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临汾宏源煤矿500万吨洗煤厂空气源热泵采暖升级改造项目

临汾宏源煤矿500万吨洗煤厂空气源热泵采暖升级改造项目

一、项目概况
蒲县宏源煤业集团有限公司自2017年至2018年,按政府清洁采暖,减少雾霾的要求,对下辖各厂矿单位的供热系统进行了改造,由原来的燃煤锅炉改为电厂集中供热或空气源热泵机组供热。然而一年来的实践表明,改造后的厂矿单位普遍存在采暖效果差,压缩机大量烧毁等问题,严重影响了企业的生产。

经延聘专家、多方调研,决定对问题最大的宏源500万吨洗煤厂进行试点改造,最终,法凯涞玛蓄联热泵系统方案脱颖而出。该方案利用现有空气源热泵和相变蓄能耦合,为螺杆热泵系统提供稳定热源,采用AWHN系列暖气片专用螺杆热泵机组实现供水60℃/回水45℃,大温差小流量,确保末端暖气片的采暖效果。500万吨洗煤厂总供热面积为48573.8㎡,其中生产区域建筑面积为36738.3㎡,建筑层高5.4米,折合为建筑(按层高3米计)供暖面积65713.2㎡。
该方案通过综合创新有效地突破了单一技术运用的物理极限,蓄能模块交叉互联、综合利用,拓展了水源热泵和空气源热泵的使用条件,克服各自的限制和性能弱点,不仅设备压缩比降低、维护成本减少、设备寿命延长,而且系统稳定性提升、能够在极端严寒的天气下稳定供热。

二、原空气源热泵系统存在的问题
1、原设计负荷
生产区总供热面积36738.3m2,热负荷2939KW,负荷指标80W/m2,磅房(224.1m2)、1#门房、2#门房(63.6m2)室内设计温度为18℃外,其他区域室内设计温度为12℃。
2、原设备配置及装机功率
配置“某品牌”DKFXRS-165Ⅱ/C₂型机组28台+2台200KW的电辅热器。
燃煤锅炉停用拆除后,在锅炉房北侧集中安装了二十八台DKFXRS-165Ⅱ/C2空气能热泵机组,其中八台供生活区,二十台供生产区。
空气源热泵主机安装间距为56㎝。

3、使用情况
2018年冬季实际运行中供水温度约40℃,能耗费用极高,而且多台压缩机烧毁、进行了维修更换。
按铭牌显示在室外温度7℃/6℃下制热量为20*170KW=3400KW,在室外温度-12℃/-14℃下制热量为20*108KW=2160KW,若在环温-20℃时,产生的热量更低,但末端总消耗的热负荷为2939KW,按-12℃/-14℃条件考虑,单位小时还差779KW热量供应。
4、供热效果
2018-2019年度(2018.11.1日-2019.2.26日)采暖期运行情况:
①供水温度最高为55℃,室外温度-12℃以下时,供水温度均低于50℃。
②夜间使用两台200KW电辅加热,2018年12月和2019年1月全天开启。
③28台空气源热泵合计112台压缩机,已更换56台烧毁的压缩机,年损毁率高于50%。
④生活区地暖部分室内温度>18℃,其余建筑物(暖气片或其他散热器)均无法达到设计要求。
5、综合分析不达标原因:
①机组装机数量不够。
②空气源热泵机组安装间距不符合要求。
三、解决方案
1、负荷设计
生产区36738.3㎡,室内温度要求为12℃,外墙无保温(维护结构较差),末端为暖气片和其他散热器,推荐热负荷指标为:80W/m2。
系统配置热负荷依旧为36738.3m2×80W/m2≈2939KW。
2、技术解决方案
(1)采用蓄联热泵系统进行系统升级,通过原空气源热泵和相变蓄能耦合,为温度提升热泵系统提供稳定热源。
(2)蓄联系统大幅改善了单一空气源热泵低温环境下能效比低、结霜严重、故障率高的问题,高温供水运行平稳,低圧缩比运行使得压缩机使用寿命提高,保证极端天气供暖需求。
(3)温度提升热泵配置AWHN系列暖气片专用螺杆热泵机组,通过智能控制和冷凝器二次提温,回水进入一级冷凝器,入口侧水温45℃、出口侧水温52.5℃;通过联通阀进入二级冷凝器,入口侧水温52.5℃、出口侧水温60℃,大温差、小流量,确保末端暖气片的采暖效果。

3、设备配置及装机功率
1、温度提升热泵:
按设计热负荷2939KW,配置2台螺杆水水热泵AWHN4002A(60℃/45℃,单台制热量1520.4KW/功率386.9KW)
2、能量采集和蓄存:
按环温-15℃/出水25℃,使用空气源热泵28台和23m3蓄能罐罐体2个。
3、装机功率:
系统最大功耗表


四、系统设计
1、蓄联热泵系统优化设计


2、室外空气源蓄能热泵间距调整到1m以上、减少气流短路

3、相变蓄能模块充分发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能。


4、暖气片专用热泵机组能量提升,稳定供水60℃/回水45℃,大温差小流量,确保末端采暖效果。


五、供热效果
1、系统稳定60℃供热

2、建筑物散热器表面温度达50.3℃,室内温度达13℃(12月3日凌晨测试)

3、系统供热运行曲线、稳定
(1)严寒低温天气运行情况
根据监测期间的气温统计数据,最低气温出现在2019年12月30日,晴天,夜间最低温度-19℃,白天最低温度-6℃。蓄联热泵系统运行稳定,热源侧温度25℃左右,供热侧温度60℃左右。智能控制系统实测数据如下图所示:

图  智能控制系统运行数据曲线截图
(T1为热源温度;T2为供水温度;T3为回水温度;T4为蓄能温度;T5为蓄能罐内温度)
说明:低温严寒时段出现在凌晨至清早,由运行曲线可以看出,在00:30至11:00低温天气期间,空气源热泵加载运行,蓄能装置释放热量补充调节,热源温度波动较小,温度提升热泵供热温度稳定。在11:00至18:00白天环温较高时段,建筑物热负荷需求降低,蓄联热泵系统通过自动调节出水温度将部分高效富余制热能力转化为热能蓄存,此期间空气源热泵根据环温和供水温度进行自适应调节。
(2)低温雨雪天气运行情况
根据监测期间的气温统计数据,2020年1月4日至1月7日出现不同程度的雨夹雪、大雪天气,其中1月4日为雨夹雪天气,1月7日为大雪天气,全天气温都较低为-12℃,湿度较大。蓄联热泵系统中,热源侧的空气源热泵出现多次化霜现象,空气源热泵供水温度波动幅度加大,此时段,蓄能装置通过控制调节进行能量补偿,实现了热源侧温度的稳定平衡,确保了使用侧稳定供热。智能控制系统实测数据如下图所示:

图 智能控制系统1月4日运行数据曲线截图
(T1为热源温度;T2为供水温度;T3为回水温度;T4为蓄能温度;T5为蓄能罐内温度)
说明:由运行曲线可以看出,在05:00至12:00低温天气期间,蓄能装置释放热量补充调节;在12:00至18:00白天环温较高时段,蓄联热泵系统利用富余制热能力开始蓄能,蓄能装置还起到了对化霜能量的补偿,在12:30至15:30期间雨雪较大阶段,蓄能罐体内温度上升较慢。

图 智能控制系统1月7日运行数据曲线截图
(T1为热源温度;T2为供水温度;T3为回水温度;T4为蓄能温度;T5为蓄能罐内温度)
说明:由运行曲线可以看出,受雨雪天气影响,全天内热源侧温度波动较大,在01:00至13:00期间,蓄能装置多次释放热量进行温度补偿;在12:00至18:00时段环温升高,蓄联热泵系统利用富余制热能力开始蓄能,系统快速完成蓄能,并在18:00后建筑物热负荷提升,实现60℃左右的高温供热。
通过上述典型天气条件下的运行分析,相比原空气源热泵系统在12月和1月的两台200KW电辅加热全天开启情况、低温天气仍达不到50℃供水温度的要求,改造后的蓄联热泵系统,供热温度可始终保持在60~65℃之间,并且全时段未出现一例压缩机烧毁的现象。

4、空气源热泵设备性能大幅提升
空气源热泵压缩比降低44%、能效比提升约30%、实际启动设备数量减少50%,原电辅热装置未使用。
(1)空气源热泵改变了出水工况,使得设备运行的冷凝温度和冷凝压力降低,最大压缩比由24.33降至10.57,仅为原空气源热泵系统供暖的43.4%。压缩机始终处在高效、稳定的运行区间运行,设备故障率降低,可靠性提升。
(2)蓄联热泵系统中空气源热泵出水工况改变,使得压缩机的排气温度降低,相比原空气源热泵设定60℃供热时,排气温度降低50%左右,大大降低了低环温条件运行时压缩机烧毁的风险,而且大幅提升了设备的使用寿命。
5、运行费用
供暖运行费用估算表

备注:供暖4个月(120天),平均电价0.5652元/KWh,面积36738.3m2,单位面积运行费用为:29元/m2,仅供参考。

六、社会效益
本项目积极响应落实《大气污染防治行动计划》等文件精神,蓄联热泵系统立足先进节能技术,低成本、高能效、零排放的解决能源供应问题,增加了供热的稳定性、降低系统投资、运行节能、设备寿命提高,具备良好的经济价值和环保效益,对于“推进清洁能源、减少雾霾天气”有着积极的示范意义,也为严寒地区空气源热泵升级改造提供了借鉴。



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