昆明卷煙廠常年供冷車間供冷模式的經濟比較

吳 敏 ，楊 浩

(1.重慶太和空調自控有限公司，重慶400025；2.紅塔煙草(集團)有限責任公司，云南玉溪623100)

1 冷卻塔供冷

南方地區卷煙廠聯合廠房各車間的冷負荷特性是不同的，通常由于工藝設備較多，卷接包車間、膨脹煙絲車間、濾棒成型車間等發熱量較大，需常年供冷，而儲絲房、成品庫、輔料庫、貯葉房等冷負荷較小，需夏季供冷、冬季加熱。同時，卷煙生產和輸送過程中，煙絲往往從周圍空氣中吸收水份，造成車間濕負荷接近于0，因此，卷煙廠常年供冷車間熱濕比呈現+∞的趨勢。常年供冷車間室內溫度設計范圍為22(冬)～25(夏)±2℃，相對濕度設計范圍為60(全年)±5%。

根據室內設計狀態點和ε=+∞的熱濕比,由焓濕圖可知對應夏季室內狀態點的最低送風溫度為18℃,對應冬季室內狀態點的送風溫度為15℃。考慮到制冷時室內溫度升高有利于節能，全年建議用夏季室內狀態點，現以18℃作為冬季送風溫度進行分析。根據空調機表冷盤管的換熱特性，對應18℃送風溫度的冷水供水溫度應在13℃左右。

一般而言，額定工況下冷卻塔的出水溫度比空氣濕球溫度高5℃左右。如采用冷卻塔直接供冷，對應的冷水溫度為13℃，空氣濕球溫度為8℃。由于此種方式冷水為開式循環，容易造成空調機表冷器銅管氧腐蝕及結垢，故一般采用板式換熱器間接供冷，冷卻塔出水由冷卻水泵壓進板換一次側再流回冷卻塔，空調機表冷器出水由冷水泵壓進板換二次側再流回空調機表冷器。這樣可避免空調機銅管腐蝕及結垢，但由于板換傳熱存在2℃的溫差，因此板換二次側出水溫度為13℃，冷卻塔出水溫度為11℃，空氣濕球溫度為6℃。根據文獻[2]昆明市標準年氣象參數據庫中“昆明市標準年空氣濕球溫度全年變化趨勢圖”和“昆明市標準年各級濕球溫度頻數統計圖”，可知昆明市全年室外空氣濕球溫度小于6℃的時間1 080 h計45 d(圖1、圖2)。

圖1 昆明市標準年空氣濕球溫度全年變化趨勢

圖2 昆明市標準年各級濕球溫度頻數統計

昆明卷煙廠動力中心冷站配4臺雙效蒸汽型吸收冷水機組，總裝機容量為4×4 069 kW。昆明卷煙廠冬季常年供冷車間空調系統所需冷量的為動力中心冷站總裝機容量的30%左右(據不完全統計，南方地區卷煙廠各季常年供冷車間空調系統所需的冷量為動力中心冷站總裝機容量的15%～30%左右)。因此，動力中心二臺吸收冷水機各配置1臺板換及對應的旁通管路系統。系統進入冬季運行工況，由控制器判斷室外空氣濕球溫度是否小于或等于6℃,滿足時,由常規冷水機供冷模式切換到冷卻塔供冷模式,并開啟和關閉對應管路上的季節切換電動閥。

1.1 冷卻塔冬季供冷工況熱工計算及系統運行分析

動力中心制冷站二臺溴化鋰冷水機組備配置一臺板式熱交換器及對應的管路系統。每臺板式熱交換器一次側與二次側設計溫差為8℃，換熱量按一臺冷水機組相同的制冷量進行設計，即4 069 kW。二次側(冷水)流量為700 m3/h,一次側(冷卻水)流量為1 302/2 m3/h,冷卻塔冬季供冷運行工況的冷卻水出水溫度按11℃設計，板式換熱器二次側至空調機的供水溫度按13℃設計，回水溫度按18℃設計。

冷卻塔一般按夏季工況下為冷水機組散熱進行的設備選型，夏季工況下冷卻水進出水設計溫度為37.5℃/32℃，昆明市夏季空調設計干球溫度為25.8℃,濕球溫度為19.9℃。當冷卻塔用于冬季供冷時,其出水溫度按上述分析為11℃,冬季冷卻塔供冷運行模式下仍然利用現有的冷卻塔和冷水泵、冷卻水泵,因此冷卻水流量和冷卻塔風量保持不變。

冷卻塔運行時,水—空氣在冷卻塔內部進行換熱,并滿足如下能量平衡式:

Qw=LwCw(tw1-tw2)

(1)

QA=G(i2-i1)

(2)

Qw=QA

(3)

式中:QW為循環水在冷卻塔中被冷卻的熱量,即冷卻塔從循環冷卻水中帶走的熱量(kcal/h)；QA為空氣在冷卻塔被加熱,加濕帶走的熱量(kcal/h)；LW為冷卻塔循環水量(m3/h)；GW為水的定壓比熱(1kcal/kg℃)；tw1、tw2為冷卻塔循環水進出水溫度；G為冷卻塔通風量(kg/h)；i2、il為冷卻塔空氣進出口焓值(kcal/kg干)。

1.2 冬夏兩季供冷工況

下述分析假定空氣經過冷卻塔的出風達到最佳熱交換下的狀態點，即相對濕度為80%，出風干球溫度為冷卻水的進水溫度，以此來判斷現有冷卻塔是否能滿足冬季供冷工況的換熱能力。冬季冷卻塔進風參數采用昆明地區3月份的月平均干球溫度14.9℃和月平均濕球溫度8.4℃。

1.2.1 夏季供冷工況

冷卻塔進風溫度為25.8℃,進風濕球溫度為19.9℃,進風焓i1=67.5 kcal/kg干。

冷卻塔冷卻水進水溫度37.5℃,冷卻水出水溫度32℃,冷卻塔出風溫度37.5℃,冷卻塔出風相對濕度80%,冷卻塔出風焓i2=147 kcal/kg干。

1.2.2 冬季供冷工況

冷卻塔進風溫度14.9℃,進風濕球溫度8.4℃,進風焓i3=30kcal/kg干。

假定冬季冷卻塔冷卻水流量為夏季的50%,根據公式(1)計算，即：

4069×860=1302/2×1000(tw1-11)

冷卻塔冷卻水進水溫度tw1：

冷卻塔出風溫度為16.4℃,冷卻塔出風相對濕度80%,冷卻塔出風焓i2=46.4 kcal/kg干。

冷卻塔冷卻水出水溫度:tw2=11℃。

按夏季工況:冷卻水流量1 302 m3/h,冷卻塔冷卻水進出水溫差5.5℃.冷卻水進水溫度37.5℃,冷卻水出水溫度32℃,大氣濕球溫度27℃,查上海金日冷卻塔樣本,選擇1組橫流式冷卻塔,型號為KSD-N2000,為4個500RT的橫流式冷卻塔,體積風量為796 800 m3/h,質量風量為772 896 kg/h,冷卻水額定流量1 468.8 m3/h,電機功率5.5 kW×8。

冬季冷卻塔總風側散熱量QA=G(i2-il)=772896×(46.4-30)=12675494 kcal/h=14 739 kW

1.3 冬季冷卻塔運行選擇

冬季運行2個500RT橫流式冷卻塔(對應1臺制冷量為4 069 kW的板換)，總風側散熱量7 369 kW，總水側冷卻水流量1 302/2 m3/h,冷卻塔冷卻水進水溫度16.4℃，冷卻塔冷卻水出水溫度11℃，電機功率4×5.5 kW。

(1)板式換熱器選擇。

一次側(冷卻塔冷卻水回路):板換進水溫度11℃,板換出水溫度16.4℃,冷卻水流量1 302/2 m3/h。

二次側(空調機冷水回路):板換進水溫度18℃,板換出水溫度13℃,冷水流量700 m3/h。

計算算術平均溫差

(2)確定傳感器熱系數K。

假定二次側冷水流速vc=0.2 m/s,則一次側冷卻水流速vh=0.2×1.08=0.22 m/s(二次側冷水溫差Δt=18-13=5℃,一次側冷卻水溫差Δt=16.4-11=5.4℃,則5.4/5=1.08),查圖4.4-12(文獻[1] P201),得：

K=3100 W/m2·℃

(3)所需換熱面積F。

換熱量Q=(1302/2)×1000×1×(16.4-11)=3515400 kcal/h=4 088 kw符合要求。

驗算傳熱系數K:

板換換熱面積為732.6 m2,總片數1 017片,型號BR70。

(4)一、二次水側阻力。

一次側冷卻水平均溫度13.7℃(冷側),二次側冷水平均溫度15.5℃(熱側)，查圖4.4-13(文獻[1] P201),根據冷側冷卻水流速0.19 m/s,熱側冷水速度0.21 m/s,查得一次冷卻水側阻力為0.001 8 MPa(0.18 mH2O)，二次冷水側阻力為0.0018 MPa(0.18 mH2O)。

冬季總換熱量為4 882 kW,考慮板換易結垢,不易清洗,選擇換熱量為4 069 kW/臺換熱面積732.6 m2/臺,總片數1 017片/臺,型號BR70/臺,2臺板換。

(5)季節切換電動開關蝶閥選擇。

溴化鋰吸收冷水機組冷卻水進水管DN450電動開關蝶閥1個,冷水出水管DN450電動開關蝶閥1個。

板換:一次側(冷卻水)板換進水管DN450電動開關蝶閥1個,二次側(冷水)板換進水管DN450電動開關蝶閥1個。

共2臺板換,2臺溴化鋰吸收冷水機,故共8個DN450電動開關蝶閥。

綜上所述,考慮板換易結垢影響換熱，應考慮適當放大傳熱面積，冷卻塔冬季供冷運行情況如下：

一組冷卻塔(4個500RT橫流式冷卻塔)。

冷卻水流量1 302 m3/h。冷卻水進水溫度16.4℃,冷卻水出水溫度11℃,冷卻水出水溫度11℃,電機功率8×5.5 kW。

2臺板式換熱器(換熱量4 069 kW/臺)。

1臺冷卻水泵,冷卻水流量1302 m3/h,電機功率160 kW。

2臺冷水泵,總冷水流量1 400 m3/h,電機功率2×110 kW。

(6)冬季運行能耗分析如表1。

表1 冷卻塔冬季運行能耗分析

上述節能效果分析假定冷站溴化鋰冷水機組在冬季工況時采用變水溫節能運行,冷水供水溫度為13℃,和額定工況(冷水供水溫度7℃)相比,每提高1℃節能3.5%。利用冷卻塔供冷時,在設計管路系統應注意冷卻塔、冷卻水泵、冷水泵、冷水機組均應并聯。冷卻塔供冷由于增加了2臺板換,季節切換電動閥、旁通管路等，初投資增加440萬元。

2 空調機新風供冷

全年室內狀態點為溫度25℃,相對濕度60%,對應的送風狀態點為溫度18℃,焓值為48kg/kg干,絕對含濕量為12g/kg干,相對濕度為95%。當新風焓小于表冷器露點焓(與送風點焓相同)時進行新風供冷、蒸汽加濕,新風焓大于或等于表冷器露點焓(48kg/kg干),進行冷水供冷、蒸汽加熱。

2.1 一次混和點絕對含濕量

式中:G1為回風風量(kg/h)；Gw為新風風量(kg/h)；G為送風風量(kg/h)；dNo為室內設計狀態絕對含濕量(g/kg干)。按室內溫度25℃,相對濕度60%,查焓濕圖知dNo=12 g/kg干；dw為昆明地區1月、2月、3月、4月1日～4月13日、11月13日～11月16日、12月18日～12月31日的室外日平均含濕量dw=5.8g/kg干,新風比變化為0.2～1。

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

一次混和點絕對含濕量平均值為:

=8.28 g/kg干

冷卻塔供冷模式:

平均含濕量差Δd=dNO-dc=12-10.76=

1.24 g/kg干

全新風供冷模式:

平均含濕量差Δd=dNO-dw=12-5.8=6.2 g/kg干

新風線性增加供冷模式:

根據上述參數作常年供冷車間蒸汽加濕量計算如表2。

表2 常年供冷車間蒸汽加濕量

2.2 新風供冷運行時間

由上述可知卷煙廠常年供冷車間空調機送風點溫度18℃, 送風相對濕度95%,送風濕球溫度17℃,當室外新風為全新風,新風濕球溫度為17℃,新風供冷結束,轉為冷水機組供冷。查“昆明市標準年空氣濕球溫度全年變化趨勢圖”知新風濕球溫度小于17℃的時間為270 d,由于空調設備運行時間為每天18 h,故新風供冷運行時間為4 860 h,其余時間各種模式運行,方式相同(冷水機組供冷,新風比m=0.2)，故只比較4 860 h的運行成本。所有模式空調機風機電耗相同,故不計空調機風機運行成本。

溴化鋰冷水機組供冷模式在4 860 h運行有810 h需開冷水機組,冷水供水溫度為13℃，新風比m=0.2。其余4 050 h采用新風線性增加供冷,新風比m由0.2線性增加到1,不開冷水機組。

冷卻塔供冷模式在4 860 h運行時有810 h無需制冷機,只由冷卻塔供冷,冷水供水溫度為13℃,新風比m=0.2。其余4 050 h采用新風線性增加供冷,新風比m由0.2線性增加到1,不開冷水機組。

新風線性增加供冷模式在4 860 h運行時,無需制冷機,新風比新風比m由0.2線性增加到1。

全新風供冷模式在4 860 h運行時,無需制冷機,新風比m=1。

3 常年供冷車間全年運行費用

(1)溴化鋰冷水機組供冷運行成本L1。

L1=470841+2.867×810×110+8.6×4050×110=455.759萬元

(2)冷卻塔供冷運行成本L2。

L2=171720+2.867×810×110+8.6×4050×110=425.847萬元

(3)全新風供冷運行成本L3。

L3=14.334×4860×110=766.296萬元

(4)新風線性增加供冷運行成本L4。

L4=8.6×4860×110=459.756萬元

由上述分析可知:昆明卷煙廠常年供冷車間全年運行費用由低到高依次為冷卻塔供冷、溴化鋰冷水機組供冷、新風線性增加供冷、全新風供冷。冬季冷卻塔供冷模式比溴化鋰冷水機組供冷模式每年可節約29.91萬元,冷卻塔供冷模式需增加220萬元初投資，投資回收期為7.36年。冷卻塔供冷初投資主要為板換的費用，如板換的使用年限低于7.36年,冬季采用冷卻塔供冷就不合理。反之,則合理。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社出版，2008

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業出版社,2005