两种闭式热泵供汽系统的性能评价

 美国Gardner 公司热泵供汽系统

 

  图6 为美国Gardner 公司用于涂布白纸板机的热泵供汽系统热力流程。该纸机干燥部由湿端低温烘缸组(IIIa 段、IIIb 段、IIIc 段)、中温烘缸组(II 段)、上下排缸高温烘缸组(Ia 段、Ib 段)、光泽缸组、调态缸组和热烘箱段组成，热力系统配备3 台流量调节热泵。系统设计的总体思想是：纸机正常运行时，系统尽可能多地节约新鲜蒸汽；出现异常时，系统能自动判断，快速反应。

 

  该系统的优点：

 

  (1) 烘缸段热力流程相对独立，容易控制和操作。

 

  通常情况下，各烘缸段闪蒸出的二次蒸汽经热泵增压后仅供本段烘缸组使用，不足的部分由补汽回路补给；只有当出现断纸或烘缸积水时，才会通过排汽阀直接排往表面冷凝器。各段的闪蒸罐冷凝水也通过冷凝水泵或系统压差直接送往总冷凝水贮罐。这便于实现工艺要求的烘缸温度曲线，容易控制和操作。

 

  (2) 流程设计充分考虑了能量的综合利用，节能效果明显。大量的热能回收发生在中温段和高温段，通过3 台流量调节热泵来实现。热烘箱段和调整缸产生的二次蒸汽经高效闪蒸后首先保证距离最近的光泽缸段使用，多余部分被送往中温度段。对于湿端低温段，其工作压力一般在负压状态，这不但可以有效避免纸张粘缸、掉毛、掉粉、起皱、断纸等现象，而且还可以充分利用系统的余热。其热源主要来自于总冷凝水贮罐的二次闪蒸汽和各热泵出口不冷凝气体排出通道吹泄出来的不冷凝气体和少量蒸汽。不同品位的蒸汽在不同的烘缸段得到合理利用，节能效果明显[4]。

 

  (3) 不凝气体排出及时，烘缸传热效果好。在每个热泵出口管道上都设有带止回阀的不凝气体排出通道，不凝气体被连续不断地从该管道直接排出，其携带的热能被低温段烘缸利用后，最终由真空泵抽吸至大气。这样中、高温段烘缸内积聚的不凝气体相对很少，有利于提高烘缸的传热强度。

 

  (4) 采用吹贯蒸汽控制技术，有效解决了烘缸积水问题。吹贯蒸汽是指进入烘缸内但却未发生冷凝的那部分蒸汽(Blow-through steam)。

 

  它是冷凝水的载体，在烘缸内与冷凝水混合成两相流体，经由虹吸管排至闪蒸罐。吹贯蒸汽控制是在闪蒸罐出口管道上安装专门制作的孔板，通过控制排汽阀开度和热泵开度，使孔板两侧的压差维持在一个适当的数值( 如3.75 kPa)。Gardner 公司多年收集的数据表明：当烘缸压力变化时，吹贯蒸汽的流量随蒸汽密度的平方根而变化；而烘缸中的冷凝速率也随蒸汽密度的平方根而变化。因此，在烘缸正常工作状态下，吹贯蒸汽的流量变化与冷凝速率的变化呈线性关系。这样，稳定了吹贯蒸汽流量，就相当于稳定了烘缸内的压力和冷凝速率。当烘缸内的冷凝水突然增加时，吹贯蒸汽流会因大量增加的水量阻碍而导致不畅通。吹贯蒸汽控制技术能自动地将烘缸进、出口压差增加3~4 倍，以维持固定的吹贯蒸汽流量。进、出口压差的增大有助于烘缸快速排水，从而有效避免了烘缸积水问题。

 

  (5) 大量采用复杂控制算法，二次蒸汽循环使用充分。如对于每一个热泵组，包含吹贯蒸汽差压控制(DPIC) 和烘缸组补汽压力控制(PIC) 两个闭环回路以及一个热泵开度低端选择开环控制(LPS)。对于DPIC和PIC 两个单回路，其中心控制算法虽然也是PID，但阀门( 排汽阀和补汽阀) 的实际动作规律却如图7中实线所示。热泵针形调节头的实际动作规律如图7中虚线所示，其横轴的理论值是DPIC 和PIC 两个单回路中阀门理论开度值中较小的一个( 即进行低端选择)。对于湿端低温段烘缸组，从工艺上分成三小段，采用3 个压力回路进行分段控制，各阀门的实际动作规律见图8。图9 为热烘箱二次蒸汽回收利用方面的阀门实际动作规律曲线，这里采用分程控制的思想，检测光泽缸烘缸组的入口蒸汽压力，同时分程调节补汽阀和排汽阀开度。据图7~ 图9 不难分析，采取这些控制策略的根本目的就是在保证纸机干燥部正常工作的前提下尽可能多地利用热力系统产生的二次蒸汽，减少新鲜蒸汽的使用量，从而达到节能的目的。同时，系统中还设计了回路连锁比例控制机制，以加快对热力系统中出现突发事件的自动反应速度[15]。

 

  该系统的缺点：①节流减压造成一定的能量损失。

 

  热泵正常工作要求新鲜蒸汽源的压力在0.8~1.2MPa之间，而烘缸组补汽需要的新鲜蒸汽源压力一般不高于0.4MPa，通常采用节流减压的办法来人为降低汽源压力，造成能量贬值。②冷凝水泵使用的数量多，维护量大。系统中闪蒸罐的冷凝水通常通过冷凝水泵输送到总冷凝水贮罐中，由于中、高温段的冷凝水温度较高( 超过120℃ )，使得冷凝水泵的维修频率较高。

 

  ③一次性投资成本高。系统中的控制回路多，且所有的压力和压差控制回路必须采用气动调节阀，控制系统的投资成本高；系统中的热泵、高效闪蒸罐和吹贯蒸汽孔板等都是专利产品，价格昂贵。

 

  南京环保所热泵供汽系统

 

  图10 为南京环保研究所开发的用于带表面施胶的高强瓦楞纸机的热泵供汽系统热力流程。该纸机干燥部由湿端低温烘缸组(III1 段、III2 段)、中温烘缸组(II 段)、高温烘缸组(I 段) 及施胶后烘缸组(IIIa段、IIa 段、Ia 段) 组成。考虑到投资成本问题，热力系统配备2 台质量调节热泵和1 台流量调节热泵( 都换成流量调节热泵效果更好，只是投资成本变高一些)，采用施胶前闭式热泵供热、施胶后多段通汽相结合的供汽方式，能灵活适应纸张定量、施胶量和施胶浓度等的变化。热力系统根据用户呈报的具体工艺常数和要求进行严格的设计和计算，控制回路按需配置，一次性投资成本低，性价比高。

 

  该系统的优点：

 

  (1) 烘缸段热力流程相对独立，容易控制和操作。

 

  与美国Gardner 公司的热泵系统类似，各烘缸段闪蒸出的二次蒸汽经热泵增压后仅供本段烘缸组使用。这样，可以按产品特点确定各段烘缸的供汽压力，合理设计和调整温升曲线；系统不受各段烘缸间喷吹蒸汽、用汽压力、用汽量的干扰，容易控制和操作。对于没有配备热泵的施胶后的3 个烘缸组，设计了3 个独立的压力控制回路和1 个压差控制回路，以保证新鲜蒸汽的供给、二次蒸汽的回用和烘缸组冷凝水的通畅排放。其中，Ia 段烘缸采用直供汽方式，其供汽压力设定值受纸机质量控制子系统(QCS) 水分控制回路的制约，以保证成纸水分指标的稳定；IIa 段及IIIa 段利用Ia 段汽水分离罐二次蒸发汽，并采用新蒸汽对IIa段烘缸进行定压和补汽。这样回路之间的耦合也几乎被完全消除。

 

  (2) 采用单汽源供汽，不设置减压阀和补汽回路。

 

  该热泵系统需要的引射动力源为0.7~0.8MPa，蒸汽锅炉送到纸机车间的蒸汽压力往往也就在这个范围内，分汽包出口不设置减压阀，避免了节流减压造成的能量贬值。热泵单元组中没有设置补汽回路，只在每段烘缸组入口安装有工作蒸汽压力调节回路，二次蒸汽的引射量根据相应烘缸组的蒸汽需求量来决定，通过上述压力回路来调节。对于蒸汽消耗量相对较小，没有设置热泵的烘缸组( 如施胶后烘缸组)，希望品位微量过热的蒸汽进入烘缸，以引起烘缸内冷凝水膜的二次蒸发，有利于热能的充分利用和烘缸畅通排水。

 

  因此，单汽源供汽不但能够满足纸机干燥部工艺要求，而且还避免了人为因素导致的能量贬值。

 

  (3) 蒸汽冷凝水排放不设水泵，依靠余压流动。

 

  实现这一点非常不容易，需要针对纸机干燥部的实际情况进行严格的设计和计算，以保证各段烘缸进、出口压差及不同级别闪蒸罐之间的压差足够使冷凝水从烘缸中通畅排出且在闪蒸罐之间畅通流动。系统只在末端设置了冷凝水泵( 泵转速采用变频调节)，将冷凝水送回锅炉房。这样，不但能消除冷凝水泵因中间段冷凝水温度高而导致的大量故障，而且节约了电能。

 

  图10 显示，为了确保无水泵通畅排水，系统设计了4 个压差控制回路：DPIC-01~04。其中，DPIC-02 的主要功能是保证II 段烘缸的进、出口压差；DPIC-03采用变频器调节真空泵转速，对纸机湿端烘缸真空度的调节和冷凝水排放温度影响很大；DPIC-01 在保证Ia 段烘缸正常排水的同时，还限制#4 闪蒸罐与#2 闪蒸罐之间的压差，使得#4 闪蒸罐和#1 闪蒸罐中的冷凝水都能通畅地流向#2 闪蒸罐；DPIC-04 的作用与DPIC-01 相似。由于DPIC-01~04 的存在， 即使在I段和IIIa 段不设置压差控制回路，依然能保证该段冷凝水的正常流动。

 

  (4) 闭式蒸汽冷凝水回水系统和能量的综合利用，节能效果明显。系统中，闪蒸罐冷凝水流向根据闪蒸罐之间的压差进行合理配置，在确保无水泵通畅排放的同时，逐级进行闪蒸回用。闪蒸罐排放的不凝气体及压差阀排放的少量二次闪蒸汽都被送往湿端烘缸组，进行余热回收利用。考虑到大量的闪蒸罐冷凝水汇聚到低温段#3 闪蒸罐，在低温烘缸III 段设置了专门的流量调节热泵，能有效降低#3 闪蒸罐工作压力，加大二次蒸汽闪蒸量，并有效降低了冷凝水的排出温度。另外，冷凝水贮罐不设透汽管，杜绝了废热蒸汽排向大气、造成蒸汽浪费现象。这样，系统采用多种措施，使热能得到充分利用，明显降低了吨纸汽耗，与传统多段供汽相比，可节能20％以上[7]。

 

  (5) 系统设计了完备的不凝气体排放通道，有利于提高烘缸的传热效果。鉴于蒸汽和不凝气体组成的混合气体难以分离，只有在冷凝状态才能达到最终分离。该系统中设有在生产过程中连续性排放和冷态及暖缸时排出空气及不凝气体的通道，并在高效闪蒸罐出口管道上设置排气器，用于连续排出不凝性气体。

 

  该系统的缺点为：①热泵供汽系统设计计算量大。

 

  由于采用了无水泵排水和单汽源供汽技术，需要对蒸汽冷凝水热力系统的烘缸分组、工艺流程、管道尺寸、热泵结构和尺寸等进行周密设计和反复核算，以保证理论设计的预期目标与实际系统运行情况基本吻合。

 

  ②对用户事先提供的设计参数的准确性要求较高。热泵供汽系统中没有设计补汽通路，烘缸组需要的蒸汽都要通过热泵来供给，这就要求热泵必须始终处于良好的工作状态；同时，为了充分发挥热泵潜能，热泵的结构和尺寸往往依据用户提供的相关参数来设计。

 

  因此，当实际工况参数与提供的参数偏离较多时，热泵的工作效率就会降低。不过，随着国产流量调节热泵的出现，这一缺点可以得到很大程度的弥补。