卷煙廠生產空調系統節能機會淺析及應用

舒欣，何寅，王虎，褚文勇

（浙江中煙工業有限責任公司杭州卷煙廠，浙江 杭州 310024）

隨著我國煙草行業“十一五”易地技術改造的實施，整體裝備水平大幅提高。卷煙廠中央空調系統是卷煙廠生產車間工藝溫濕度環境保證的重要設施，一般由聯合工房大型生產工藝空調和動力車間制冷機組及相關冷水管道、閥門組成。根據卷煙廠能管平臺數據統計，每年中央空調系統的能耗占全廠綜合能耗的50%以上，其中制冷機、水泵等設備的能耗占到空調能耗的40%以上；工藝空調的蒸汽能耗占空調能耗的60%以上，存在巨大的節能潛力和空間。

1 提高制冷機供水溫度節能點

卷煙廠空調系統一般設計工況是7℃/12℃冷凍水供回水溫，制冷機供水溫度也是設定在7℃。但是，在空調系統的全年實際運行過程中，由于受氣象條件等因素變化的影響，空調系統的逐時負荷是小于設計負荷的。而冷凍水溫度越高，制冷機組的制冷效率就越高。冷凍水供水溫度提高l℃，制冷機組的制冷系數可提高3%，即可節能3%左右的運行能耗，如圖1 所示。因此，可以根據空調系統負荷的變化，在部分負荷時段調整制冷機組供水溫度可以帶來節能機會。

圖1 離心式制冷機組的特性曲線圖

在過渡季節，車間溫濕度控制難度較低時改用較高的冷水出水溫度，則可以得到明顯的節能效果，也可以消除空調末端機組可能會發生過渡除濕、除濕后再加濕、冷熱抵消等能耗浪費現象。

在過渡季節5～6 月，卷煙廠根據室外天氣情況由制冷機原設定7℃水溫適當提高至9℃或10℃，按工業用電0.8元/kW·h 計算，其節能效果如表1 所示。

表1 5～6 月制冷機水溫設定9℃節能統計

從表1 可以看出，在適當提高制冷機冷凍水出水溫度后，節能效果明顯，機組能效COP（COP=制冷量/機組功率）較歷年同期平均4.15 提高至4.25，僅2 個月節能收益就達3萬余元。

2 冬季冷卻塔供冷系統節能點

卷煙廠為解決冬季制冷機組“大馬拉小車”的能源浪費現象，在冬季可利用自然冷源：設置冬季冷卻塔供冷系統，代替制冷機組提供空調系統所需要的冷水。冷卻塔供冷系統裝設一個板式換熱器，將冷卻水環路和冷水環路隔開，依靠板式換熱器來進行能量的傳遞，如圖2 所示。

圖2 冷卻塔供冷系統圖

冷卻塔供冷是空調制冷系統節能降耗的一種形式，當室外空氣濕球溫度低于某個值時，關閉冷水機組，以流經冷卻塔的循環冷卻水間接向空調末端系統供冷，以減少高能耗的制冷機組運行時間。

卷煙廠制冷系統經過冷卻塔間接供冷技術改造后，冬季冷卻塔供冷運行工況下，制冷機組額定工況下的COP 值（額定COP=額定制冷量/額定機組功率）為4.37，工業用電成本按0.8 元/kWh 計算。冬季冷水機組變水溫運行模式與冷卻塔供冷運行模式的能耗對比見表2 所示。

表2 冷卻塔供冷運行模式節能效果統計

由表2 可知，僅采用冷卻塔供冷模式12 月至次年3 月總4 個月，制冷系統提升COP 至均提高至6 以上。如未做改善前，總制冷量一定的前提下，4 個月總計節約33.4 萬余元。

3 空調系統微霧加濕節能點

空調空氣溫濕度調節主要通過降溫、除濕、升溫、加濕等過程來滿足生產車間溫濕度的設定要求。其中，為實現空氣的加濕調節過程，需要消耗大量的加濕蒸汽。工藝空調微霧加濕系統工作原理是利用高壓微霧加濕泵站系統將供應的自來水加壓至8MPa，并輸送至空調內部的高壓噴嘴，進行噴霧，加濕空氣，送入車間，滿足工藝需求，如圖3 所示。其有加濕效率高、加濕量大、維護量低等性能特點。

圖3 空調機組內微霧加濕原理圖

工藝空調微霧加濕系統由高壓微霧加濕泵站和空調內部噴霧系統組成。高壓微霧加濕泵站一般采用高壓柱塞泵將進水加壓至8MPa，并對水壓進行自動化調節,對目標空間進行濕度測量、顯示與控制。空調內部噴霧系統一般采用高精細特制的專業噴嘴及耐高壓管路,力使霧化效果達到最佳,單個噴嘴的水霧流量在3～6kg/h。

相對傳統的工藝空調干蒸汽加濕方式，微霧加濕僅僅利用自來水，大大節約了能耗。卷煙廠卷接包車間空調高壓微霧加濕投入使用以來，按蒸汽約360 元/t 計算，其節能效果統計如下表3 所示。

表3 部分空調微霧加濕和蒸汽加濕節能統計

由表3 可以看出，改造后下半年比同期改造前下半年蒸汽耗量降低1474.41t，直接經濟收益達53 萬余元，僅半年的節能效果十分顯著。

4 空調變溫濕度區間控制策略節能點

空調調節系統的基本要求是維持空調房間內的空氣達到要求的空調溫濕度參數，并且允許在微小范圍內波動。卷煙廠生產工藝對卷包車間空調的溫濕度控制精度標準為：溫度22±2 ℃，相對濕度58±4%。此區域的溫濕度控制目標中心值為：溫度22℃，濕度58%。那么按空調PID 控制原理其受控溫度走勢如圖4 所示。

圖4 空調溫度中心值受控走勢圖

由圖4 可以看出，受控溫度低于控制中心值22℃并接近溫度下限20℃時，加熱閥打開加熱使受控溫度上升后關閉；受控溫度高于控制中心值22℃并接近溫度上限24℃時，表冷閥打開制冷使受控溫度降低后關閉，如此反復。

其實在不影響工藝操作條件下，為降低空調能耗，夏季生產區域設定溫度可以上調，冬季可以下調。在保障空調系統穩定運行的情況下，盡量減少各閥門開度和動作時間，以減少制冷冷凍水和加熱、加濕蒸汽的能耗。以卷包車間溫度控制為例，其控制策略如圖5 所示。

圖5 空調變溫度區間控制策略

如圖5 所示，當環境受控溫度處于程序內設定的安全區間內，則溫度設定值處于變動跟隨狀態，不執行PID 控制；當受控溫度升高偏出安全區間，達到上限a 點則溫度設定值設定為程序內規定的上限值，PID 控制執行，a 點至b 點期間表冷閥開啟制冷，使溫度值達到安全區間內控制；當受控溫度降低偏出安全區間，達到下線a’點則溫度設定值設定為程序內規定的下限值，PID 控制執行，a’點至b’點期間加熱閥開啟制熱，使溫度值達到安全區間內控制。濕度的控制策略亦如此。

11 月份第二周對卷接包車間空調進行控制程序修改：由溫濕度中心值控制更改為變溫濕度區間控制，并與第一周進行了空調能耗對比實驗，如表4 所示。

表4 卷包車間空調溫濕度控制策略節能比較

由表4 可以看出，使用變溫濕度區間控制的卷包車間空調機組各項能源消耗均有所下降，日均空調綜合單耗由0.94標煤/萬支下降至0.73 標煤/萬支。如推廣至全廠生產空調使用變溫濕度區間控制，那么節能效果巨大。

5 結語

根據以上的制冷空調系統的節能機會分析，并實施相應的改造都取得了顯著的成效。

其中，相應的節能改造還應在保障基本參數達標和車間正常生產的情況前提下進行，并提出以下建議以供參考：

（1）應按空調機組的制冷、除濕需求來適當提高制冷機組的冷凍水溫度，使制冷機組的能耗降到最低。

（2）冷卻塔間接供冷技術是適用于過渡季或冬季室外空氣濕球溫度較低的場合。

（3）空調高壓微霧加濕系統可采用雙級泵組變頻控制高壓微霧加濕水源，以解決加濕供水壓力不穩定和供水量不足的問題。

（4）實際運行中生產區域空調溫濕置信度要求低的區域，溫濕度可以在工藝允許范圍內采用變溫濕度區間控制運行。