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分析太阳能工业热水工程典型案例

上传时间:2016-12-08 11:52:41来源:来源:太阳能产业资讯浏览次数:

着眼于理论和实践、产品和技术各个层面,就工程案例的系统构成、关键技术方案、控制技术等要点进行了详细的阐述。具有工程技术参考和推广价值;此文为同行业以及类似工业用热企业提供了详实的技术基础范例。

来源:太阳能产业资讯

山东潍坊强胜新能源有限公司/张庆奎 刘永久

 

摘要:本文介绍了由山东潍坊强胜新能源有限公司在山东省“工业绿动力”计划中,实施完成的工业印染热水工程。其中诸城佳士博有限公司一期面积1460?项目,获得2015年度“总评第一名”,由山东省太阳能行业协会定性为“山东省工业热利用工程示范工程”。工程的实施,依托于包括联集箱自动化辊压生产线、恒温高压发泡保温等高科技、规模化先进设备;依托于技术创新、求实务实的科技理念。本文就诸城桑莎集团的印染热水项目的创新点、设计要点予以分析。

1 概述 

工业用热水在我国发展时间不长,各地发展不均衡。随着社会对节能减排的高度重视,工业制造企业,尤其是大量燃煤用热的企业,呈现出对工业太阳能热水高度关注的好势头。

  

山东潍坊强胜新能源有限公司(以下简称“强胜新能源”)2013年底正式投产,一直秉承高端热利用产品的研究开发、秉承产品创新和工程技术集成创新。致力于“工业绿动力”热利用,在改进太阳能集热器的结构,提高太阳能集热器的性能,尤其开发研制工业用中低温集热器、中高温集热器,以及工程系统技术集成方面卓有成效,并取得了多项国家专利。凭借高质量的产品和一流的工程技术,强胜新能源在山东省实施的“工业绿动力”计划中,连续3年取得总吨位第一的可喜成绩。

  

2 工业太阳能热利用的优势

  

2.1 工业热能现状

  

家熟知的我国能源有三条大网络:海洋石油、陆气管道、超高压电网。现在另一个新的能源网也在形成,就是“分布式新能源网”。分布式新能源网包括分布式太阳能光热和分布式太阳能光电。我国的工业能耗一是热水热汽,二是电。借助于企业的车间屋顶、工业广场均可以实施使用分布式新能源。

  

我国有三大高能耗高污染行业:即“煤钢”“煤电”和“煤工”。

  “

煤工”指的就是工业产品制造业的煤热源。我国工业制造业有一个特点,生产工艺几乎都用热蒸汽,热蒸汽产出设备几乎都是煤锅炉。可见,太阳能产热与工业用热具有正向利用的特点。

  

2.2 工业热水与太阳能热水

  

热水和热汽是工业用热的两大主要介质。多数情况下,热水是末端一次消耗热介质;热汽是工艺温度的热源,也是一次消耗品。

  

 

工业生产用热,从工艺温度上看,温度范围比较大;从低温热水、高温热水一直到蒸汽。实际上的工业用热,是一个热水到热汽的“热力环”。工业太阳能热利用,就是同步向这个“热力环”,具体形式就是完成一个从低温热水到高温热水,一直到产出高温蒸汽的“热能环”。完成了这个热能环,就算实现了工业太阳能热利用的最高阶段。工业热水应该定义为太阳能热利用的“中段”。应该肯定,在这个“热力环”中70℃左右的热水,非常适合于工业中段温度用热。太阳能完全能够产出这个温度的热水。

  

山东省“工业绿动力”项目的规定储热温度为70℃,就是基于工业用热的中段温度。

  

2.3 工业中段温度用热的比率

  

1)工业中段用热的宽泛性

  

熟食类煮锅:传统工艺上,煮锅内首先加冷水,热蒸汽将之升温到65℃,进行一次投料。

  

化工涂料反应釜:也是首先将反应釜的的冷水升温到50℃~70℃,进行投料。

  

其它类:布料、皮料类的脱浆、脱油,都需要65℃~70℃的热水。

  

这些工业生产工艺都要一次性消耗大量的热水。太阳能提供此温度段的热水属于一次性直接用热。

  

2)中段热水占比

  

例如诸城佳士博有限公司蒸煮车间12m³鸡肉煮锅,投料前用44t太阳能热水70℃/4m³,投生肉料8m³。

  

第一阶段吸热:热水释放热量——385MJ;被冷肉吸收后,温度达到47℃的热平衡状态。

  

第二阶段升温:4t47℃的热水升温到100℃,耗热量886MJ,8t肉丸升温到100℃,需要耗热1272MJ。总耗热量:2158MJ。

  

需要大约1t150℃的蒸汽。设定锅炉前级预热用太阳能热水。则产出8t熟肉丸,太阳能热节能占比38%。可见,太阳能提供工业热水,工艺上可行,节能效果十分显著。

  

3 工业热水工程产品与技术要点

  

3.1温度范围扩大

  

基于工业类产品的制作工艺,末端用热温度值各不相同。比如烘干过程中的预烘干、深度烘干。印染工艺的漂洗、着色、缩水。食品工业的脱毛、分割等。这些以水或者蒸汽作为工质用热温度范围在40℃~140℃。

  

扩大温度范围常用的措施是:一种是串级储热放热,一种是定温放水。采用这两种方法理由是:一般工业一次性消耗热水的中段温度生产,温度略低没问题,高了反而破坏食品的纤维。因此,串级集热储热的系统,多温度输出,适合于生产多温度段用热。

  

3.2 温度稳定

  

串级放热的储热结构上,把总的储热容量分成多个独立的储热单元。热流体方向上,对应着太阳能集热进回水,由高温储能罐到低温储能罐依次串接。其优化功能是多个储热箱供出多个温度热水。单元储热小容量,温度不宜波动。

  

3.3 水介质回流排空

  

建立在太阳能集热器水平安装的基础上,太阳能每日终止循环集热时,尽量使得系统管路以及真空管内的热水回流到储热水箱。其主要目的和效果是减少系统的残存热量,提高系统的综合得热量。

  

水介质回流排空的另一个有益效果是冬季提高系统的防冻性能,减少“防冻循环”带来的无功损耗。

  

4 工业热水系统的流体危害及预防

  

4.1 热流体危害

 

太阳能集热器从接收阳光开始,就是一个吸热、导热、传热的热流体过程;包含着压力、温度、流量、流速、静压、动压、汽液分离等一切动态参数都在变化。这个容量不大,但面积过大的热力系统,极其容易发生“热流体损伤”。最典型是水锤、聚汽、压力不均、换热不匀等不利现象。太阳能集热模组处于阵列的局部,吸热过程极易产生微小气泡,小气泡流动聚集成大气泡,形成高温高压气团。失压时极易产生压力冲击,造成水锤,甚至击破真空管。

  

4.2 防范措施

  

4.2.1 产品优化

  

大型工业太阳能集热阵列,单系统吨位都超过50t,传统的25mm小口径倾斜式串并联集热模式,远不能满足如此大吨位的系统需求。最易发生上述流体危害。

  

系统主要优点是:

  

1)连接管口过流断面面积,接近于回流箱内胆的过流断面面积,消除微小气泡聚集的空间条件。

  

2)集热器采用水平无倾角安装,集热器之间串联多并联少,避免多通道因为沿程阻力不等,带来的压力不均、流量不等、局部管路过高温等一切不利的“流体危害”。

  

4.2.2 系统优化

  

强胜新能源不断在工程实践中总结和创新,针对热系统的“流体危害”,形成了一套完整的防范措施。多排流体同流向集热器,每排的排气阀用一根连通管进行联通;形成同流向之间流水根据压力大小,自由串流。很显然,压力较高的一排向压力较低一排释放压力。各排之间压力会自动平衡,流速、流量几乎相等。

  

当流速达到上限且温度较高时,排气效果较差,还时有穿水现象,原因就是管径时气泡溢出不完全或者排气截面小。因此,改进后的旁通式U弯排气,效果极佳。如图1所示。

 


图1 自力式压力平恒管与旁通式U型弯

  

5 工业热水工程案例

  

5.1 印染工业太阳能热利用案例


图2工程现场

  

5.2 工程概述

  1)工程单位:诸城桑莎集团(如图2所示);

  2)工程规模:一期太阳能面积5600?;

  3)工程用热性质:印染工业中低温用热;

  4)工程水质要求:不得有铁锈生成 ;

  5)集热器温度:45℃~120℃;

  6)集热循环方式:多温度段定温放水;

  7)热水储热温度:大于60℃;

  8)储热箱容积:220m3;

  9)用热地点:染整车间;

  10)辅助热源形式:170℃蒸汽;

  11)控制与监视:远程监控、远程热计量。

  

5.3 工程创新点

 

  

1)定温放水:众所周知,常用的一组太阳能集热模组,流体通路上相对都有一个进水口、一个出水口;当我们把这些进出口依次首尾连接时,它只有一条通路。称为“串联”。如图2所示,就是集热器“串联”的一种方式。其特征是若干个集热器“串联”后,它只有一个进口和一个出口。我们发现:水平安装的集热器模组,其当集热器内温度接受阳光并升温。当温度升高到一定值时。如果“串联”集热器的进水口压入低温水,高温水便从出水口流出。此时热水放水温度,是我们可以根据储热温度以及末端用热温度来设定的“定温值”称为“定温放水”。

  

2)无动力多温度段定温放水:如图3所示,该工程把整个太阳能集热器分为五个独立的集热单元。每个单元设定不同的放水温度。就形成了多温度段放水系统(如图4所示)。它能够适合于末端不同温度的用热需求。这里的无动力是相对于采用循环水泵循环集热而言。

  

5.4 定温放水设计要点

  

1)混流缓冲:进入独立集热单元的水,一般为常温水,温度较低;当设定放水温度较高时,初始进水口部分集热器由于温差较大,容易使真空管爆裂。(如图5所示)

  

为此,在每一个独立单元系统的进水口设计有混流缓冲箱。混流缓冲箱在正常情况下处于静止导热吸热状态。放水时箱内热水首先与常温水混合,使得进入集热器的水温得到部分提升。

  

2)混流箱容积:原则上混流后的水温与集热器热水温度差不大于20℃。因此,混流箱的容积与放水温度值有关,与放水流量有关。

  

3)系统防冻:由于系统无动力集热放水,不能采用“防冻循环”。从结构上看,屋面太阳能部分连接管路较少,而且所有管路都处于集热器的有效保护范围之内,不需要外加防冻。该工程储热水箱低于太阳能集热器,集热器总进水、总回水管段均采用“排回排空”防冻。

  

4)防过压:由于某个独立单元系统具有高温集热的设置,系统间隔型安装排气阀与安全泄压阀。同时防止因停电等其他原因造成系统过热过压。

  

5.5 定温放水与低水位放水

  

由于太阳光的离散性、间歇性等原因,势必会造成某个时间段内太阳能集热器达不到放水温度。有时候甚至一天下来也达不到设定的放水温度。

  

为保证最大优化利用太阳能,系统设计定温放水与储热箱低水位放水相结合的模式。即当储热箱水位降低到一定程度或者末端急需用水时,集热器单元温度相对较高的首先启动放水。

  

6 结语

  

热水和热汽是工业用热的两大主要介质。太阳能为工业生产用热提供70℃左右的热水。预示着太阳能热利用从生活热水时代,跨入了工业热水时代。

  

本文介绍了强胜新能源在山东省“工业绿动力”计划中,实施完成的印染工业热水工程;着眼于理论和实践、产品和技术各个层面,就工程案例的系统构成、关键技术方案、控制技术等要点进行了详细的阐述。具有工程技术参考和推广价值;此文为同行业以及类似工业用热企业提供了详实的技术基础范例。

 

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