杜強(qiáng)

（徐州卷煙廠技改裝備處，江蘇 徐州 221000）

1 前言

能源是人們生活以及社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，是世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，近些年我國(guó)能源形勢(shì)十分嚴(yán)峻。煙草行業(yè)是國(guó)家稅收的重要來(lái)源，近些年，我國(guó)煙草行業(yè)不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，生產(chǎn)能力與經(jīng)濟(jì)效益都有了顯著提升，但能耗高的問題尚未得到有效解決，是煙草行業(yè)的重點(diǎn)與痛點(diǎn)，國(guó)家已將卷煙廠列為節(jié)能降耗重要的監(jiān)管對(duì)象，煙草行業(yè)亟需全面貫徹落實(shí)公司工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，努力建設(shè)資源節(jié)約型友好企業(yè)。

為了確保卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，需要對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行嚴(yán)苛控制，而空調(diào)系統(tǒng)在這一過程中發(fā)揮了重要作用。現(xiàn)階段，我國(guó)多數(shù)卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)具有裝機(jī)容量大、系統(tǒng)組成復(fù)雜、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行效率低、能耗高等特點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)能耗占卷煙廠綜合能耗的1/2左右，是卷煙廠節(jié)能減排的重要對(duì)象，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造可提升卷煙廠社會(huì)效益，并降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本，具有一定經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)能耗高的問題進(jìn)行了分析，并提出幾種有效技術(shù)來(lái)降低空調(diào)能耗。

2 卷煙廠工藝要求及負(fù)荷特點(diǎn)

卷煙廠工藝流程復(fù)雜，涉及工序較多，對(duì)環(huán)境溫濕度要求嚴(yán)格，一旦車間環(huán)境溫濕度未得到有效控制，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量與批次穩(wěn)定性，還會(huì)導(dǎo)致物料損耗嚴(yán)重，成本提升。這是因?yàn)樵虾适且豁?xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，過大或過小都不利于卷煙的制備，當(dāng)含水率過高會(huì)導(dǎo)致原料間粘合嚴(yán)重，含水率過低不利于卷煙的成型，還會(huì)產(chǎn)生大量煙渣，填充能力下降。經(jīng)過多項(xiàng)研究得出影響原料含水率的關(guān)鍵因素有空氣溫度、相對(duì)濕度、氣流速度以及煙草材料自身特性等，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，主要是從兩方面來(lái)對(duì)卷煙工藝進(jìn)行控制：（1）對(duì)原材料含水率和溫度參數(shù)的控制；（2）對(duì)各個(gè)車間環(huán)境參數(shù)的控制。所以說卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)肩負(fù)著控制環(huán)境溫度的重要使命,卷煙廠各車間對(duì)溫濕度控制要求見表1。

表1 卷煙廠各個(gè)車間溫濕度控制要求

聯(lián)合工房?jī)?nèi)設(shè)置大量的空調(diào)系統(tǒng)，目前聯(lián)合工房主要采用組合式空調(diào)系統(tǒng)模式（見圖1）?？照{(diào)機(jī)組主要承擔(dān)的濕熱負(fù)荷來(lái)自于車間內(nèi)部產(chǎn)生的負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷，以卷包車間和制絲車間為例，卷包車間的熱負(fù)荷主要來(lái)源于設(shè)備發(fā)熱與照明系統(tǒng)等，制絲車間濕負(fù)荷多數(shù)都被排風(fēng)系統(tǒng)排出，而新風(fēng)負(fù)荷是受人員需求和工藝排風(fēng)因素影響，多數(shù)新風(fēng)比在10%左右，制絲車間新風(fēng)比較高，可達(dá)35%左右。

3 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

為了確保卷煙廠各車間溫濕度得到精確控制，空調(diào)系統(tǒng)配備了多種濕熱處理技術(shù)來(lái)將溫濕度恒定在一定精度范圍內(nèi)，例如安裝表冷器、加熱器、干蒸汽加濕器和風(fēng)機(jī)變頻等。通常，環(huán)境溫濕度的控制受季節(jié)、環(huán)境溫度、設(shè)備性能參數(shù)等多方面的共同決定。

現(xiàn)階段，結(jié)合卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，總結(jié)出卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)能耗方面存在的主要問題有：

（1）制冷機(jī)開啟時(shí)間長(zhǎng)，效率不高。卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)需要長(zhǎng)期制冷，制冷器運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，一般情況下，在制冷機(jī)選型時(shí)主要以設(shè)計(jì)負(fù)荷上限來(lái)選擇，但通常選型方面通常都過大，特別是在冬季，系統(tǒng)運(yùn)行效率更低，利用加大新風(fēng)量來(lái)減小制冷機(jī)制冷，導(dǎo)致制冷機(jī)運(yùn)行負(fù)荷嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)的高效率區(qū)域，致使運(yùn)行效率較低。制冷機(jī)負(fù)荷率與COP相關(guān)，當(dāng)制冷機(jī)負(fù)荷率高于70%時(shí)，COP在5.0以上，當(dāng)負(fù)荷率為50%時(shí)，COP僅在4.1，能效比與負(fù)荷率的關(guān)系如式（1）所示。另外，表冷器供應(yīng)的冷凍水是由制冷機(jī)統(tǒng)一提供的，冷凍水高質(zhì)低用、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)由于冷凍水溫與環(huán)境溫度相差大，因素在輸送過程中會(huì)造成一定損失。

（2）空調(diào)系統(tǒng)難以有效調(diào)節(jié)，大流量小溫差問題嚴(yán)重，能耗高。卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備的選型、風(fēng)機(jī)負(fù)荷設(shè)計(jì)等都是參照國(guó)家規(guī)范，在實(shí)際中風(fēng)機(jī)流量和揚(yáng)程有一定富余，選型過大現(xiàn)象常見，特別是并未對(duì)管路系統(tǒng)的平衡進(jìn)行合理計(jì)算，致使“大風(fēng)量，小焓差”問題凸顯，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下。對(duì)于卷煙廠車間，由于每臺(tái)空調(diào)送風(fēng)溫度存在一定的差異，這就加大了控制難度，使得系統(tǒng)能耗增加，特別是對(duì)于冷凍水泵和風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷情況下使用，這就使得單位冷負(fù)荷能力明顯升高。

（3）冷熱抵消現(xiàn)狀常見，高溫蒸汽再熱導(dǎo)致高質(zhì)低用。冷熱抵消是卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)的常見現(xiàn)象，一般空氣處理流程是混合后的空氣經(jīng)表冷器進(jìn)行降溫除濕，而后再經(jīng)過加熱、加濕后進(jìn)入室內(nèi)，需要先除濕后加熱，先降溫后升溫，使得冷熱量之間相互抵消，造成浪費(fèi)嚴(yán)重，另外，高溫蒸汽溫度在220℃，而經(jīng)過表冷器后溫度僅在20～30℃左右，這產(chǎn)生巨大的溫差導(dǎo)致熱能的極大浪費(fèi)，通常車間分區(qū)不合理會(huì)導(dǎo)致該問題嚴(yán)重。

4 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)控制與節(jié)能技術(shù)分析

在國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排下，對(duì)煙草行業(yè)降本增效提出了新的發(fā)展要求?？照{(diào)系統(tǒng)作為重要的能量消耗體，因此卷煙廠對(duì)空調(diào)的節(jié)能研究迫在眉睫。目前，技術(shù)人員主要通過從空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面和運(yùn)行方面加強(qiáng)了節(jié)能研究。對(duì)于卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)控制與節(jié)能技術(shù)方面的研究主要是從水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)兩方面著手，其中，水系統(tǒng)主要是挺高制冷機(jī)COP或者是利用環(huán)境冷源供冷，風(fēng)系統(tǒng)主要是利用風(fēng)機(jī)變頻、改進(jìn)濕熱處理過程等。

4.1 基于新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)

長(zhǎng)久以來(lái)，卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)主要采用一次回風(fēng)處理技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)一直沿用至今，基本已日趨成熟。對(duì)于一次回風(fēng)處理技術(shù)而言，該項(xiàng)技術(shù)存在的主要問題是冷熱抵耗、再熱能耗高，針對(duì)這些問題，一些研究者提出通過二次回風(fēng)系統(tǒng)來(lái)降低能耗，但二次回風(fēng)系統(tǒng)在控制方面效果不佳，精度較差，同時(shí)還容易引發(fā)二次污染，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。

新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)充分利用溫濕分控技術(shù)對(duì)新風(fēng)和回風(fēng)分別進(jìn)行處理，有效避免了冷熱抵消的問題，新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)特別適用于濕負(fù)荷小、室內(nèi)產(chǎn)熱高的環(huán)境下應(yīng)用，有效達(dá)到了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的。在新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)中，新風(fēng)承擔(dān)所有濕負(fù)荷，新風(fēng)（W）被表冷盤直接處理至機(jī)器露點(diǎn)（L2），當(dāng)室內(nèi)回風(fēng)（N）被回風(fēng)處理表冷盤管處理至N’點(diǎn)后，與L2點(diǎn)新風(fēng)混合至O2點(diǎn)，沿著熱濕比線輸送入車間（見圖2）。

對(duì)于新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)而言，其所需冷量包含室內(nèi)負(fù)荷耗冷量和新風(fēng)負(fù)荷耗冷量，機(jī)組的實(shí)際能耗可通過式（2）計(jì)算出，可見，與一次回風(fēng)系統(tǒng)相比，新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)節(jié)能效果顯著 。

式中，Qc為系統(tǒng)耗冷量，單位為kW，mf為新風(fēng)流量，單位為kg/s，hw為室外新風(fēng)焓值，單位為kJ/kg，hN為室內(nèi)回風(fēng)焓值，單位為kJ/kg，ho2為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)焓值，單位為kJ/kg。

4.2 基于變水溫調(diào)節(jié)技術(shù)的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)

卷煙廠空調(diào)制冷系統(tǒng)通常是由制冷主機(jī)、冷卻塔、冷卻泵等設(shè)備組成，產(chǎn)出的冷卻水供給聯(lián)合工房空調(diào)器。現(xiàn)階段，多數(shù)卷煙廠制冷系統(tǒng)均是通過制冷機(jī)集中制備冷凍水，利用分水器分配至各個(gè)末端，最終再通過表冷器實(shí)現(xiàn)與空氣之間的熱交換，因此高質(zhì)低用問題常見，一直未得到有效解決。

變水溫調(diào)節(jié)技術(shù)是提升空調(diào)節(jié)能性能的重要手段，該技術(shù)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在空調(diào)改造方面無(wú)需投入過高的成本，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，另外，變水溫調(diào)節(jié)技術(shù)還不會(huì)對(duì)水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，是目前卷煙廠空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能改造的重要技術(shù)手段之一。

表冷器是一種重要的設(shè)備，在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過對(duì)空氣進(jìn)行冷卻除濕處理，來(lái)確保室內(nèi)空環(huán)境參數(shù)處于標(biāo)準(zhǔn)值，通過根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)冷水溫度進(jìn)行修正有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，冷水溫度設(shè)定參照表2所示。

表2 冷水溫度設(shè)定

在基于冷水機(jī)組變水溫的節(jié)能原理下，一方面提高了制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度，另一方面還有效提升了壓縮機(jī)的壓縮效率，提升了冷水機(jī)組的使用性能。

通過結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過程中空調(diào)系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)分析得出，基于變水溫調(diào)節(jié)技術(shù)改造的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著（見表3）?？梢?，變水溫技術(shù)的應(yīng)用，極大地提升了空調(diào)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)還有效減少了空調(diào)系統(tǒng)額外的再熱再濕能源消耗，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表3 改造前后空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能情況

4.3 基于溫濕度分開控制技術(shù)的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)

對(duì)于卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)，通常夏季除濕工況溫濕度控制標(biāo)準(zhǔn)為t=26℃，h=60%，送風(fēng)溫度為20℃。對(duì)于一些極端氣候地區(qū)，卷煙廠空調(diào)機(jī)械除濕工況系統(tǒng)能耗較高，以往一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)利用7℃冷卻水冷卻空氣，確?？諝鉁貪穸鹊陀谒惋L(fēng)溫度，而后再通過加熱器、加濕器實(shí)現(xiàn)濕熱補(bǔ)償，保證空氣參數(shù)滿足送風(fēng)要求，需要耗費(fèi)大量再生熱源，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗高，而二次回風(fēng)系統(tǒng)在控制精度方面存在問題，制約了該技術(shù)的發(fā)展。近幾年，熱濕獨(dú)立控制技術(shù)得到了進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用，該技術(shù)是采用將表冷器分置、熱濕分控方案，結(jié)合地區(qū)氣候特征，對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行改造。

通過將多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的表冷器劃分為2組，由2個(gè)表冷閥分別進(jìn)行控制，一組作為除濕表冷器，另一組作為降溫表冷器，上部表冷器與加熱段一同作為溫度調(diào)節(jié)手段，下部表冷器用于系統(tǒng)濕度的單獨(dú)控制，結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況來(lái)驗(yàn)證溫濕度分控技術(shù)的節(jié)能效果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，改造前冷水耗能量在5612.22kWh，蒸汽耗能量在509.26kWh，而基于溫濕度分開控制技術(shù)的空調(diào)能耗量在4413.18kWh，蒸汽耗能量在359.69kWh，總節(jié)能可達(dá)22.03%，具有較佳的節(jié)能效果，與此同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)控制精度好，普適性強(qiáng)，不足要對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的大幅度更改，投入成本低，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)在卷煙廠總能耗中占有較大比重，針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，提升系統(tǒng)節(jié)能效果是提升卷煙廠經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的關(guān)鍵抓手。目前，卷煙企業(yè)針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造已開發(fā)多項(xiàng)新興技術(shù)，其中新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)可有效解決一次回風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生再熱等問題，但成本高；變水溫調(diào)節(jié)技術(shù)可有效節(jié)省系統(tǒng)能耗，但操作復(fù)雜；表冷器分置溫濕度分控技術(shù)是基于二次回風(fēng)系統(tǒng)的理念設(shè)計(jì)的，該節(jié)能方案簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，適用范圍廣，但控制精度方面還需要進(jìn)一步提升。今后卷煙廠空調(diào)節(jié)能技術(shù)方面還要注重細(xì)節(jié)處理，深度挖掘空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件的節(jié)能潛力，并結(jié)合各個(gè)地區(qū)不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特征，提出科學(xué)的節(jié)能運(yùn)行策略和控制技術(shù)參數(shù)。