利用吸收式热泵进行节能改造项目可行性研究报告.docx
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利用吸收式热泵进行节能改造项目可行性研究报告
三门峡开曼铝业
利用吸收式热泵进行节能改造项目
可行性研究
开曼铝业项目部
2010年7月
目录
1总论1
1.1编制依据及原则1
1.1.1编制依据1
1.1.2编制原则1
1.2研究目的及范围1
1.2.1研究目的1
1.2.2研究范围2
1.3遵循的标准规范2
1.4技术路线2
1.5研究结论2
1.6存在问题及建议2
2项目概况及建设的必要性3
2.1项目概况3
2.2最初提案3
3调查资料3
4热泵方案6
4.1热泵分类及工作原理6
4.1.1热泵的分类6
4.1.2热泵的工作原理7
4.2总体规划8
4.3工艺方案8
4.3.1基本方案8
4.3.2设备选型9
4.3.3机房位置11
4.3.4主要工程量及投资估算12
4.4配套系统13
4.4.1供排水及消防13
4.4.2供配电13
4.4.3仪表自动化14
4.4.4建筑与结构14
5环境保护14
5.1主要污染源14
5.2污染控制14
6劳动安全卫生14
6.1职业危害分析14
6.2职业危害防护14
7组织机构和定员15
7.1组织机构15
7.2定员15
8经济评价15
8.1评价依据和方法15
8.1.1评价依据15
8.1.2评价方法15
8.1.3评价指标15
8.2基础数据15
8.3经济效益评价15
9结论及建议17
1总论
1.1编制依据及原则
1.1.1编制依据
1）开曼铝业氧化铝厂和热电厂提供的供热系统现状及余热水资源状况的资料。
2）同方川崎空调有限公司提供的初步方案。
1.1.2编制原则
1）严格遵守国家、行业的有关政策、法规、标准、规范；
2）贯彻“可持续发展”的指导思想，采用成熟、可靠的工艺技术，回收利用余热废热，节约能源；
3）充分依托已建设施，简化流程，方便生产与管理，降低工程投资和能耗。
1.2研究目的及范围
1.2.1研究目的
开曼铝业自备电厂除向氧化铝厂提供厂用电和蒸汽外，还负责三门峡市的供暖任务。
氧化铝厂内设有大量工艺用冷却塔，上塔水温维持在40~45℃，蕴含着大量的热能。
目前这部分热量不仅不能利用，还需要耗费电能进行冷却，是一种能源的极大浪费。
如果将这部分热能量回收利用，可创造很可观的价值。
吸收式热泵是根据逆卡诺循环原理，将低温热源（如地下水、废水等）中的低品位热能进行提取，转换为高品位热能的一种高新技术。
该项技术已在城市采暖供热系统中广泛的应用。
近几年来，该技术在我国国内各个领域建立了示范性项目，如承钢集团、鞍钢集团、首秦金属材料公司等企业均有吸收式热泵技术的应用实例，主要用于站内的采暖和夏季制冷，经过几个采暖期的运行，效果良好，取得了较好的经济效益和社会效益。
目前，氧化铝厂共有四条生产线，仅每条线的蒸发工艺就需2000m3/h的循环水来进行冷却，上塔温度在40~45℃左右，如果循环水温度按温降10℃计算，则厂内可回收的余热热量约为93MW。
从热力条件分析，利用吸收式热泵机组回收循环水中的热量用于供暖，可以节约大量的蒸汽，降低运行成本，对于企业节能降耗和可持续性发展有着深远的意义。
同时本技术的采用无任何污染和废弃物产生，减少烟尘排放量，减少对环境的污染，达到积极明显的环保效益。
采用这种供热设备的安全系数高，有利于安全生产和减轻劳动强度。
1.2.2研究范围
本项目研究范围为开曼铝业自备电厂供热系统采用第一类吸收式热泵技术进行节能改造的可行性研究。
主要是根据自备电厂供热现况及氧化铝厂余热现况，对项目建设的必要性、规模、工艺方案、公用工程等内容进行可行性论证，提出项目投资估算及经济效益分析评价。
1.3遵循的标准规范
1）《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003；
2）《锅炉房设计规范》GB50041-2008；
3）《城市热力网设计规范》CJJ34—2002；
4）《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264—1997；
5）《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007。
6）《建筑设计防火规范》GB50016-2006；
7）《室外排水设计规范》GB50014-2006；
8）《10kV及以下变电所设计规范》GB50053-1994；
9）《供配电系统设计规范》GB50052-1995；
1.4技术路线
利用成熟可靠的热泵技术，在自备电厂设吸收式热泵机组及配套设施，用于回收氧化铝厂冷却循环水中的热量用于城市采暖、以替代部分首站汽水换热器，达到节能降耗的目的。
1.5研究结论
该项目首先进行一期建设，利用吸收式热泵技术回收四蒸发冷却循环水中的热量用于供暖，减少首站蒸汽耗量，属节能减排技改项目，不仅可取得较好的节能效果，而减少了循环水蒸发损失，具有显著的环境效益。
根据增量费用计算结果，实施该项目节约费用合计为885×104元/a，，动态投资回收期为2.6年。
从综合考虑，该节能改造工程可取得较好的经济效益和环境效益，建议尽快组织实施。
1.6存在问题及建议
该项目实施后，吸收式热泵机组只可回收四蒸发冷却循环水中的余热，其他三条线蒸发工艺的冷却循环水余热还没有利用。
本项目的节能效果需要经过一个供暖期运行考验后方可实施推广，如效果显著，可对其他三条线进行相似改造。
2项目概况及建设的必要性
2.1项目概况
三门峡市位于河南省西部，河南、山西、陕西三省交界处，是伴随着黄河第一坝－三门峡水利枢纽的建设而崛起的一座新兴城市。
锦江集团是一家涉及铝业、发电行业的大型股份公司，在三门峡、宁夏等地建有铝厂，在杭州等地建有垃圾发电厂。
开曼铝业为锦江集团有限公司旗下控股公司，位于河南省三门峡市陕县，分为两个分厂：
氧化铝厂和自备电厂。
氧化铝厂生产工艺中需要大量蒸汽，同时也会产生大量余热，需使用冷却循环水进行散热；自备电厂装有2台抽凝机组、1台高背机组和2台低背机组，今年计划新上一台锅炉（260t/h），为氧化铝厂提供蒸汽，冬季还负责为三门峡市部分地区供暖。
近年自备电厂的供暖工作一直处于亏损的状态，因此企业急需进行节能改造，以减少亏损，甚至扭亏为盈。
2.2最初提案
同方川崎空调设备有限公司近年来致力于吸收式热泵机组的开发与生产。
基于对开满铝业的初步调查，同方川崎提出了初步的技改提案。
该提案为，使用两台25MW第一类吸收式热泵机组对自备电厂供暖系统进行改造。
使用吸收式热泵机组将4000m3/h供暖回水中的一部分（1500m3/h）由60℃加热至85℃，回收利用的循环水流量为1800m3/h，温降10℃。
该提案预计的投资为2290万元，预计的节能效益为885余万元/年。
3调查资料
针对同方川崎的初步提案，技术人员对工厂现状进行了实地调查。
技术人员首先对项目实施的合理性进行了调查。
调查显示，冬季，自备电厂低压蒸汽存在较大缺口。
图3-1为自备电厂2011年蒸汽平衡图。
除氧器40t/h
图3-1自备电厂蒸汽平衡图
从蒸汽热平衡图中可以看出，低压母管中，1#、2#、4#、5#汽机抽（排）汽总量为
60+20+104+201=385t/h（0.6MPa、300℃）
经喷水减温后，蒸汽总量为
385×1.23=473t/h（0.6MPa、170℃）
低压母管上冬季需求汽量（0.6MPa、170℃）为
160+40+80+350=630t/h
蒸汽缺口为
630-473=157t/h
因此蒸汽缺口存在，本项目有节能的空间，项目可行。
表3-1为调查得到的厂区内各系统的参数。
表3-1调查得到的厂区内各系统的参数
分项
名称
明细
设计思路
确认
热网部分
热网水流量
流量约4000m3/h，供暖期内稍有波动
按4000m3/h设计
供回水温度
去年供水温度99~104℃，回水温度59~64℃
按供回温度100/60℃设计
供回水干管管径
管径均为DN1200，埋地2.5m
在回水干管上安装等径旁通管，在旁通管上进行分流，使用水泵平衡压差
往年统计数据
城市供暖数据统计表
用于经济效益计算
蒸汽部分
蒸汽平衡
图3-1
用于考核项目可行性
蒸汽来源
用于供暖的低压蒸汽
设计在首站减温器后、换热器前的蒸汽主管上接管
蒸汽压力
0.62MPa
按进入热泵机组的压力为0.4MPa设计
蒸汽温度
200℃
凝水压力
0.62MPa
凝水温度
140℃
凝水回水点
回至高压除氧器
将热泵机组凝水增压，接入首站内凝水母管
余热部分
冷却塔总况
全厂冷却塔分蒸发、分解、焙烧等工艺，分解工艺水量不稳定
蒸发冷却塔形式
设有热水池和冷水池
余热水由热水池抽取，在热泵内放热后返回冷水池
四蒸发循环泵参数
冷却塔热水泵共2台，用1备1，额定流量2990m3/h,扬程32米
可利用现有循环水泵
四蒸发循环水流量
冷却塔总流量1800m3/h
按全部利用其余热量设计
四蒸发供回水温度
一月份上水温度30℃，下水温度45℃
按最冷月温度参数设计
一二蒸发循环泵参数
冷却塔热水泵共3台，用2备1，额定流量2990m3/h,扬程32米
可利用现有循环水泵
一二蒸发循环水流量
冷却塔总流量3800m3/h
按全部利用其余热量设计
一二蒸发供回水温度
一月份上水温度34℃，下水温度44℃
按最冷月温度参数设计
三蒸发参数
与四蒸发相同
突变
每条线冬季有1~2次检修
检修时停用热泵系统
表3-2城市供暖数据统计表
时间
供热量（GJ）
出水温度（℃）
回水温度（℃）
补水量（t）
凝结水量（t）
2009年11月
227419
106
68
8741
88409
2009年12月
472518
108
61
10834
174159
2010年1月
506357
106
62
12775
189839
2010年2月
410506
100
60
11578
14237
2010年3月
215138.7
95
58
6968
71445
第一供热周期
831938.7（总）
103（平均）
61.8（平均）
50896（总）
665089（总）
2010年11月
208219.042
101
62
11443
101331
2010年12月
448642
100
62
14989
201808
2011年1月
506892
102
59
21809
252884
2011年2月
439683
104
63
19215
187257
2011年3月
192602
99
64
11656
84583
总计
1796038（总）
101.2（平均）
62（平均）
79021（总）
827863（总）
4热泵方案
4.1热泵分类及工作原理
4.1.1热泵的分类
按热源获取来源的种类，热泵可分为：
水源热泵，地源热泵，空气源热泵，双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）；按实现热量转移的方法，热泵可分为：
压缩式热泵，吸收式热泵。
本项目是利用冷却循环水为低温热源，属水源热泵；利用蒸汽为驱动热源，属吸收式热泵。
因此，本项目采用的是第一类蒸汽型吸收式热泵。
4.1.2热泵的工作原理
吸收式热泵是一种能使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。
恰当地利用吸收式热泵可以把那些不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能，从而提高热能利用率，节约大量燃料。
第一类吸收式热泵是以消耗一部分温度较高的高位热能为代价，从低温热源吸取热量供给用户。
图4-1蒸汽型溴化锂吸收式热泵循环原理
第一类吸收式热泵主要由再生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器等组成，按驱动热源的不同（驱动热源有蒸汽、100℃以上热水、燃气和燃油）又可分为蒸汽型/热水型和直燃型。
目前常用的是溴化锂吸收式热泵，溴化锂吸收式热泵以水为制冷剂，以溴化锂溶液为吸收剂。
水在常压下100℃沸腾、蒸发，在5mmHg真空状态下4℃时蒸发；溴化锂溶液是一种记忆吸收水（蒸汽）、化学性质稳定的物质，在温度越低、浓度越高时吸收能力越强。
溴化锂吸收式热泵就是利用此性质。
水在蒸发器中吸收热源水的热量蒸发变成蒸汽，被溴化锂浓溶液在吸收器中吸收变成稀溶液，同时放出吸收热，实现水的一次升温；稀溶液被送到再生器，被高温热源加热浓缩成浓溶液，进入吸收器。
再生器产生的水蒸汽进入冷凝器与温水换热，冷凝成水进入蒸发器；温水在冷凝器中被加热实现二次升温，如此反复循环。
蒸汽型溴化锂吸收式热泵循环原理见图4-1。
第一类吸收式热泵的控制方式为以回水温度为控制信号，控制机组的工作负荷。
自动调整范围为10~100%。
4.2总体规划
经现场实地调查，氧化铝厂内较优质的循环水余热资源为蒸发工艺冷却循环水，总量约8000m3/h。
由于冬季自备电厂蒸汽缺口较大，因此计划尽可能地全部回收利用这部分余热资源，最大限度的节省蒸汽量。
一二蒸发冷却循环水总流量3800m3/h，上水温度34℃，下水温度44℃。
为全部回收利用蕴含的余热，可选用4台25MW吸收式热泵，以87.4t/h、0.4Mpa的低压蒸汽为驱动热源，将60℃的热网回水中的3440m3/h的水量加热至85℃，回收循环水中的热量可节省低压蒸汽82.2t/h。
四蒸发冷却循环水流量1800m3/h，上水温度30℃，下水温度45℃。
为全部回收利用蕴含的余热，可选用2台25MW吸收式热泵，以43.8t/h、0.4Mpa的低压蒸汽为驱动热源，将60℃的热网回水中的1720m3/h的水量加热至85℃,回收循环水中的热量可节省低压蒸汽41.1t/h。
三蒸发的情况与四蒸发相同。
由于四蒸发距离电厂管网回水管较近，拟先上2台25MW吸收式热泵作为一期工程，回收四蒸发循环水的热量加热电厂供暖回水，以实践检验吸收式热泵系统的节能效果。
4.3工艺方案
4.3.1基本方案
本项目吸收式热泵系统的基本工艺流程为，原供暖用的的0.6MPa的过热蒸汽，通过减温器变为饱和蒸汽后，驱动吸收式热泵机组的热循环；四蒸发冷却塔循环水不再前往冷却塔，而全部通过管道进入吸收式热泵机组，在热泵中释放热量后再进入冷却塔降低至要求温度；部分热网循环水回水进入吸收式热泵组后吸热升温，然后再经汽水换热器升温，最后入户，如此循环。
图4-1为本项目工艺流程简图。
图4-1吸收式热泵系统工艺流程图
4.3.2设备选型
开曼铝业在对初步提案进行评审后，陆续对各个吸收式热泵生产厂家进行了了解，经综合比选后，本项目拟选用2台同方川崎空调设备有限公司生产的25MW吸收式热泵，其单台机组的详细参数见表4-1。
表4-125MW第一类吸收式热泵技术参数表
机组型号
RB0.4-25-40/30-60/85
控制方式
机组容量
热水出口温度PID控制
蒸汽耗量
PID+ON/OFF控制
制热量
kW
25000
热水
进/出口温度
℃
60/85
流量
m3/h
860
压力损失
kPa
110
余热水
进/出口温度
℃
40/30
流量
m3/h
852
压力损失
kPa
125
蒸汽
蒸汽压力
MPa
0.4
饱和蒸汽消耗量
kg/h
23040（过热21852）
电气
电源
-------
3相380V50Hz
功率
kW
27.5
接管口径
热水进出口
DN
350
余热水进出口
DN
350
蒸汽进口
DN
200
凝水出口
DN
125
外形尺寸
长
mm
8900
宽
mm
3750
高
mm
5200
重量
运输总重量
ton
124
运行重量
ton
140
注：
●蒸汽为饱和蒸汽，压力为表压力。
●电动机合计输出功率用平时运行的电动机功率合计值进行表示。
●热水、余热水污垢系数为8.6×10-5m2·K/W。
●机组负荷运行范围为10～100%。
●热水、余热水系统最高承压均为0.8MPa。
4.3.3机房位置
按照机组安装要求及现场场地情况，已选定四线蒸发冷却塔南侧空地（约10×60m）作为机房用地。
图4-2、4-3为吸收式热泵机房初步的布置。
图4-2为吸收式热泵机房布置总图
图4-3吸收式热泵机房内布置图
由此可估算本项目的工程量。
工程量的估算结果见表4-2。
4.3.4主要工程量及投资估算
本项目的主要工程量包括热泵机房的建设、工艺设备的安装、外围管线的的建设等。
本项目的主要工程量及投资估算见表4-3。
表4-3本项目主要工程量及投资估算表
序号
项目名称
单位
四蒸发
数量
分项投资
（万元）
主辅设备
1
吸收式热泵机组RB0.4-25-40/30-60/85
台
2
1985
2
热网水增压泵Q=2000m3/hH=15m
台
3
4
3
蒸汽减温器
台
2
2
4
配电
套
1
5
5
流量表（蒸汽）
台
1
14
6
流量表（水）
台
2
16
7
温度传感器
个
6
6
8
凝水箱及凝水泵
套
1
3
土建部分（含人工）
9
彩钢板机房（含基础）34×10×8m
项
1
50
10
机房内照明、通风、排水、消防工程
项
1
工艺部分（含人工）
11
热水管道DN1000（含管架、支墩等）
米
200
60
12
余热水管道DN800（含管架、支墩等）
米
50
10
13
蒸汽管道DN200（含管架、支墩等）
米
160
7
14
凝水管道DN125（含管架、支墩等）
米
160
5
15
阀门管件
项
1
30
16
设备及管道安装
项
1
58
4其他
17
设计费
项
1
15
18
其他费用（管理费、预备费等）
项
1
20
合计（未含土建）
￥
2290
4.4配套系统
4.4.1供排水及消防
该项目生产用水主要是热泵系统补水、擦洗设备和拖地用水，现有供水系统可满足需要。
排水主要为装置排水和零星的生活水，可接入厂区排水系统中。
站区已建有完善的消防设施，热泵机房消防依托已建设施，机房内按规范要求配置一定数量的灭火器材。
4.4.2供配电
1）电力负荷预测
根据工艺推荐方案，本工程新增主要用电设施为热泵机组，用电负荷等级为二级、电力负荷预测见表4-4。
表4-4新增电力负荷预测表
序号
名称
数量
实用总容量（kW）
备注
1
热泵机组
2台
55
三相
2
热水增压泵
3台
100
三相
3
凝水增压泵
2台
20
三相
小计
175
2）供配电方案
由上可知，新增电负荷最多为175KW，因此需再进行小量扩容。
4.4.3仪表自动化
热泵机组本身配备有完备的监测与控制系统，除此之外，本项目考虑在热泵机房设立DCS控制系统和计算机终端，并将信号通过光纤传往主控室。
4.4.4建筑与结构
建筑结构方案确定本着“安全适用、技术先进、经济合理”的原则，选用合理的建筑、结构型式。
热泵机房（变配电室与机房合建）建筑结构形式为彩钢结构，建筑面积约3000m2，设备基础采用C15砼或C20砼现浇。
5环境保护
5.1主要污染源
在生产过程中，主要污染物是动力设备噪声。
5.2污染控制
1）在设计上采用低噪音设备，并设减振、隔音等措施，将发声源统一集中布置，并与值班区分开布置。
2）配带耳塞防噪用品，对工人进行个人防护，减少对岗位工人的噪声污染。
6劳动安全卫生
6.1职业危害分析
1）在生产过程中，动力设备产生的噪声。
6.2职业危害防护
1）在设计中应考虑采取各种防护措施，配备专用的防护器材和劳保用品；
2）在人员培训方面，加强安全知识和文明生产的教育；
3）热泵机房设轴流风机，保证工作场所通风换气；
4）转动设备均设有防护设施，对生产过程中表面温度超过60℃有可能接触人的设备和管线均设防烫隔热层。
7组织机构和定员
7.1组织机构
本工程建在开满铝业自备电厂内，其劳动组织由自备电厂负责管理。
7.2定员
本项目建成后，员工由作业区现有人员解决。
应对上岗员工进行上岗前的理论培训学习，并通过严格的理论考试，达到了解工艺过程并熟练操作要求。
8经济评价
8.1评价依据和方法
8.1.1评价依据
1）国家发改委、建设部联合发布的《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）；
2）项目实施方案。
8.1.2评价方法
采用有无对比法计算该节能项目的增量效益。
8.1.3评价指标
ΔPt（简单投资回收期）：
有项目与无项目的期初增量投资可望回收的年限（暂不考虑时间价值）。
8.2基础数据
冬季采暖期：
120d
热力价格：
35.91元/GJ
8.3经济效益评价
按照《城市供暖数据统计表》中的数据，作如下分析：
1）2009和2010年的整个供暖季中，供水温度均为100℃左右。
而2×25MW机组可使回水干管水温提升至71℃。
即全供暖季的供水温度超过热泵设备供水温度，因此热泵设备在整个供暖季中全负荷连续运行。
2）2009年供暖面积为300万m2，最冷月蒸汽消耗总量为189839t，合264t/h。
2010年供暖面积增至364万m2，最冷月蒸汽消耗总量为252884t，合351t/h。
据了解，2010年首站内换热器结垢严重，换热效率大大下降。
如按照2009年设备水平，来折算2010年的蒸汽耗量，则2010年最冷月的耗汽量为320t/h。
2011年供暖面积又有所增加，但是不影响节能效益的计算，因此下表仍按2010年供暖面积和供暖水平估算本项目效益。
表4-5本项目效益预估表
节能总量
名称
单位
本方案
原系统
说明
低温段新汽耗量
t/h
43.8
84.9
60-71℃
高温段新汽耗量
t/h
230.12
230.12
71-100℃
总新汽耗量
t/h
273.92
315.02
供暖时间
h
2880
年新汽节省量
t/a
106602
考虑损失系数
年节省热量
GJ
251284
折标煤量
t/a
8583.8
经济效益
热力价格
元/GJ
35.91
创收效益
万元/年
902.4
额外电力负荷
kW
≤200
额外电力费用
万元/年
17.3
净效益
万元
885.1
仅计汽电两项
项目投资
万元
2300
预估
简单回收期
/
2.6
从表中可以看出计算得出的最大蒸汽耗量为315t/h，与2011年统计数据320t/h基本相符。
表中可以得出，本项目的年经济效益为885万元，效益十分可观。
另外，本项目的实施使四蒸发冷却塔在冬季停用，减
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