孫 蒙

上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠

0 引言

制冷站是卷煙制造工廠動力中心的一個重要組成部分，本文以某卷煙廠為對象開展Free cooling系統(tǒng)在制冷系統(tǒng)經(jīng)濟運行中的研究。該廠制冷站冷源系統(tǒng)由2臺900RT定頻離心式冷水機組和2臺900RT 變頻離心式冷水機組提供。夏季供冷按負荷需求啟動不同臺數(shù)冷水機組制冷，過渡季也有供冷需求，目前通過啟動冷水機組來提供。由于過渡季負荷比較小，考慮利用室外環(huán)境自然冷卻水為冷源供冷：即在室外氣溫允許的條件下，引用冷卻塔冷卻水為冷源，通過增加板式換熱器同冷凍水系統(tǒng)熱交換后，使冷凍水降溫以達到可以使用的空調(diào)條件。從經(jīng)濟角度可以節(jié)省能源，同時避免機組在低溫工況及低負荷下的強制啟動運轉(zhuǎn)，起到保護機組的目的，有效降低制冷能耗，實現(xiàn)質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

1 Free cooling系統(tǒng)應(yīng)用背景

冷卻塔的基本工作原理：干燥（低焓值）的空氣經(jīng)過風機驅(qū)動，通過淋水填料進入冷卻塔內(nèi)；濕熱（高焓值）的水通過播水系統(tǒng)噴灑在淋水填料上。當水流和空氣接觸時，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸氣分子表面和空氣之間存在壓力差，在壓差的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，以蒸發(fā)潛熱的形式將水中的熱量帶走，通過這一蒸發(fā)傳熱過程達到降溫的目的。冷卻塔的工作原理見圖1。

圖1 冷卻塔工作原理圖

相比于夏季室外高溫高濕的狀態(tài)，隨著過渡季的到來，室外氣溫及相對濕度降低，濕球溫度降低，經(jīng)過冷卻塔處理的冷卻水出水溫度也隨之降低。此時對于仍有供冷需求的生產(chǎn)區(qū)域，室內(nèi)濕負荷及冷負荷與夏季相比下降較多，空調(diào)末端所需除濕量減少，適當提高冷凍水溫或者降低冷卻塔風機轉(zhuǎn)速，即可滿足空調(diào)系統(tǒng)舒適性或生產(chǎn)性的要求。顯然，在此情況下運行大功率的冷水機組，經(jīng)濟性不高。

Free cooling系統(tǒng)主要用于替代過渡季節(jié)大功率制冷機組（電機功率543 kW）的啟動，在過渡季節(jié)室外環(huán)境溫度允許的條件下（一般氣溫應(yīng)低于18℃），以冷卻水為冷源，通過板式換熱器與閉式冷凍水系統(tǒng)熱交換，降低冷凍水溫度并輸送至空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)工房的溫濕度控制。

2 Free cooling系統(tǒng)設(shè)計

本方案采用冷卻塔自然供冷技術(shù)，將出水溫度較低的冷卻水以直接或間接的形式向空調(diào)系統(tǒng)供冷，取代冷水機組的形式。在過渡季采用冷卻塔與板式換熱器組合的方式代替冷水機組處理冷凍水，以滿足室內(nèi)生產(chǎn)需求的空調(diào)負荷。此類系統(tǒng)設(shè)計可以減少制冷機組運行時間，降低其運行能耗，空調(diào)系統(tǒng)整體的運行能耗明顯降低。系統(tǒng)改造前后設(shè)計原理示意圖見圖2和圖3。

圖2 制冷系統(tǒng)現(xiàn)狀示意圖（改造前）

圖3 Free cooling系統(tǒng)改造示意圖（改造后）

3 設(shè)計方案的實施

Free cooling系統(tǒng)的設(shè)計主要針對局部管路系統(tǒng)，不影響原制冷機組及系統(tǒng)功能。系統(tǒng)增設(shè)板式換熱器與冷凍水、冷卻水系統(tǒng)連通管，并在管路增設(shè)電動及手動閥門，保證系統(tǒng)切換順暢以及電動閥的正常檢修。

根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)，過渡季所需冷量一般為單臺機組的50%，即：

所選取的板式換熱器需要滿足要求并考慮一定的余量，項目選取2 000 kW 換熱量的板式換熱器。

由于新增板式換熱器一、二次側(cè)壓降與制冷機冷凝器、蒸發(fā)器壓降接近，相應(yīng)的管道阻力特性基本不變，兩套系統(tǒng)可以共用冷凍泵、冷卻泵，系統(tǒng)切換相對簡單，可靠性高。其中V2 為電動調(diào)節(jié)閥，V1、V3 為電動閥，冷水機組冷凍、冷卻側(cè)為電動開關(guān)閥。

系統(tǒng)安裝完成后，具體運行策略見表1。

表1 Free cooling模式與原有模式運行對比

系統(tǒng)運行可根據(jù)實際室外氣溫狀況來決定運行Free cooling 系統(tǒng)供冷。每年過渡季節(jié)，當室外濕球溫度傳感器測得室外濕球溫度達到設(shè)計值（根據(jù)冷卻塔現(xiàn)有參數(shù)，計算得出當濕球溫度達到8℃以下時，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)能投入使用），則系統(tǒng)判定可切換到“Free cooling 系統(tǒng)制冷”。在切換前，系統(tǒng)先確認新裝的功能轉(zhuǎn)換閥啟閉到位，保證管路的流程為，冷卻水側(cè)：冷卻塔→冷卻水泵→板式換熱器→冷卻塔；冷凍水側(cè)：集水器→冷凍水泵→板式換熱器→分水器。當所有閥門都動作到位后，開啟冷卻水泵和冷凍水泵，并根據(jù)冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)板式換熱器冷卻水側(cè)旁通電動調(diào)節(jié)閥。當室外濕球溫度長時間≥8 ℃（可調(diào)）或二次側(cè)供水溫度長時間無法保證，工房溫度指標難以滿足時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入冷水機組供冷。Free cooling 系統(tǒng)運行流程見圖4。

圖4 Free cooling系統(tǒng)運行流程圖

4 運行效果分析

4.1 節(jié)能經(jīng)濟效益

該卷煙廠動力中心Free cooling 系統(tǒng)投入運行后，制冷系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟運行效果顯著。2019 年3 月-5 月，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)投入運行，對比2018年同期用電數(shù)據(jù)見表2。

表2 Free cooling系統(tǒng)投運前后制冷系統(tǒng)用電量對比

由表2 可見，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)投入運行，2019 年3 月份至4 月份期間，制冷系統(tǒng)用電量同比降低明顯?？紤]到2019 年與上年生產(chǎn)日不同，2019 年3 月1 日至5 月29 日運行Free cooling 期間，僅統(tǒng)計生產(chǎn)日的情況下，制冷系統(tǒng)用電量同比降低108 939 kWh，降低比例20.3%。

過渡季按照每年春季、秋季計算，F(xiàn)ree cooling系統(tǒng)改造后，按此計算系統(tǒng)年運行總時間，改造后每年可節(jié)約用電量為：108 939Χ2=217 878 kWh。按當?shù)仉妰r0.71元/kWh計算，改造后每年可節(jié)約電費約217 878 kWhΧ0.71元/ kWh≈15.5萬元。

由此可見，F(xiàn)ree cooling 的投入運行，工廠制冷系統(tǒng)的節(jié)能所產(chǎn)生的效應(yīng)顯著，具有較高的推廣價值。

4.2 降低制冷機組開動時間，提高設(shè)備使用壽命

Free cooling 系統(tǒng)的投入使用，能有效降低大功率制冷機組開動時間，避免了過渡季節(jié)“大馬拉小車”的低能效運行工況，同時消除了制冷機組在過渡季節(jié)低載運行時的頻繁啟停運轉(zhuǎn)，起到保護機組的目的，提高了制冷設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)束語

本文介紹了Free cooling 系統(tǒng)在制冷系統(tǒng)運行中的經(jīng)濟運行研究與應(yīng)用，通過在某卷煙廠對Free cooling 系統(tǒng)改造的應(yīng)用實例，在春秋過渡季節(jié)，利用板式換熱器與冷卻塔相結(jié)合的自然供冷方式降溫，不僅達到工房溫濕度指標控制的目標，同時減少了制冷系統(tǒng)的開啟時間，在節(jié)省運行費用，提高設(shè)備使用壽命的同時，達到節(jié)能降耗經(jīng)濟運行的目標。通過Free cooling 系統(tǒng)在卷煙工廠制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用效果分析，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)在行業(yè)制冷系統(tǒng)中具有較高的推廣價值。