热水型溴化锂制冷机。换热器热水出口温度95 ℃，通过厂区管道输送至厂区内的动力站，经过制冷机后热水温度降为80 ℃，再通过管路送回至换热器循环利用。热水、冷冻水流程见图2。

图2 热水型制冷机系统工作流程示意Fig.2 Work flow of hot water type refrigerator1—工艺塔；2—热水换热器；3—风冷冷却器；4—电机；5—热水循环泵；6—热水型制冷机；7—冷冻水循环泵

(3)上面2个方案制冷方式和安装位置不同，各有利弊。虽然蒸汽制冷的效率较高，但结合新规划项目实际情况，综合考虑公用工程配置和运行费用，以及设备的运行稳定性，选择方案2，将热水送至动力站，动力站新增热水型制冷机。

2.3 制冷机型号和数量的配置方案

生产工艺需要的冷负荷全年不变；环境空调负荷与季节有关，车间环境空调一般每年运行时间为5～10月使用，7月、8月冷负荷需求最大，其余6个月不用。根据使用特点和总冷量，配置1台3 516 kW的热水型溴化锂制冷机，2台3 517 kW离心式制冷机，和3台6 893 kW的离心式制冷机。

运行方案如下：只有生产工艺用冷负荷时间段，只开启1台3 516 kW的溴化锂制冷机，此时3 517 kW离心式制冷机作为备用；环境空调需要开启的时间段，随着室外气温不同，空调需要的冷负荷从小变大，开始可以先开启3 517 kW的离心制冷机，当负荷慢慢变大，1台不能满足要求时，启动第2台3 517 kW的离心制冷机，逐步启动6 893 kW的离心式制冷机，关闭1台3 517 kW的离心式制冷机，随着负荷的变化，调节制冷机的运行数量，达到节能最大化。

水泵配置时，需要同时考虑不同制冷模式下冷水量的变化，水泵流量需要满足不同冷水量时能够正常运行，并同时将运行能耗降到最低。

2.4 节能减排

热水型溴化锂制冷机利用废气余热通过换热器生产的热水作为热源，比传统的制冷机的配置增加了1台热水循环泵，其他配置完全相同。热水型溴化锂制冷机装机容量为33.5 kW，热水循环量为266 t/h，配置的热水循环泵流量280 t/h，扬程47 m，功率55 kW。

离心式制冷机采用10 kV/50 Hz电机，制冷量为6 893 kW的离心式制冷机装机容量为1 153 kW，制冷量为3 517 kW的离心式制冷机装机容量为591 kW。

生产工艺用冷负荷全年恒定，制冷机需要全年运行，制冷机按照年运行时间8 000 h计算，热水型溴化锂制冷机和离心式制冷机能耗量比较见表4。

表4 制冷量为3 517 kW时2种制冷机的能耗比较Tab.4 Energy consumption comparison of two types of refrigerators at cooling capacity of 3 517 kW

由表4可以看出，采用工艺废气余热通过换热器制取热水，再利用热水制冷，每年运行能耗比离心式制冷机节电4.02×104kW·h，折合标煤耗量比离心式制冷机节约1 327 t。另外，利用废热制取热水用来制冷，和离心式制冷机比较，一氧化碳减排量为5.35 t/a；二氧化硫减排量为17.60 t/a；烟尘减排量为1.85 t/a。

从以上数据可以看出，采用余热制冷不仅给企业带来了可观的经济效益，环境保护和节能减排效果也很好。

2.5 设备配置注意事项

工业余热利用技术，设备配置方式众多，但都有一定的适用条件，应根据不同企业余热种类、温度、余热量，结合生产条件、工艺流程、内外能量需求，选择合适的余热利用方式，实现降低能耗、提高效益的目的。

选择制冷机设备数量时，单台制冷量越大、制冷机数量越少，初投资越低；单台制冷量变小后，虽然提高了调节性能，但设备台数增加导致了设备初始投资增加。因此设备选择时，应优先采用大、小机组搭配的组合型式，同时制冷机组之间还需要考虑互为备用和切换使用的可能性。同一机房内可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案，部分负荷时开启小机组，高峰时使用大机组，使机组尽量在较高效率下运行，以降低能耗。水泵配置时一定要和制冷机的开启相匹配，以保证系统运行正常和节能最大化。

制冷机大部分时间在低负荷下运行，因此制冷机的能耗不但与其低负荷下的效率有关，还与能量调节控制系统有关系，在选用冷水机组时，还应优先选用能量调节自动化程度高的机组。

随着制冷技术的进步，微正压蒸汽型溴化锂冷水机组日渐成熟，在条件允许时可采用塔顶工艺蒸汽直接制冷的工艺流程，可提高余热利用的效率。

3 结论

a. 在化纤生产中，制冷过程需要消耗大量的能量，制冷机系统配置时需要从节能和经济性角度出发，并合理有效利用现有能源。配置和运行方案对冷冻机和空调节能有着重要的意义。

b. 有余热和废热可利用的企业尽可能选择吸收式制冷机。有效利用余热，不仅可以节省大量的运行成本，对节能减排也有重要的意义。

c. 在必须选择电动压缩式冷水机组的企业，需要根据制冷量的大小选择制冷机的型式，同时考虑负荷的可调节性，优化不同型号机组配置组合，最大限度地提高制冷机组的COP，降低能耗。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第二版.北京:中国建筑工业出版社,2007:2260-2264.

Lu Yaoqin.Practical design handbook for heating and air conditioning[M].Ind ed.Beijing:China Architecture & Building Press,2007:2260-2264.

[2] GB50019—2015.工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

GB 50019—2015.Design code for heating ventilation and air conditioning of industrial buildings[S].

Discussion of system configuration and energy saving scheme of refrigerator for chemical fiber industry

Hou Yanpo

(ShenmaIndustrialCo.,Ltd.,Pingdingshan467000)

The type and characteristics of refrigerators were introduced, as was the principle of type optimization and configuration. The refrigerator system configuration and energy saving and consumption reduction plan were analyzed for a newly-built chemical fiber plant. The traditional refrigerators are divided into two types, compression type and adsorption type. The adsorption type refrigerator is a better choice for the chemical fiber plants having waste heat utilized when the compression type refrigerator consumes a large amount of energy. The refrigerator system configuration should take a comprehensive economic and conservation consideration based on the waste heat utilization for chemical fiber production. The refrigerator model should be rationally decided according to the cooling capacity and load and the refrigerator configuration should be optimized to maximize the coefficient of performance when the compression type refrigerator must be applied.

air conditioning system; chiller unit; refrigerator; energy saving and consumption reduction; waste heat utilization

2017- 03-13； 修改稿收到日期：2017- 04-23。

侯彦坡(1973—)，男，工程师，从事化纤项目筹建及设备管理工作。E-mail：houyanpo123@163.com。

TQ340.5

B

1001- 0041(2017)03- 0063- 04