某卷煙廠工藝循環冷卻水系統節能措施探討

楊亞博 李俊昆

（云南省設計院集團有限公司 昆明 650228）

0 引言

濾棒成型機、高速卷包機及包裝機是卷包車間生產過程中的重要設備，設備運行過程中，其壓條、電機、油箱、煙槍等部位需進行冷卻處理。當前卷煙廠工藝設備常見的循環冷卻水系統一般有兩類：一類為工藝設備自帶冷水機組（獨立冷源），一類為集中冷源對多臺工藝設備提供工藝循環冷卻水。設備自帶冷水機組系統因熱量直接排入車間，使卷煙廠車間空調系統負荷超載，影響空調設備的正常運行；集中冷源的工藝冷卻水系統存在如系統配置容量大、運行能耗高、調節能力差等問題。本文以選用集中冷源工藝循環冷卻水系統的卷煙廠為研究對象，根據項目所在溫和地區的氣象條件、發熱設備冷卻需求，尋求一套能保證工藝設備穩定運行、積極應對室外氣候變化、在不同工況條件下均能實現節能運行的工藝循環冷卻水系統設計方案。

1 項目概況

1.1 項目背景

該卷包車間配備13 臺濾棒成型機散熱量為114kW、28 臺高速卷包機散熱量為448kW、15 臺包裝機散熱量為135kW，工藝設備總散熱量為697kW；設備發熱部位要求工藝冷卻水溫：18～22℃。原工藝循環冷卻水系統，采用與車間中央空調冷凍水系統合用的方式，該系統在夏季室外溫度較高、車間空調需求較大時，無法保證工藝設備正常運行，而在過渡季節和冬季，未能利用較低室外溫度的節能潛力，致使車間中央空調冷水機組長期偏離設計工況運行，能耗高，運行經濟性差。現對該車間工藝循環冷卻水系統進行改造，系統要求：集中式冷源并獨立設置，運行穩定、節約能耗。

1.2 項目室外氣象條件

卷煙廠位于云南省溫和地區5A 區，最冷月平均氣溫：0℃＜tmin.m≤13℃，最熱月平均氣溫：18℃＜tmax.m≤25℃，其典型氣象年各級濕球溫度頻數如圖1 所示（數據來源：中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[1]）。因卷煙廠生產車間運行時間為8:00am 至12:00pm，故圖1 所列濕球溫度頻數僅取車間運行時間段內，全年共計5840 小時。

圖1 全年各級濕球溫度頻數Fig.1 Annual wet-bulb temperature frequency at all levels

根據全年各級濕球溫度頻數圖分析，該地區室外濕球溫度相對較低，可利用蒸發冷卻手段實現節能運行。工藝循環冷卻水出水溫度設計值：tg=18℃，（供回水溫差5℃），間接蒸發式冷卻（閉式冷卻塔）逼近度：A=5℃[2]，即當室外濕球溫度：tw2≤13℃時，可實現冷卻塔免費供冷，如圖1 所示，該地區tw2≤13℃全年共1729 小時，占全年供冷時數的30%，近1/3 時間可關閉冷水機組，僅利用天然冷源提供工藝循環冷卻水。

通常冷卻塔以夏季標準運行工況（冷卻水進出水溫為37/32℃）設計選型，當冷卻塔用于冬季直接供冷時，需對其冷卻能力進行校核，假設冷卻塔進出水溫差不變，經冷卻塔的出風可達到最佳換熱狀態點[3]，出風干球溫度為冷卻水進水溫度，相對濕度為80%。

式中：Ql為冷卻塔夏季制冷量，kW；k為冷水機組制冷時耗功的熱量系數，取1.2～1.3 左右，Q0為系統制冷，kW；W為循環冷卻水流量，m3/h；Cpf為水的定壓比熱，kJ/kg·℃；tf1、tf2分別為冷卻塔進出口水溫，℃；ρ1、ρ2分別為水和空氣的密度，kg/m3；QA為冷卻塔空氣側換熱量，kW；G為冷卻塔通風量，m3/h；h1、h2分別為冷卻塔進出口空氣狀態點焓值，kJ/kg。

夏季冷卻塔進風參數取空調室外計算干球溫度30.7℃，室外計算濕球溫度22.0℃，進風焓值為71.8kJ/kg，出風狀態點焓值為135.88kJ/kg，如上所述，以冷卻塔直接供冷的轉換溫度（室外濕球溫度13℃）為冬季進風狀態點參數，其相對濕度取該地冬季（12月～2月）月平均相對濕度66.4%，進風焓值為40.8kJ/kg，出風焓值為73.0kJ/kg。因冬季冷卻塔供冷量為工藝系統制冷量，不考慮熱量系數，由式（1）可知冷卻塔在夏季工況運行時的循環水量高于冬季運行，而將各點參數代入式（2），計算得冬季冷卻塔供冷的通風量高于夏季，因此在利用冷卻塔冬季直接供冷的方案設計中，應根據具體運行策略選擇合適的冷卻塔型號，以滿足系統全年運行要求。

2 工藝循環冷卻水系統方案分析

2.1 方案一：高溫水冷冷水機組+閉式冷卻塔系統設計

根據工藝設備高溫冷卻水的需求以及溫和地區中等濕度的氣候條件，設計初期，工藝循環冷卻水擬定方案為：高溫水冷冷水機組+橫流閉式冷卻塔供冷，冷水機組選用螺桿式壓縮機、滿液式蒸發器、臥式管殼冷凝器，為滿足在“免費供冷”工況下的工藝設備水質需求，以及廠區的用水條件、避免出現飄水等現象，設計選用閉式冷卻塔。同時，卷煙廠對設備生產運行的穩定性有著較高的要求，考慮溫度波動對工藝設備的影響，在冷卻水供回水路中添加溫度恒定的儲水箱，有助于冷卻水系統水量及溫度調節。方案一工藝循環冷卻水系統主要流程如圖2 所示。

圖2 方案一工藝循環冷卻水系統流程圖Fig.2 Scheme I circulation cooling water system flow chart

綜合可利用自然資源冷卻時間，當tg設定值為18℃，在tw2≤13℃時，可關閉冷水機組，利用閉式冷卻塔提供的冷卻水即可滿足工藝設備的降溫要求，冷卻塔的冷卻水流量為循環水系統的流量。

當tw2＞13℃時，僅利用閉式冷卻塔無法提供系統全部冷卻量，此時需開啟冷水機組制冷，但通過分析不難發現，在13℃＜tw2≤20℃的溫度區間內，蒸發冷卻手段仍具有可觀的冷卻能力，因而方案一在該溫度區間，由于冷水機組、冷卻循環水泵、閉式冷卻塔的持續運行，整個工藝循環冷卻水系統并沒有達到節能最大化，由全年各級濕球溫度頻數圖可知，每年有3293 個小時處于13℃＜tw2≤20℃的區間，所以該冷卻水系統尚有節能提升空間。

基于上述分析，以室外濕球溫度tw2的劃分作為工藝循環冷卻水系統運行策略的依據，把方案一的兩種運行工況繼續細分為三種運行工況，即工況一：tw2≤13℃、工況二：13℃＜tw2≤20℃、工況三：tw2＞20℃；在肯定工況一共1729 小時閉式冷卻塔“免費制冷”所帶來的節能成效下，著重挖掘工況二區間內的節能潛力。

2.2 方案二：蒸發冷卻式冷水機組+閉式冷卻塔系統設計

當室外濕球溫度在14～19℃區間內時，閉式冷卻塔的出水溫度小于工藝循環冷卻水系統回水溫度，閉式冷卻塔仍然對循環冷卻水有降溫作用，雖在該區間內冷卻水溫降不大，但考慮到每年有3293個小時在該區間內運行，所帶來能耗的節省和生產經濟價值是不容小覷的，為使蒸發冷卻原理利用最大化，提出第二種解決方案：蒸發冷卻式冷水機組與閉式冷卻塔協同制冷，冷水機組的蒸發式冷凝器工作原理與閉式冷卻塔相似，噴淋水在冷凝盤管上形成水膜，同淋水側不飽和空氣接觸，在水蒸氣分壓力差的驅動下，噴淋水蒸發吸收盤管內工藝冷卻水熱量，兼具水冷冷卻換熱性能好和風冷冷卻節水的優勢[5]。方案二工藝循環冷卻水系統主要流程如圖3 所示。

圖3 方案二工藝循環冷卻水系統流程圖Fig.3 Scheme Ⅱcirculation cooling water system flow chart

此方案運行工況一與方案一的運行工況一設置相同，當tw2≤13℃時，工藝設備冷負荷全部由閉式冷卻塔承擔，冷卻塔冷卻能力隨室外濕球溫度的降低而增大，冷卻后的循環水同來自工藝設備的回水在儲水箱混合，系統通過監控冷卻水出口溫度、流量等信號，調控冷卻風機及噴淋水泵的轉速及啟停，在保證儲水箱溫度恒為18～22℃的前提下，僅用少量功耗實現工藝設備的使用要求。

因蒸發冷卻式冷水機組自帶冷卻風機和循環水泵，無需外加冷卻塔可獨立運行，所以當冷卻塔直接供冷冷量不足，但仍有可利用的冷卻能力時，冷水機組與閉式冷卻塔可以同時作為工藝循環冷卻水系統的冷源。設定工況二：13℃＜tw2≤20℃，冷卻塔出水溫度低于工藝循環冷卻水回水溫度，且存在一定的差值，閉式冷卻塔與冷水機組啟動運行，冷卻水回水先經過閉式冷卻塔進行預冷，再進入冷水機組的蒸發器繼續冷卻，冷卻塔冷量不足部分由壓縮機制冷量補充，壓縮機僅在部分負荷工況下運行，從而降低運行能耗。隨著室外濕球溫度進一步升高，冷卻塔冷卻效益低于冷水機組，運行工況三：tw2＞20℃時，僅開啟蒸發冷卻式冷水機組，冷水機組供水溫度tg=18℃，工藝循環冷卻水經蒸發器換熱。

2.3 能耗分析

工藝循環冷卻水系統承擔負荷為車間工藝設備總散熱量697kW，循環水量為120m3/h，方案一選用1 臺制冷量為700kW，電功率為78.2kW（蒸發器出水溫度tg=18℃）的高溫水冷冷水機組，1臺循環水量為150m3/h 的閉式冷卻塔，耗電比為0.11kWh/m3，2 臺循環水量為131m3/h 的冷卻水循環水泵，電機功率15kW；方案二選用2 臺制冷量為365kW，用戶制冷工況下單臺總電功率為58.7kW 的蒸發冷卻式冷水機組，為方便對比，1臺同方案一參數相同的閉式冷卻塔，經式（1）、（2）校核所選的閉式冷卻塔滿足夏季供冷冷水機組冷卻水系統循環水量，可在tw2=13℃時滿負荷運行。以綜合制冷性能系數SCOP 衡量兩種方案的全年運行能耗情況，SCOP值計算如式（3）：

式中：H為系統總供冷時數，h；PiHi為第i種工況的耗電量，kWh；其中Pi為第i種工況下的總輸入功率，kW，輸入功率僅考慮冷水機組、冷卻水泵、冷卻風機的設備功率，Hi為對應工況下的供冷時數。兩種方案耗電量對比數據如圖4 所示。

如圖4 所示，造成方案一、二綜合制冷性能系數差異的是tw2＞13℃時不同的運行策略。當13℃＜tw2≤20℃，冷卻塔作為自然冷源的供冷量小于系統冷負荷，需要冷水機組輔助制冷，而方案一中冷水機組供冷模式與冷卻塔供冷模式不兼容，仍采用冷水機組供冷，運行能耗高，方案二通過閉式冷卻塔同冷水機組串聯運行，從而拓寬自然供冷溫度區間，使系統自然供冷量占總供冷量的比率由30%提高到58%；tw2＞20℃時，兩種方案均為冷水機組單獨供冷，方案一中高溫水冷冷水機組COP 值高于蒸發冷卻式冷水機組，但由于附加閉式冷卻塔風機及冷卻水泵功耗，其耗電量為89244kWh，方案二冷水機組耗電量為96033kWh，兩種方案在該供冷時段相差不大。綜上，通過利用冷卻塔在13℃＜tw2≤20℃溫度區間內的自然冷卻能力，即使蒸發冷卻式冷水機組COP 值略低，方案二自然供冷量的提升使得其SCOP 值高于方案一，節能優勢更顯著。

3 實際運行狀況

經與建設方溝通，以方案二為本次項目的設計方案，方案設計以室外濕球溫度為供冷模式切換依據，實際運行時室外濕球溫度波動可能導致冷水機組頻繁啟停等問題，因此上述分析僅作為工藝循環冷卻水控制系統的模式設置參考，筆者論述該論文時，系統已完成調試進入實際運行階段。

（1）工藝循環冷卻水控制系統納入卷煙廠動力集控系統，實現工藝冷卻系統運行參數的實時跟蹤，試運行階段初步設置3 種供冷模式，根據濕球溫度切換點自動切換，冷卻水系統采用最佳熱轉換效率控制，在環境溫度及工藝設備負荷變化時，計算蒸發式冷凝器、冷卻塔最佳熱轉換溫度及冷卻水最佳進出口溫度，調節循環水泵、冷卻風機的輸出功率，同時技術人員觀測運行流程圖中的冷卻水溫，系統當前運行時間及累計運行時間，機組啟停次數等，輔助優化不同模式的運轉選擇，節約系統總能耗。

（2）據設備運行狀態記錄，冬季閉式冷卻塔冷卻逼近度（A）約為2～3℃，遠低于設計值5℃，該地區實際自然冷卻潛力大于理論估計值，從節約能耗角度應盡量使用自然冷卻，使系統使用性能更佳。

（3）現因運行時間不足，卷煙廠動力集控系統還在調試優化階段，尚無法提供全年段的數據進行分析，待一定運行時間后，可結合集控系統采集的數據，論述更貼近長期運行情況的節能成效。

4 小結

（1）針對工藝循環冷卻水系統，本文從冷源配置、使用工況、運行能耗等因素對兩種方案進行對比分析，以最大化利用自然冷源為目的，將方案一的運行工況進一步細分，為滿足細分工況后條件，同時考慮簡化管路系統、縮短建設周期等因素，方案二設計選用蒸發冷卻式冷水機組。

（2）方案二較方案一運行能耗低，從而降低運行費用，減少投資回報時長，蒸發冷卻式冷水機組采用集成化設計，具備操作便利、易于調節、高可靠性、簡化后期檢修維護等優勢，充分發揮節能改造的應用潛力。

（3）結合項目實際運行數據，驗證了蒸發冷卻式冷水機組在溫和地區的高效性、可行性。