CN102287968A - 循环水余热回收综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环水余热回收综合利用系统，包括：热源单元、换热单元、冷源单元和控制单元，所述热源单元、换热单元和冷源单元与控制单元电联，所述热源单元和冷源单元通过换热单元实现热能交换，所述换热单元包括由管路顺次连接的换热器、内循环水箱和热泵机组，所述换热器的出水方向与热泵机组的入水方向连接，以使换热器、内循环水箱和热泵机组之间形成一闭合环路，所述闭合环路中设置有内循环水。本发明结构科学合理，克服了现有技术的诸多缺点，提高了余热回收的换能比、实现了余热的高效利用，得到的水水温满足洗浴用水需要。本发明是冷却循环水余热回收利用的良好的解决方案。

Description

循环水余热回收综合利用系统

技术领域

本发明涉及节能技术，尤其涉及一种循环水余热回收综合利用系统。

背景技术

据GB1028-2000定义，以环境温度为基准，被考察体系排出的热载体可释放的热称为余热，工业余热则以带有一定温度的水和汽为主，设备冷却水是典型的余热源。设备冷却水热源的特点是温度较低、连续性较好、取得方便。

图1为现有余热回收装置结构示意图，如图1所示现有余热回收装置主要设备有热源单元、冷源单元、换热器9和独立PLC控制器，所述热源单元通过换热器将热量传递给冷源单元，所述热源单元由管路顺次连接的第一循环泵1、待降温热源2(如：空气压缩机)、热水池3、第二循环泵4、冷却塔5和冷水池6组成，其中冷水池6的出水方向与第一循环泵1的入水方向连接形成一环路。所述冷源单元即为通有自来水的管道。

现有的冷却水余热回收利用系统的工作原理：来自冷水池6的热源水经第一循环泵1输送至待降温热源2，热源水与待降温热源2进行热交换后流入热水池3，热水池3中的热源水(设备冷却水)温度一般在38～40℃，冷源水(自来水)水温为10℃，热源水在第二循环泵4的输送下通过换热器9将热量传递给冷源水后到冷却塔5中进一步冷却，进一步冷却的热源水最终回到冷水池6中循环待用，根据换热原理冷源水通过换热器9热交换后水温一般能达到32℃左右。

现有的冷却水余热回收利用系统基本能实现设备冷却水余热的回收，由空压机(待降温热源)出来的冷却水为38～40℃，通过换热器被加热水水温仅为32℃或更低，只能用于对温度要求较低的用户，不能用于温度需求较高的用户(如洗浴用水)。现有的冷却水余热回收利用系统得到的加热水水温低、用途有限，且余热回收效率、监控与管理等方面水平较差。

发明内容

本发明提供一种循环水余热回收综合利用系统，用以解决现有技术中的缺陷，提高了余热回收的换能比、实现了余热的高效利用，得到的水水温满足洗浴用水需要。

本发明提供的一种循环水余热回收综合利用系统，包括：热源单元、换热单元、冷源单元和控制单元，所述热源单元、换热单元和冷源单元与控制单元电联，所述热源单元和冷源单元通过换热单元实现热能交换；

所述换热单元包括由管路顺次连接的换热器、内循环水箱和热泵机组，所述换热器的出水方向与热泵机组的入水方向连接，以使换热器、内循环水箱和热泵机组之间形成一闭合环路，所述闭合环路中设置有内循环水，热泵机组使得冷源水水温显著提高，使只通过换热器加热到32℃左右的水提高到55～60℃满足洗浴用水水温，大大提高了余热利用率；内循环水流经换热器进入热泵机组后再进入内循环水箱，内循环水箱上安装有手动流量调节阀，根据季节的变化调节进入换热器的内循环水量，进而调节热泵机组的内循环水温度，保证热泵机组的可靠运行，同时提高了系统的整体热效率。

进一步地，所述换热器为板式换热器。

进一步地，所述热源单元包括由管道顺次连接的第一循环泵、待降温热源(如：空气压缩机)、热水池、第二循环泵、冷却塔和冷水池，其中冷水池的出水方向与第一循环泵的入水方向连接形成一环路。

进一步地，所述冷源单元包括储水箱，所述储水箱与热泵机组间设置有两条管路，使储水箱与热泵机组之间形成一环路，所述储水箱上还设置有进水管和出水管，所述出水管上设置有控制出水流量的供水泵。

进一步地，所述供水泵为变频恒压供水泵，根据洗浴用水情况控制变频恒压供水泵的供水流量，变频恒压供水泵处于变频工作方式，克服了现有供水采用常规泵控制导致的始终满负荷运行，造成能源浪费，实现自动控制，节约能源。

进一步地，所述供水泵为两个，当用水量小于一个供水泵额定供水量时，一供水泵变频运行调节供水压力，另一个供水泵进入休眠状态；当用水量超出一个供水泵额定供水量时，一个供水泵工频运行，另一供水泵变频运行调节供水压力；当用水量为零时，两台供水泵都进入休眠状态，节约电能。

进一步地，所述控制单元为基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统，所述基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统包括PLC、计算机、电能表、智能供水系统和传感器(压力、流量、温度等)，系统控制方法先进、实现设备的自动监控与计算机管理。通过以太网与企业的能源管理系统实现无缝连接，提高企业能源管理水平。采用基于现场总线的计算机监控技术实现控制与状态检测，实现自动化，提高系统的开动率和设备管理水平。将基于现场总线的计算机监控技术用于系统，实现自动控制与状态监测，提高了系统的可靠性、节约人力物力。

进一步地，在热源单元的热源水进入换热单元前的管路上设置过滤装置，过滤装置将热源水中杂质清除，确保进入换热单元换热器水的洁净度，避免堵塞换热器，减少换热器的故障。

本发明结构科学、合理，可广泛应用于海水、湖水、河流水、城市污水及其他形式的工业冷却水等热能的提取与利用。本发明相比现有技术主要具有如下优点：采用热泵技术进行低品质热能的提取，再将提取得到的热能加热洗浴用水、采暖用水以及其他生活用水等，能效比远远高于水的其他加热方式。采用热泵技术提取风泵房冷却水余热加热洗浴用水，代替以往的燃煤锅炉，实现节能减排、降低成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有余热回收装置结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的计算机监控硬件系统连接关系示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-第一循环泵    2-待降温热源     3-热水池

4-第二循环泵    5-冷却塔         6-冷水池

7-内循环水箱    8-热泵机组       9-换热器

10-储水箱       11-第三循环泵    12-供水泵

N0～N12-阀门

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供的一种循环水余热回收综合利用系统，包括：热源单元、换热单元、冷源单元和控制单元，热源单元、换热单元和冷源单元与控制单元电联，控制单元用于热源单元、换热单元和冷源单元的自动控制与状态监测，热源单元和冷源单元通过换热单元实现热能交换；

热源单元选用范围广泛，具有可释放热能的热载体均可作为热源单元，例如钢厂电炉循环冷却水、锻工循环冷却水，热风等。

换热单元包括由管路顺次连接的换热器、内循环水箱和热泵机组，换热器的出水方向与热泵机组的入水方向连接，通过上述管路的连接使换热器、内循环水箱和热泵机组之间形成一闭合环路，内循环水就在此闭合环路中循环，闭合环路可减少热量的扩散和内循环水的损失。内循环水在换热器中与热源水换热后温度升高，温度升高的内循环水自换热器流入热泵机组后温度降低后汇集于内循环水箱，内循环水箱的内循环水流回换热器中继续循环。热泵机组将内循环水携带的热量换热到冷源水上，将10℃的冷源水加热到55～60℃，加热后的冷源水满足洗浴用水水温，大大提高了余热利用率。

换热器、内循环水箱和内循环水的设置主要是为了满足热泵机组对进水的水质和水温要求，1)、热源水通过换热器间接为热泵机组提供热量，而不直接进入热泵机组内，可以保护热泵机组，减少清洗、维修次数；2)一般来说热泵机组热源端进水水温不高于24-28℃，过高的热源端进水温度会导致水源热泵机组保护性停机(以WCFXHP15-25系列24SR型水源热泵机组为例，其热源端进水最高允许水温为28℃)，当内循环水水温超过设定温度(夏季可达30℃以上)时，通过内循环水箱上安装的手动流量调节阀，根据季节的变化调节换热器两侧流量以达到控制出水水温的目的，维持热泵机组热源端进水温度的稳定。保证热泵机组的可靠运行，同时提高了循环水余热回收综合利用系统的整体热效率。

实施例二

图2为本发明的结构示意图；图3为本发明的计算机监控硬件系统连接关系示意图。

如图2所示，本实施例循环水余热回收综合利用系统，包括：热源单元、换热单元、冷源单元和控制单元，热源单元、换热单元和冷源单元与控制单元电联，热源单元和冷源单元通过换热单元实现热能交换；

换热单元包括由管路顺次连接的换热器9、内循环水箱7和热泵机组8，换热器9的出水方向与热泵机组8的入水方向连接，以使换热器9、内循环水箱7和热泵机组8之间形成一闭合环路，闭合环路中设置有内循环水，热泵机组8使得冷源水水温显著提高，使10℃冷源水水温提高到55～60℃满足洗浴用水水温，大大提高了余热利用率；内循环水流经换热器9进入热泵机组8后再进入内循环水箱7，内循环水箱7上安装有手动流量调节阀，根据季节的变化调节进入换热器9的内循环水量，进而调节热泵机组8的内循环水温度，保证热泵机组8的可靠运行，同时提高了系统的整体热效率。本实施例所采用的换热器9为板式换热器。循环水余热回收综合利用系统中还设置有多个控制流体流量的阀门N0～N12。

热源单元包括由管道顺次连接的第一循环泵1、待降温热源2(如：空气压缩机)、热水池3、第二循环泵4、冷却塔5和冷水池6，其中冷水池6的出水方向与第一循环泵1的入水方向连接使热源单元形成一环路。

冷源单元包括储水箱10，储水箱10与热泵机组8间设置有两条管路，使储水箱10与热泵机组8之间形成一环路，储水箱10内的冷源水不断通过管路流入热泵机组8进行热交换，热交换后温度升高的冷源水又流回储水箱10。储水箱10上还设置有进水管和出水管，出水管上设置有控制出水流量的供水泵12。

控制单元为基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统，PROFI-BUS，是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFI-BUS传送速度可在9.6kbaud-12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFI-BUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统包括PLC、计算机、电能表、智能供水系统和传感器(压力、流量、温度等)，系统控制方法先进、实现设备的自动监控与计算机管理。通过以太网与企业的能源管理系统实现无缝连接，提高企业能源管理水平。采用基于现场总线的计算机监控技术(采用计算机+人机监控界面方式，设定参数、检测系统运行状态，实现无人值守)实现控制与状态检测，实现自动化，提高系统的开动率和设备管理水平。

本实施例采用的计算机监控硬件系统由计算机和西门子公司的S7-300 PLC组成上下两级控制系统，通过西门子公司的CP5621通信卡实现上位机和下位机PLC之间的数据通信。PLC部分中央处理单元选用CPU314。根据技术要求选用3个模拟量输入模块SM331 AI8x13Bit，6个数字量输入模块SM321 DI16xDC24V，4个数字量输出模块SM322 D016x24V/0.5A。通过通信处理器模块CP343-1 Lean与工业以太网相连接。计算机监控硬件系统连接关系如图3所示：

上位机可以监视受控设备的运行工况，管道的压力和水的温度，可以向下位机发出各种指令。它提供了一个普通工作人员能接受的直观的操作平台。下位机负责从现场采集信号并接收上位机发出的指令，下位机和上位机一起协调管理余热回收系统的运行。

在热源单元的热源水进入换热单元前的管路上设置有过滤装置，过滤装置将热源水中杂质清除，确保进入换热单元换热器水的洁净度，避免堵塞换热器，减少换热器的故障。

本实施例提供的循环水余热回收综合利用系统的工作原理如下：

冷水池6中的热源水经第一循环泵1的输送至待降温热源2(空压机)中，热源水与待降温热源2换热后温度升高并汇集于热水池3中，第二循环泵4将汇集于热水池3中的热源水输送至换热器9中，热源水与换热器9内的内循环水进行热交换后温度降低，降温后的热源水直接汇集于冷水池6中循环使用，或被冷却循环泵输送至冷却塔5进一步冷却后汇集于冷水池6中循环使用；

换热器9内的内循环水与来自热源单元的热源水进行热交换温度升高，温度升高的内循环水流入热泵机组8与冷源水进行热交换后汇集于内循环水箱7，然后内循环水箱7的内循环水流入换热器9中循环使用；通过内循环水箱7上的手动流量调节阀，根据季节的变化调节进入换热器9的内循环水量，进而调节热泵机组8的内循环水温度，保证热泵的可靠运行。

将造型线冷却水和电炉变压器的冷却水作为冷源水水源，当这些回收的水不足时用自来水补充，将上述冷源水水源汇集在容积为6立方米的集水箱中备用。冷源水由水泵供到设置在储水箱10上的入水口进入储水箱10内，冷源水在进入储水箱10之前经水处理器过滤其中的杂质，以防堵塞管路。当控制单元检测到储水箱10中水位达到设定值时，冷源水通过设置在储水箱10与热泵机组8之间的循环泵和管路进入热泵机组8中，热泵机组8可将内循环水中的低品质热能提取出来并与冷源水交换，冷源水与热泵机组8内的内循环水进行热交换后温度升高。温度升高的冷源水再通过管路流回储水箱10，储水箱10内的冷源水不断进入热泵机组8中被循环加热，使冷源水温度不断上升，当储水箱10内的冷源水温度达到设定上限值时，控制单元自动切换热泵机组8待机。当储水箱10中的温度计检测到冷源水水温下降到设定下限值时，控制单元(PLC控制系统)自动启动热泵机组8，循环泵将储水箱10中的冷源水打入热泵机组8，吸收热量，不断循环，直到再次达到设定温度上限值时，控制单元待机。

当有洗浴用水需求时，储水箱10内的冷源水通过供水泵12输送至指定客户。当储水箱10水位下降到设定值时，控制单元(PLC控制)储水箱10入水口的阀门向储水箱10中供水。冷源水循环体系与热源水循环体系通过内循环水循环体系实现间接换热，三个水循环系统均由基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统控制。本发明通过热力学、流体力学仿真优化了热交换工艺路线，在热源水通过板式换热器之后增加内循环水箱、热泵机组、热交换流量控制阀等，确保水温达到洗浴用水温度，保证热泵热源水进口的进水温度稳定、提高进水洁净度，从而提高热泵运行的稳定性和效率。系统采用基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统，实现设备的自动监控与计算机管理。通过以太网与企业的能源管理系统实现无缝连接，提高管理水平。

本实施例提供的循环水余热回收综合利用系统中热泵机组输入功率132kw，制热功率613kw。其运行时的换能比可达到1∶4.6，洗浴用水供应量：50～60℃、200t/d；回收造型线冷却水和电炉变压器的冷却水作为冷源水水源120t/d，实现节约用水：60％；整套系统可实现计算机网络控制，无人值守。具体供水量和供热量如表1和表2所示：

表1  洗浴供水量

表2  供热量

本实施例的循环水余热回收综合利用系统的应用解决了风泵房冷却水余热的提取与再利用问题，将洗浴用水成本由原来的每吨68元人民币降到17.60元人民币，经济效益明显。再增加一套600t/d的循环水余热回收综合利用系统即可停用2台20t燃煤蒸汽锅炉加热洗浴热水方式。风泵房水源热泵系统工程项目日可回收水量120吨，日可加热水量200吨，年可节约费用250多万元。年可减排二氧化碳5000吨、二氧化硫150吨、粉尘1500吨、氮氧化物75吨。项目的经济效益和社会效益显著，为企业的节能减排工作做出了贡献。

实施例三

与实施例二不同的是，本实施例提供的循环水余热回收综合利用系统，供水泵为变频恒压供水泵，根据洗浴用水情况控制变频恒压供水泵的供水流量，变频恒压供水泵处于变频工作方式，克服了现有供水采用常规泵控制导致的始终满负荷运行，造成能源浪费，实现自动控制，节约能源。恒压供水泵的控制采用变频器调节水泵，控制器通过压力传感器测得供水压力，与实际供水压力进行比较，实现恒压调节控制。

本实施例提供的循环水余热回收综合利用系统的供水泵为两个，当用水量小于一个供水泵额定供水量时，一供水泵变频运行调节供水压力，另一个供水泵进入休眠状态；当用水量超出一个供水泵额定供水量时，一个供水泵工频运行，另一供水泵变频运行调节供水压力；当用水量为零时，两台供水泵都进入休眠状态，节约电能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种循环水余热回收综合利用系统，包括：热源单元、换热单元、冷源单元和控制单元，所述热源单元、换热单元和冷源单元与控制单元电联，所述热源单元和冷源单元通过换热单元实现热能交换，其特征在于，

所述换热单元包括由管路顺次连接的换热器、内循环水箱和热泵机组，所述换热器的出水方向与热泵机组的入水方向连接，以使换热器、内循环水箱和热泵机组之间形成一闭合环路，所述闭合环路中设置有内循环水。

2.根据权利要求1所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述换热器为板式换热器。

3.根据权利要求1所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述热源单元包括由管道顺次连接的第一循环泵、待降温热源、热水池、第二循环泵、冷却塔和冷水池，其中冷水池的出水方向与第一循环泵的入水方向连接形成一环路。

4.根据权利要求1所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述冷源单元包括储水箱，所述储水箱与热泵机组间设置有两条管路，使储水箱与热泵机组之间形成一环路，所述储水箱上还设置有进水管和出水管，所述出水管上设置有控制出水流量的供水泵。

5.根据权利要求4所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述供水泵为变频恒压供水泵。

6.根据权利要求4或5所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述供水泵为两个，当用水量小于一个供水泵额定供水量时，一供水泵变频运行调节供水压力，另一个供水泵进入休眠状态；当用水量超出一个供水泵额定供水量时，一个供水泵工频运行，另一供水泵变频运行调节供水压力；当用水量为零时，两台供水泵均进入休眠状态。

7.根据权利要求1所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述控制单元为基于PROFI-BUS网络的计算机控制系统。

8.根据权利要求1或3所述的循环水余热回收综合利用系统，其特征在于，所述热源单元的热源水进入换热单元前的管路上设置有过滤装置。

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