摘要：本文介紹了由山東濰坊強(qiáng)勝新能源有限公司在山東省“工業(yè)綠動(dòng)力”計(jì)劃中，實(shí)施完成的工業(yè)印染熱水工程。其中諸城佳士博有限公司一期面積1460?項(xiàng)目，獲得2015年度“總評(píng)第一名”，由山東省太陽(yáng)能行業(yè)協(xié)會(huì)定性為“山東省工業(yè)熱利用工程示范工程”。工程的實(shí)施，依托于包括聯(lián)集箱自動(dòng)化輥壓生產(chǎn)線、恒溫高壓發(fā)泡保溫等高科技、規(guī)模化先進(jìn)設(shè)備；依托于技術(shù)創(chuàng)新、求實(shí)務(wù)實(shí)的科技理念。本文就諸城桑莎集團(tuán)的印染熱水項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)予以分析。
1 概述
工業(yè)用熱水在我國(guó)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，各地發(fā)展不均衡。隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的高度重視，工業(yè)制造企業(yè)，尤其是大量燃煤用熱的企業(yè)，呈現(xiàn)出對(duì)工業(yè)太陽(yáng)能熱水高度關(guān)注的好勢(shì)頭。
山東濰坊強(qiáng)勝新能源有限公司（以下簡(jiǎn)稱“強(qiáng)勝新能源”）2013年底正式投產(chǎn)，一直秉承高端熱利用產(chǎn)品的研究開發(fā)、秉承產(chǎn)品創(chuàng)新和工程技術(shù)集成創(chuàng)新。致力于“工業(yè)綠動(dòng)力”熱利用，在改進(jìn)太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)，提高太陽(yáng)能集熱器的性能，尤其開發(fā)研制工業(yè)用中低溫集熱器、中高溫集熱器，以及工程系統(tǒng)技術(shù)集成方面卓有成效，并取得了多項(xiàng)國(guó)家專利。憑借高質(zhì)量的產(chǎn)品和一流的工程技術(shù)，強(qiáng)勝新能源在山東省實(shí)施的“工業(yè)綠動(dòng)力”計(jì)劃中，連續(xù)3年取得總噸位第一的可喜成績(jī)。
2 工業(yè)太陽(yáng)能熱利用的優(yōu)勢(shì)
2.1 工業(yè)熱能現(xiàn)狀
大家熟知的我國(guó)能源有三條大網(wǎng)絡(luò)：海洋石油、陸氣管道、超高壓電網(wǎng)。現(xiàn)在另一個(gè)新的能源網(wǎng)也在形成，就是“分布式新能源網(wǎng)”。分布式新能源網(wǎng)包括分布式太陽(yáng)能光熱和分布式太陽(yáng)能光電。我國(guó)的工業(yè)能耗一是熱水熱汽，二是電。借助于企業(yè)的車間屋頂、工業(yè)廣場(chǎng)均可以實(shí)施使用分布式新能源。
我國(guó)有三大高能耗高污染行業(yè)：即“煤鋼”“煤電”和“煤工”。
“
煤工”指的就是工業(yè)產(chǎn)品制造業(yè)的煤熱源。我國(guó)工業(yè)制造業(yè)有一個(gè)特點(diǎn)，生產(chǎn)工藝幾乎都用熱蒸汽，熱蒸汽產(chǎn)出設(shè)備幾乎都是煤鍋爐。可見，太陽(yáng)能產(chǎn)熱與工業(yè)用熱具有正向利用的特點(diǎn)。
2.2 工業(yè)熱水與太陽(yáng)能熱水
熱水和熱汽是工業(yè)用熱的兩大主要介質(zhì)。多數(shù)情況下，熱水是末端一次消耗熱介質(zhì)；熱汽是工藝溫度的熱源，也是一次消耗品。
工業(yè)生產(chǎn)用熱，從工藝溫度上看，溫度范圍比較大；從低溫?zé)崴⒏邷責(zé)崴恢钡秸羝?shí)際上的工業(yè)用熱，是一個(gè)熱水到熱汽的“熱力環(huán)”。工業(yè)太陽(yáng)能熱利用，就是同步向這個(gè)“熱力環(huán)”，具體形式就是完成一個(gè)從低溫?zé)崴礁邷責(zé)崴恢钡疆a(chǎn)出高溫蒸汽的“熱能環(huán)”。完成了這個(gè)熱能環(huán)，就算實(shí)現(xiàn)了工業(yè)太陽(yáng)能熱利用的最高階段。工業(yè)熱水應(yīng)該定義為太陽(yáng)能熱利用的“中段”。應(yīng)該肯定，在這個(gè)“熱力環(huán)”中70℃左右的熱水，非常適合于工業(yè)中段溫度用熱。太陽(yáng)能完全能夠產(chǎn)出這個(gè)溫度的熱水。
山東省“工業(yè)綠動(dòng)力”項(xiàng)目的規(guī)定儲(chǔ)熱溫度為70℃，就是基于工業(yè)用熱的中段溫度。
2.3 工業(yè)中段溫度用熱的比率
1）工業(yè)中段用熱的寬泛性
熟食類煮鍋：傳統(tǒng)工藝上，煮鍋內(nèi)首先加冷水，熱蒸汽將之升溫到65℃，進(jìn)行一次投料。
化工涂料反應(yīng)釜：也是首先將反應(yīng)釜的的冷水升溫到50℃~70℃，進(jìn)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(yè)生產(chǎn)工藝都要一次性消耗大量的熱水。太陽(yáng)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(yáng)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(dá)到47℃的熱平衡狀態(tài)。
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(shè)定鍋爐前級(jí)預(yù)熱用太陽(yáng)能熱水。則產(chǎn)出8t熟肉丸，太陽(yáng)能熱節(jié)能占比38%。可見，太陽(yáng)能提供工業(yè)熱水，工藝上可行，節(jié)能效果十分顯著。
3 工業(yè)熱水工程產(chǎn)品與技術(shù)要點(diǎn)
3.1溫度范圍擴(kuò)大
基于工業(yè)類產(chǎn)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(yù)烘干、深度烘干。印染工藝的漂洗、著色、縮水。食品工業(yè)的脫毛、分割等。這些以水或者蒸汽作為工質(zhì)用熱溫度范圍在40℃~140℃。
擴(kuò)大溫度范圍常用的措施是：一種是串級(jí)儲(chǔ)熱放熱，一種是定溫放水。采用這兩種方法理由是：一般工業(yè)一次性消耗熱水的中段溫度生產(chǎn)，溫度略低沒問題，高了反而破壞食品的纖維。因此，串級(jí)集熱儲(chǔ)熱的系統(tǒng)，多溫度輸出，適合于生產(chǎn)多溫度段用熱。
3.2 溫度穩(wěn)定
串級(jí)放熱的儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)上，把總的儲(chǔ)熱容量分成多個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)熱單元。熱流體方向上，對(duì)應(yīng)著太陽(yáng)能集熱進(jìn)回水，由高溫儲(chǔ)能罐到低溫儲(chǔ)能罐依次串接。其優(yōu)化功能是多個(gè)儲(chǔ)熱箱供出多個(gè)溫度熱水。單元儲(chǔ)熱小容量，溫度不宜波動(dòng)。
3.3 水介質(zhì)回流排空
建立在太陽(yáng)能集熱器水平安裝的基礎(chǔ)上，太陽(yáng)能每日終止循環(huán)集熱時(shí)，盡量使得系統(tǒng)管路以及真空管內(nèi)的熱水回流到儲(chǔ)熱水箱。其主要目的和效果是減少系統(tǒng)的殘存熱量，提高系統(tǒng)的綜合得熱量。
水介質(zhì)回流排空的另一個(gè)有益效果是冬季提高系統(tǒng)的防凍性能，減少“防凍循環(huán)”帶來的無功損耗。
4 工業(yè)熱水系統(tǒng)的流體危害及預(yù)防
4.1 熱流體危害
太陽(yáng)能集熱器從接收陽(yáng)光開始，就是一個(gè)吸熱、導(dǎo)熱、傳熱的熱流體過程；包含著壓力、溫度、流量、流速、靜壓、動(dòng)壓、汽液分離等一切動(dòng)態(tài)參數(shù)都在變化。這個(gè)容量不大，但面積過大的熱力系統(tǒng)，極其容易發(fā)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(xiàn)象。太陽(yáng)能集熱模組處于陣列的局部，吸熱過程極易產(chǎn)生微小氣泡，小氣泡流動(dòng)聚集成大氣泡，形成高溫高壓氣團(tuán)。失壓時(shí)極易產(chǎn)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(chǎn)品優(yōu)化
大型工業(yè)太陽(yáng)能集熱陣列，單系統(tǒng)噸位都超過50t，傳統(tǒng)的25mm小口徑傾斜式串并聯(lián)集熱模式，遠(yuǎn)不能滿足如此大噸位的系統(tǒng)需求。最易發(fā)生上述流體危害。
系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：
1）連接管口過流斷面面積，接近于回流箱內(nèi)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(lián)多并聯(lián)少，避免多通道因?yàn)檠爻套枇Σ坏龋瑤淼膲毫Σ痪⒘髁坎坏取⒕植抗苈愤^高溫等一切不利的“流體危害”。
4.2.2 系統(tǒng)優(yōu)化
強(qiáng)勝新能源不斷在工程實(shí)踐中總結(jié)和創(chuàng)新，針對(duì)熱系統(tǒng)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(jìn)行聯(lián)通；形成同流向之間流水根據(jù)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(huì)自動(dòng)平衡，流速、流量幾乎相等。
當(dāng)流速達(dá)到上限且溫度較高時(shí)，排氣效果較差，還時(shí)有穿水現(xiàn)象，原因就是管徑時(shí)氣泡溢出不完全或者排氣截面小。因此，改進(jìn)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(yè)熱水工程案例
5.1 印染工業(yè)太陽(yáng)能熱利用案例
圖2工程現(xiàn)場(chǎng)
5.2 工程概述
1）工程單位：諸城桑莎集團(tuán)（如圖2所示）；
2）工程規(guī)模：一期太陽(yáng)能面積5600?；
3）工程用熱性質(zhì)：印染工業(yè)中低溫用熱；
4）工程水質(zhì)要求：不得有鐵銹生成 ；
5）集熱器溫度：45℃~120℃；
6）集熱循環(huán)方式：多溫度段定溫放水；
7）熱水儲(chǔ)熱溫度：大于60℃；
8）儲(chǔ)熱箱容積：220m3；
9）用熱地點(diǎn)：染整車間；
10）輔助熱源形式：170℃蒸汽；
11）控制與監(jiān)視：遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程熱計(jì)量。
5.3 工程創(chuàng)新點(diǎn)
1）定溫放水：眾所周知，常用的一組太陽(yáng)能集熱模組，流體通路上相對(duì)都有一個(gè)進(jìn)水口、一個(gè)出水口；當(dāng)我們把這些進(jìn)出口依次首尾連接時(shí)，它只有一條通路。稱為“串聯(lián)”。如圖2所示，就是集熱器“串聯(lián)”的一種方式。其特征是若干個(gè)集熱器“串聯(lián)”后，它只有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口。我們發(fā)現(xiàn)：水平安裝的集熱器模組，其當(dāng)集熱器內(nèi)溫度接受陽(yáng)光并升溫。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)。如果“串聯(lián)”集熱器的進(jìn)水口壓入低溫水，高溫水便從出水口流出。此時(shí)熱水放水溫度，是我們可以根據(jù)儲(chǔ)熱溫度以及末端用熱溫度來設(shè)定的“定溫值”稱為“定溫放水”。
2）無動(dòng)力多溫度段定溫放水：如圖3所示，該工程把整個(gè)太陽(yáng)能集熱器分為五個(gè)獨(dú)立的集熱單元。每個(gè)單元設(shè)定不同的放水溫度。就形成了多溫度段放水系統(tǒng)（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(dòng)力是相對(duì)于采用循環(huán)水泵循環(huán)集熱而言。
5.4 定溫放水設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1）混流緩沖：進(jìn)入獨(dú)立集熱單元的水，一般為常溫水，溫度較低；當(dāng)設(shè)定放水溫度較高時(shí)，初始進(jìn)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(gè)獨(dú)立單元系統(tǒng)的進(jìn)水口設(shè)計(jì)有混流緩沖箱。混流緩沖箱在正常情況下處于靜止導(dǎo)熱吸熱狀態(tài)。放水時(shí)箱內(nèi)熱水首先與常溫水混合，使得進(jìn)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(guān)，與放水流量有關(guān)。
3）系統(tǒng)防凍：由于系統(tǒng)無動(dòng)力集熱放水，不能采用“防凍循環(huán)”。從結(jié)構(gòu)上看，屋面太陽(yáng)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(hù)范圍之內(nèi)，不需要外加防凍。該工程儲(chǔ)熱水箱低于太陽(yáng)能集熱器，集熱器總進(jìn)水、總回水管段均采用“排回排空”防凍。
4）防過壓：由于某個(gè)獨(dú)立單元系統(tǒng)具有高溫集熱的設(shè)置，系統(tǒng)間隔型安裝排氣閥與安全泄壓閥。同時(shí)防止因停電等其他原因造成系統(tǒng)過熱過壓。
5.5 定溫放水與低水位放水
由于太陽(yáng)光的離散性、間歇性等原因，勢(shì)必會(huì)造成某個(gè)時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)能集熱器達(dá)不到放水溫度。有時(shí)候甚至一天下來也達(dá)不到設(shè)定的放水溫度。
為保證最大優(yōu)化利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)定溫放水與儲(chǔ)熱箱低水位放水相結(jié)合的模式。即當(dāng)儲(chǔ)熱箱水位降低到一定程度或者末端急需用水時(shí)，集熱器單元溫度相對(duì)較高的首先啟動(dòng)放水。
6 結(jié)語
熱水和熱汽是工業(yè)用熱的兩大主要介質(zhì)。太陽(yáng)能為工業(yè)生產(chǎn)用熱提供70℃左右的熱水。預(yù)示著太陽(yáng)能熱利用從生活熱水時(shí)代，跨入了工業(yè)熱水時(shí)代。
本文介紹了強(qiáng)勝新能源在山東省“工業(yè)綠動(dòng)力”計(jì)劃中，實(shí)施完成的印染工業(yè)熱水工程；著眼于理論和實(shí)踐、產(chǎn)品和技術(shù)各個(gè)層面，就工程案例的系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)方案、控制技術(shù)等要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。具有工程技術(shù)參考和推廣價(jià)值；此文為同行業(yè)以及類似工業(yè)用熱企業(yè)提供了詳實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)范例。
