摘要 本文介紹了由山東濰坊強勝新能源有限公司在山東省“工業綠動力”計劃中，實施完成的工業印染熱水工程。其中諸城佳士博有限公司一期面積1460㎡項目，獲得2015年度“總評第一名”，由山東省太陽能行業協會定性為“山東省工業熱利用工程示范工程”。工程的實施，依托于包括聯集箱自動化輥壓生產線、恒溫高壓發泡保溫等高科技、規模化先進設備；依托于技術創新、求實務實的科技理念。本文就諸城桑莎集團的印染熱水項目的創新點、設計要點予以分析。
1 概述
工業用熱水在我國發展時間不長，各地發展不均衡。隨著社會對節能減排的高度重視，工業制造企業，尤其是大量燃煤用熱的企業，呈現出對工業太陽能熱水高度關注的好勢頭。
山東濰坊強勝新能源有限公司（以下簡稱“強勝新能源”）2013年底正式投產，一直秉承高端熱利用產品的研究開發、秉承產品創新和工程技術集成創新。致力于“工業綠動力”熱利用，在改進太陽能集熱器的結構，提高太陽能集熱器的性能，尤其開發研制工業用中低溫集熱器、中高溫集熱器，以及工程系統技術集成方面卓有成效，并取得了多項國家專利。憑借高質量的產品和一流的工程技術，強勝新能源在山東省實施的“工業綠動力”計劃中，連續3年取得總噸位第一的可喜成績。
2 工業太陽能熱利用的優勢
2.1 工業熱能現狀
大家熟知的我國能源有三條大網絡：海洋石油、陸氣管道、超高壓電網。現在另一個新的能源網也在形成，就是“分布式新能源網”。分布式新能源網包括分布式太陽能光熱和分布式太陽能光電。我國的工業能耗一是熱水熱汽，二是電。借助于企業的車間屋頂、工業廣場均可以實施使用分布式新能源。
我國有三大高能耗高污染行業：即“煤鋼”“煤電”和“煤工”。
“煤工”指的就是工業產品制造業的煤熱源。我國工業制造業有一個特點，生產工藝幾乎都用熱蒸汽，熱蒸汽產出設備幾乎都是煤鍋爐。可見，太陽能產熱與工業用熱具有正向利用的特點。
2.2 工業熱水與太陽能熱水
熱水和熱汽是工業用熱的兩大主要介質。多數情況下，熱水是末端一次消耗熱介質；熱汽是工藝溫度的熱源，也是一次消耗品。
工業生產用熱，從工藝溫度上看，溫度范圍比較大；從低溫熱水、高溫熱水一直到蒸汽。實際上的工業用熱，是一個熱水到熱汽的“熱力環”。工業太陽能熱利用，就是同步向這個“熱力環”，具體形式就是完成一個從低溫熱水到高溫熱水，一直到產出高溫蒸汽的“熱能環”。完成了這個熱能環，就算實現了工業太陽能熱利用的最高階段。工業熱水應該定義為太陽能熱利用的“中段”。應該肯定，在這個“熱力環”中70℃左右的熱水，非常適合于工業中段溫度用熱。太陽能完全能夠產出這個溫度的熱水。
山東省“工業綠動力”項目的規定儲熱溫度為70℃，就是基于工業用熱的中段溫度。
2.3 工業中段溫度用熱的比率
1）工業中段用熱的寬泛性
熟食類煮鍋：傳統工藝上，煮鍋內首先加冷水，熱蒸汽將之升溫到65℃，進行一次投料。
化工涂料反應釜：也是首先將反應釜的的冷水升溫到50℃~70℃，進行投料。
其它類：布料、皮料類的脫漿、脫油，都需要65℃~70℃的熱水。
這些工業生產工藝都要一次性消耗大量的熱水。太陽能提供此溫度段的熱水屬于一次性直接用熱。
2）中段熱水占比
例如諸城佳士博有限公司蒸煮車間12m³雞肉煮鍋，投料前用44t太陽能熱水70℃/4m³，投生肉料8m³。
第一階段吸熱：熱水釋放熱量——385MJ；被冷肉吸收后，溫度達到47℃的熱平衡狀態。
第二階段升溫：4t47℃的熱水升溫到100℃，耗熱量886MJ，8t肉丸升溫到100℃，需要耗熱1272MJ。總耗熱量：2158MJ。
需要大約1t150℃的蒸汽。設定鍋爐前級預熱用太陽能熱水。則產出8t熟肉丸，太陽能熱節能占比38%。可見，太陽能提供工業熱水，工藝上可行，節能效果十分顯著。
3 工業熱水工程產品與技術要點
3.1溫度范圍擴大
基于工業類產品的制作工藝，末端用熱溫度值各不相同。比如烘干過程中的預烘干、深度烘干。印染工藝的漂洗、著色、縮水。食品工業的脫毛、分割等。這些以水或者蒸汽作為工質用熱溫度范圍在40℃~140℃。
擴大溫度范圍常用的措施是：一種是串級儲熱放熱，一種是定溫放水。采用這兩種方法理由是：一般工業一次性消耗熱水的中段溫度生產，溫度略低沒問題，高了反而破壞食品的纖維。因此，串級集熱儲熱的系統，多溫度輸出，適合于生產多溫度段用熱。
3.2 溫度穩定
串級放熱的儲熱結構上，把總的儲熱容量分成多個獨立的儲熱單元。熱流體方向上，對應著太陽能集熱進回水，由高溫儲能罐到低溫儲能罐依次串接。其優化功能是多個儲熱箱供出多個溫度熱水。單元儲熱小容量，溫度不宜波動。
3.3 水介質回流排空
建立在太陽能集熱器水平安裝的基礎上，太陽能每日終止循環集熱時，盡量使得系統管路以及真空管內的熱水回流到儲熱水箱。其主要目的和效果是減少系統的殘存熱量，提高系統的綜合得熱量。
水介質回流排空的另一個有益效果是冬季提高系統的防凍性能，減少“防凍循環”帶來的無功損耗。
4 工業熱水系統的流體危害及預防
4.1 熱流體危害
太陽能集熱器從接收陽光開始，就是一個吸熱、導熱、傳熱的熱流體過程；包含著壓力、溫度、流量、流速、靜壓、動壓、汽液分離等一切動態參數都在變化。這個容量不大，但面積過大的熱力系統，極其容易發生“熱流體損傷”。最典型是水錘、聚汽、壓力不均、換熱不勻等不利現象。太陽能集熱模組處于陣列的局部，吸熱過程極易產生微小氣泡，小氣泡流動聚集成大氣泡，形成高溫高壓氣團。失壓時極易產生壓力沖擊，造成水錘，甚至擊破真空管。
4.2 防范措施
4.2.1 產品優化
大型工業太陽能集熱陣列，單系統噸位都超過50t，傳統的25mm小口徑傾斜式串并聯集熱模式，遠不能滿足如此大噸位的系統需求。最易發生上述流體危害。
系統主要優點是：
1）連接管口過流斷面面積，接近于回流箱內膽的過流斷面面積，消除微小氣泡聚集的空間條件。
2）集熱器采用水平無傾角安裝，集熱器之間串聯多并聯少，避免多通道因為沿程阻力不等，帶來的壓力不均、流量不等、局部管路過高溫等一切不利的“流體危害”。
4.2.2 系統優化
強勝新能源不斷在工程實踐中總結和創新，針對熱系統的“流體危害”，形成了一套完整的防范措施。多排流體同流向集熱器，每排的排氣閥用一根連通管進行聯通；形成同流向之間流水根據壓力大小，自由串流。很顯然，壓力較高的一排向壓力較低一排釋放壓力。各排之間壓力會自動平衡，流速、流量幾乎相等。
當流速達到上限且溫度較高時，排氣效果較差，還時有穿水現象，原因就是管徑時氣泡溢出不完全或者排氣截面小。因此，改進后的旁通式U彎排氣，效果極佳。如圖1所示。
圖1 自力式壓力平恒管與旁通式U型彎
5 工業熱水工程案例
5.1 印染工業太陽能熱利用案例
圖2工程現場
5.2 工程概述
1）工程單位：諸城桑莎集團（如圖2所示）；
2）工程規模：一期太陽能面積5600㎡；
3）工程用熱性質：印染工業中低溫用熱；
4）工程水質要求：不得有鐵銹生成 ；
5）集熱器溫度：45℃~120℃；
6）集熱循環方式：多溫度段定溫放水；
7）熱水儲熱溫度：大于60℃；
8）儲熱箱容積：220m3；
9）用熱地點：染整車間；
10）輔助熱源形式：170℃蒸汽；
11）控制與監視：遠程監控、遠程熱計量。
5.3 工程創新點
圖3太陽能無動力定溫放水結構
圖4太陽能無動力多溫度段防水布置結構
圖5太陽能混流放水結構
1）定溫放水：眾所周知，常用的一組太陽能集熱模組，流體通路上相對都有一個進水口、一個出水口；當我們把這些進出口依次首尾連接時，它只有一條通路。稱為“串聯”。如圖2所示，就是集熱器“串聯”的一種方式。其特征是若干個集熱器“串聯”后，它只有一個進口和一個出口。我們發現：水平安裝的集熱器模組，其當集熱器內溫度接受陽光并升溫。當溫度升高到一定值時。如果“串聯”集熱器的進水口壓入低溫水，高溫水便從出水口流出。此時熱水放水溫度，是我們可以根據儲熱溫度以及末端用熱溫度來設定的“定溫值”稱為“定溫放水”。
2）無動力多溫度段定溫放水：如圖3所示，該工程把整個太陽能集熱器分為五個獨立的集熱單元。每個單元設定不同的放水溫度。就形成了多溫度段放水系統（如圖4所示）。它能夠適合于末端不同溫度的用熱需求。這里的無動力是相對于采用循環水泵循環集熱而言。
5.4 定溫放水設計要點
1）混流緩沖：進入獨立集熱單元的水，一般為常溫水，溫度較低；當設定放水溫度較高時，初始進水口部分集熱器由于溫差較大，容易使真空管爆裂。（如圖5所示）
為此，在每一個獨立單元系統的進水口設計有混流緩沖箱。混流緩沖箱在正常情況下處于靜止導熱吸熱狀態。放水時箱內熱水首先與常溫水混合，使得進入集熱器的水溫得到部分提升。
2）混流箱容積：原則上混流后的水溫與集熱器熱水溫度差不大于20℃。因此，混流箱的容積與放水溫度值有關，與放水流量有關。
3）系統防凍：由于系統無動力集熱放水，不能采用“防凍循環”。從結構上看，屋面太陽能部分連接管路較少，而且所有管路都處于集熱器的有效保護范圍之內，不需要外加防凍。該工程儲熱水箱低于太陽能集熱器，集熱器總進水、總回水管段均采用“排回排空”防凍。
4）防過壓：由于某個獨立單元系統具有高溫集熱的設置，系統間隔型安裝排氣閥與安全泄壓閥。同時防止因停電等其他原因造成系統過熱過壓。
5.5 定溫放水與低水位放水
由于太陽光的離散性、間歇性等原因，勢必會造成某個時間段內太陽能集熱器達不到放水溫度。有時候甚至一天下來也達不到設定的放水溫度。
為保證最大優化利用太陽能，系統設計定溫放水與儲熱箱低水位放水相結合的模式。即當儲熱箱水位降低到一定程度或者末端急需用水時，集熱器單元溫度相對較高的首先啟動放水。
6 結語
熱水和熱汽是工業用熱的兩大主要介質。太陽能為工業生產用熱提供70℃左右的熱水。預示著太陽能熱利用從生活熱水時代，跨入了工業熱水時代。
本文介紹了強勝新能源在山東省“工業綠動力”計劃中，實施完成的印染工業熱水工程；著眼于理論和實踐、產品和技術各個層面，就工程案例的系統構成、關鍵技術方案、控制技術等要點進行了詳細的闡述。具有工程技術參考和推廣價值；此文為同行業以及類似工業用熱企業提供了詳實的技術基礎范例。
