陳曉彬 鄭啟富 董云淵 占正奉 李繼庚 陳學萍 劉 媛

（1.衢州學院化學與材料工程學院，浙江衢州，324000；2.山鷹國際控股股份公司博士后工作站，安徽馬鞍山，243000；3.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；4.廣東省綠色化學產(chǎn)品技術(shù)重點實驗室，廣東廣州，510640）

據(jù)IEA（International Energy Agency，國際能源署）調(diào)查資料，造紙工業(yè)是世界第四大能耗工業(yè)，約占世界工業(yè)用能的5%［1］。在我國，造紙行業(yè)也是重點高能耗行業(yè)之一，根據(jù)國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)，2017年我國造紙行業(yè)能源消費總量為4304.31萬t標煤，約占整個制造業(yè)總能源消耗的1.8%［2］。根據(jù)國家環(huán)保部最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年我國參與統(tǒng)計的4180家造紙和紙制品企業(yè)，用水總量118.35億t，其中新鮮水用量為28.98億t，占全國工業(yè)新鮮水總用量的7.5%，廢水排放量為23.67億t，占全國工業(yè)廢水總排放量的13.0%［3］。隨著能源、環(huán)境的約束日益增強，造紙工業(yè)將面臨越來越嚴格的環(huán)保制度，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型生態(tài)造紙工業(yè)勢在必行［4］。

干燥是造紙過程中能耗最高的工序，約占紙機總能耗的60%［5-6］，是造紙行業(yè)節(jié)能減排工作的重點領域。紙機干燥部是一個涉及多物料、多過程相互耦合的復雜系統(tǒng)［7-9］，想要高效管理必需對其運行狀態(tài)實行全面監(jiān)控。然而，當下造紙企業(yè)的信息系統(tǒng)只實現(xiàn)了干燥部部分監(jiān)測功能，集中體現(xiàn)在保障生產(chǎn)穩(wěn)定運行和監(jiān)管成品紙張質(zhì)量兩方面，如集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）能監(jiān)測干燥部蒸汽狀態(tài)、氣罩通排風狀態(tài)等信息，質(zhì)量控制系統(tǒng)（Quality Control System，QCS）能監(jiān)測紙張離開干燥部時的定量和水分信息。除極個別擁有能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）的企業(yè)外，絕大部分造紙企業(yè)現(xiàn)有的信息系統(tǒng)都未涉及干燥部能源效率的監(jiān)測管理，因此造紙行業(yè)內(nèi)干燥部的能效管理水平普遍偏低，有較大的節(jié)能潛力，干燥部已然成為造紙節(jié)能研究的熱點。

眾多學者研究了干燥部能源效率監(jiān)測與評價問題，但基本都集中在能源效率測試診斷與分析方面。Smook［10-11］提出一種干燥部運行性能測試評價方法，通過專家到現(xiàn)場調(diào)研測量紙張溫度、烘缸表面溫度、袋區(qū)空氣溫濕度、烘缸冷凝水負荷、氣罩空氣流速等過程工藝參數(shù)，分析評價干燥部能源效率。Eskelinen等［12-18］也研究過通過現(xiàn)場調(diào)研和測試診斷提升造紙過程能效的方法。TAPPI［19］總結(jié)眾多學者的研究成果，制定了干燥部能源效率測試診斷與分析的標準流程。Romppainen等［20-28］在企業(yè)實踐能源效率測試診斷方法，助力企業(yè)挖掘節(jié)能潛力，并收獲了較好的效果。

能源效率測試診斷通過測量過程關(guān)鍵工藝參數(shù)，結(jié)合專家經(jīng)驗診斷能效問題并制定相應節(jié)能措施，確實可提高企業(yè)能源效率，但該做法可持續(xù)性較差。關(guān)鍵工藝參數(shù)測量和專家參與診斷是臨時性的，而生產(chǎn)是連續(xù)的，且專家測試診斷具有一定的時效性，不能滿足持續(xù)監(jiān)管干燥部能源效率的需求。為解決該問題，本研究探索干燥部能源效率在線監(jiān)測與評價方法，為持續(xù)監(jiān)管干燥部能源效率提供可行的技術(shù)方案。

1 能源效率指標

能源效率一般是指能源投入量和能源服務產(chǎn)出量之間的關(guān)系。能源效率指標可分為兩大類：單要素能源效率（Partial-Factor Energy Efficiency，PFEE）和全要素能源效率（Total-Factor Energy Efficiency，TFEE）。單要素能源效率指標通常表示為一個經(jīng)濟體的有效產(chǎn)出和能源投入的比值，不考慮其他生產(chǎn)要素。常用的單要素能源效率指標有能源強度和能源生產(chǎn)效率，能源強度表示能源投入量與能源服務產(chǎn)出量之比，能源生產(chǎn)效率表示能源服務產(chǎn)出量與能源投入量之比，二者互為倒數(shù)，所表示的能源效率實質(zhì)一樣。全要素能源效率考慮了各種投入要素的相互作用，表示目標能源投入和實際能源投入的比值，比單要素能源效率指標更為全面，是近年來研究的熱點。

能源效率指標只是籠統(tǒng)定義了能源投入量和能源服務產(chǎn)出量2個概念，對于二者的核算單位沒有過多說明，以至于不同領域、不同學者在計算能源效率時，會采用不同的核算單位。Patterson［29］對這個問題進行過總結(jié)，將能源效率指標分為熱力學指標、物理-熱力學指標、經(jīng)濟-熱力學指標以及經(jīng)濟學指標四大類。熱力學指標是指以熱量度量能源投入量和能源服務產(chǎn)出量；物理-熱力學指標是指能源投入量和能源服務產(chǎn)出量中一個使用熱量度量，一個使用物理單位度量，如產(chǎn)品產(chǎn)量等；經(jīng)濟-熱力學指標指能源投入量和能源服務產(chǎn)出量中一個使用熱量度量，一個使用貨幣價格度量；經(jīng)濟學指標指能源投入量和能源服務產(chǎn)出量都使用貨幣價格度量。

2 紙機干燥部能耗分析

紙機干燥部由一個主要過程（即紙張干燥過程）、兩個輔助系統(tǒng)（蒸汽冷凝水子系統(tǒng)和通風與余熱回收子系統(tǒng)）構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 紙機干燥部工藝簡圖

蒸汽冷凝水子系統(tǒng)是干燥部熱能供給系統(tǒng)，由烘缸、汽水分離器、蒸汽管道和連接閥門等部件構(gòu)成。蒸汽在烘缸內(nèi)表面冷凝釋放熱能，熱量傳導透過烘缸壁被貼在烘缸表面的紙張吸收，用于蒸發(fā)水分。通風與余熱回收子系統(tǒng)由氣罩、送風機、排風機、余熱回收裝置、空氣加熱裝置等構(gòu)成，主要作用則是將紙張蒸發(fā)出的水分帶出氣罩，通過連續(xù)的送風和排風將氣罩內(nèi)空氣濕度維持在合理的水平，給紙張水分蒸發(fā)提供足夠動力。排出的濕熱空氣溫度一般仍然較高，可以用來預熱新鮮空氣，回收部分余熱，經(jīng)過余熱回收后的空氣往往還達不到送風的溫度工藝要求，所以還需空氣加熱裝置，將空氣加熱到滿足工藝要求。

紙張干燥過程是能源密集型的復雜過程，主要使用兩種能源：熱能和電能。電能大部分用于干燥部烘缸的傳動，還有少部分用于通風與余熱回收子系統(tǒng)的風機，其中干燥部烘缸傳動消耗的電能是必要的，節(jié)能空間較小。熱能的使用分2部分，大部分被用于蒸汽冷凝水子系統(tǒng)，給紙張水分蒸發(fā)提供熱源，少部分被用于通風與余熱回收子系統(tǒng)，將經(jīng)過余熱回收后的空氣加熱到送風溫度。熱能的高效利用是干燥部能源效率的關(guān)鍵，節(jié)能潛力最大。

通過以上能耗分析，干燥部能源效率在線監(jiān)測可以從以下3方面考慮：

（1）干燥部的熱能消耗；

（2）干燥部通風與余熱回收子系統(tǒng)的電能消耗；

（3）干燥部通風與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率情況。

具體的在線監(jiān)測指標包括：干燥部蒸汽單耗、干燥部熱效率、通風與余熱回收子系統(tǒng)電單耗、通風與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率。

3 干燥部能源效率在線監(jiān)測指標及其計算模型

3.1干燥部蒸汽單耗

干燥部蒸汽單耗的測度從生產(chǎn)產(chǎn)品和蒸發(fā)水分兩個維度考慮，包括2個指標，即單位產(chǎn)品汽耗（SSCp，kg/kg）和蒸發(fā)單位水分汽耗（SSCw，kg/kg）。

單位產(chǎn)品汽耗SSCp的在線監(jiān)測，需采集蒸汽冷凝水子系統(tǒng)消耗的蒸汽量（m?s，SCS，kg/s）和通風與余熱回收子系統(tǒng)中空氣加熱裝置中消耗的蒸汽量（m?s，AH，kg/s）及 紙 機 車 速（V，m/s）和 成 紙 定 量（BWo，kg/m2）數(shù)據(jù)。通過式（1）可實時計算干燥部單位產(chǎn)品汽耗：

式中，m?p表示產(chǎn)品實時產(chǎn)量，kg/s，Ly表示紙機卷取幅寬，m。

蒸發(fā)單位水分汽耗SSCw的在線監(jiān)測可在完成監(jiān)測單位產(chǎn)品汽耗SSCp的基礎上通過式（2）實時計算：

式中，EL表示蒸發(fā)負荷，即生產(chǎn)單位質(zhì)量產(chǎn)品需要在干燥部蒸發(fā)水分的質(zhì)量，kg/kg；Do表示紙張離開干燥部時的干度，可從紙機QCS系統(tǒng)中在線采集；Di表示紙張進干燥部時的干度，現(xiàn)階段大多數(shù)紙機沒有安裝在線測量Di的傳感器，其可通過加裝在線測量傳感器獲取，或采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或離線測量數(shù)據(jù)近似代替Di。

3.2干燥部熱效率

干燥部熱效率（HEE，%）是根據(jù)過程工藝狀態(tài)估算得到的，表示干燥部用于蒸發(fā)水分消耗的熱能與干燥部消耗的總熱能之比，屬于全要素能源效率指標。以蒸發(fā)單位質(zhì)量水分（1 kg）為計算單元，干燥過程用于蒸發(fā)水分消耗的熱量包含3個部分：①把水分加熱到蒸發(fā)溫度（Tev，可近似為紙張干燥過程中的平均溫度，℃）所消耗的熱量（Q1）；②用于蒸發(fā)過程的蒸發(fā)熱消耗（Q2）；③將蒸發(fā)出來的水蒸氣加熱或者冷卻到氣罩排風溫度（Ta，exh）所消耗的熱量（Q3）。

式中，Cp，w表示水的比熱，常壓下可近似為常數(shù)，Cp，w=4.2×103J/(kg?℃)；Cp，v表示水蒸氣的比熱，常壓下可近似為常數(shù)，Cp，v=1.88×103J/(kg?℃)；Tp，i表示進干燥部紙張溫度，℃；ΔHev表示水分的蒸發(fā)熱，J/kg，可近似為水分在蒸發(fā)溫度Tev下的汽化潛熱（ΔHlat）。值得注意的是在干燥后期，特別是紙張干度超過80%，紙張干燥水分不能自由擴散到表面，此時紙張內(nèi)部水分蒸發(fā)需要消耗更多的熱量，稱為吸附熱，此估算方法忽略了吸附熱的影響。常壓下，水分的汽化潛熱ΔHlat僅跟溫度有關(guān)，可通過物性數(shù)據(jù)擬合式（4）估算：

干燥部熱效率HEE的在線監(jiān)測，還需采集蒸汽冷凝水子系統(tǒng)消耗蒸汽流量（m?s，SCS，kg/s）和壓力（Ps，SCS，Pa）、通風與余熱回收子系統(tǒng)中加熱送風消耗 的 蒸 汽 流 量（m?s，AH，kg/s）和 壓 力（Ps，AH，Pa）、結(jié)合實時計算出來的產(chǎn)品實時產(chǎn)量（m?p，kg/s）和蒸發(fā)負荷（EL，kg/kg）數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^式（5）實時計算干燥部熱效率HEE，實現(xiàn)對干燥部熱效率HEE的在線監(jiān)測：

式中，Hs，SCS和Hs，AH分別表示蒸汽冷凝水子系統(tǒng)消耗蒸汽的焓和通風與余熱回收子系統(tǒng)消耗蒸汽的焓，J/kg；可通過水蒸氣物性數(shù)據(jù)擬合的式（6）估算；Ps表示蒸汽壓力，Pa。

3.3通風與余熱回收子系統(tǒng)電單耗

通風與余熱回收子系統(tǒng)電單耗（SP Cp，VHRS，(kWh)/kg）主要是指通風與余熱回收子系統(tǒng)中，生產(chǎn)單位產(chǎn)品（1 kg）時，各個送風機和排風機消耗的電能總和。通風與余熱回收子系統(tǒng)電單耗的在線監(jiān)測，需要采集各個通風與余熱回收裝置中送風機的實際功率（esup，j，kW），和排風機的實際功率（eexh，j，kW），結(jié)合計算出來的實時產(chǎn)量m?p數(shù)據(jù)，可實時計算干燥部通風與余熱回收子系統(tǒng)的電單耗SPCp，VHRS，實現(xiàn)對干燥部通風與余熱回收子系統(tǒng)電單耗SPCp，VHRS的在線監(jiān)測：

式中，j表示通風與余熱回收裝置編號；M表示通風與余熱回收裝置套數(shù)。

3.4通風與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率

通風與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率的測度包括2個指標，即單套熱回收裝置的熱回收效率（HR Ej，%）和通風與余熱回收子系統(tǒng)總熱回收效率（HRE，%）。HREj和HRE的在線監(jiān)測，需采集通風與余熱回收子系統(tǒng)中空氣經(jīng)過熱回收后的溫度（Ta，Pha，℃）、送風風量（m?a，sup，j，kg/s）、送風口環(huán)境溫度（Ta，atm，℃）和濕度（AHa，atm，kg/kg）、排風風量（m?a，exh，j，kg/s）、排風溫 度（Ta，exh，j，℃）和 濕 度（AHa，exh，j，kg/kg）?？?通 過式（8）實時計算通風與余熱回收子系統(tǒng)總熱回收效率HRE和單套熱回收裝置的熱回收效率HREj：

式中，HREj表示第j套通風與余熱回收裝置的熱回收效率，%；Ha，atm、Ha，Pha，j和Ha，exh，j分別表示第j套通風與余熱回收裝置前送風濕空氣的焓、通風與余熱回收裝置后送風濕空氣的焓和氣罩排風濕空氣的焓，J/kg；濕空氣的焓（Ha，J/kg）可由濕空氣的溫度（Ta，℃）和濕度（AHa，kg/kg）估算，見式（9）。

4 干燥部能效評價方法

目前，造紙行業(yè)常用能效對標方法進行干燥部能效評價，通過比對國內(nèi)外同行業(yè)先進企業(yè)能效指標，找出節(jié)能潛力，再通過管理和技術(shù)措施，達到標桿或更高能效水平。本研究在能效對標方法的基礎上，增加能效等級評價，探索一種干燥部能源效率在線評價方法，從能效對標和能效等級2個維度評價干燥部能效水平。干燥部能效在線評價方法的工作流程如圖2所示，包括以下6個主要步驟。

圖2 干燥部能效在線評價方法工作流程示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集：在線采集干燥部生產(chǎn)過程主要操作參數(shù)、能耗數(shù)據(jù)等基礎數(shù)據(jù)，以便在線分析干燥部能源利用狀況。

（2）計算能效指標：利用采集的基礎數(shù)據(jù)，計算干燥部能效指標，充分掌握干燥部各類能效指標客觀、詳實的基本情況。

（3）選定標桿數(shù)據(jù)：以國內(nèi)外先進水平為導向，綜合考慮企業(yè)自身實際，選定標桿數(shù)據(jù)，如可在已記錄的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)中，選擇最佳實踐數(shù)據(jù)作為標桿數(shù)據(jù)，也可以參照國內(nèi)外先進水平制定標桿數(shù)據(jù)。標桿數(shù)據(jù)應當包括能效指標數(shù)據(jù)和主要操作參數(shù)數(shù)據(jù)，而先進水平的操作參數(shù)數(shù)據(jù)獲取比較困難，所以通常情況下企業(yè)會選擇從自身生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)中挖掘最佳實踐數(shù)據(jù)作為其能效對標的標桿數(shù)據(jù)。

（4）能效對標：比對能效指標數(shù)據(jù)和主要操作參數(shù)數(shù)據(jù)。若當前能效狀況優(yōu)于標桿數(shù)據(jù)，則用當前數(shù)據(jù)迭代標桿數(shù)據(jù)；若當前能效狀況比標桿數(shù)據(jù)差，則估算節(jié)能潛力，并比對操作參數(shù)制定可執(zhí)行的優(yōu)化調(diào)整方案。

（5）能效等級評價：以干燥部產(chǎn)量和汽耗為考核指標，使用泰勒展開法［30］（Taylor Series Expansion，TSE）繪制能效坐標圖的形式，通過計算當前運行數(shù)據(jù)與標桿數(shù)據(jù)之間的偏差，在能效坐標圖中確定其位置，可定性描述干燥部能效所處的能效水平（優(yōu)、良、中、差）。具體實施步驟如下。

①用變量A和B分別表示干燥部產(chǎn)品產(chǎn)量和蒸汽消耗量當前數(shù)據(jù)和標桿數(shù)據(jù)的偏差：

式中，m?p，r和m?p，b分別表示干燥部當前實時產(chǎn)量和標桿實時產(chǎn)量；m?s，r和m?s，b分別表示干燥部當前蒸汽消耗量與標桿蒸汽消耗量。若當前單位產(chǎn)品蒸汽消耗量和標桿單位產(chǎn)品蒸汽消耗量相等，則B=1-A。

②以A和B分別為橫坐標和縱坐標繪制能效圖（見圖3），將坐標系劃分為6個區(qū)域，各個區(qū)域的能效等級見表1。結(jié)合步驟①確定當前運行狀態(tài)點（A，B）所處的區(qū)域，查找表1即可獲得當前狀態(tài)下干燥部的能效等級。

圖3 干燥部能效評價的能效圖

表1 各區(qū)域能效等級評價

（6）方案實施與評價：執(zhí)行優(yōu)化調(diào)整方案，并評價其效果。

5 結(jié) 論

5.1通過紙機干燥部的能耗分析，闡明了干燥部能源效率在線監(jiān)測的3方面內(nèi)容：①干燥部的熱能消耗；②干燥部通風與余熱回收子系統(tǒng)的電能消耗；③干燥部通風與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率情況。

5.2在干燥部能耗分析的基礎上，提出了干燥部能源效率在線監(jiān)測的4類指標，即干燥部蒸汽單耗、干燥部熱效率、通風與余熱回收子系統(tǒng)電單耗、通風與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率，并建立了各個指標的計算模型，模型以能夠?qū)崟r采集的數(shù)據(jù)作為輸入，實現(xiàn)各指標實時在線監(jiān)測。

5.3基于提出的在線監(jiān)測指標對干燥部能源效率的評價方法進行了進一步拓展研究，探索了一種干燥部能源效率在線評價方法，實時采集產(chǎn)量和能耗數(shù)據(jù)，從能效對標和能效等級2個維度實時評價干燥部能效水平。