卷包車間空調機組控制策略改造研究與應用

中國城市發展規劃設計咨詢有限公司 劉 敏 曾 巍 陳曉春 郝 軍廈門煙草工業有限責任公司 蔡藍燕 曾 靜 徐建燎

0 引言

目前煙草行業的能源消耗主要由工藝生產設備、空調系統、除塵系統、空氣壓縮及真空系統等產生，其中空調系統具有控制精度高、風量大、能耗高、制冷機組全年運行周期長等特點[1-3]，其能耗通常能達到總能耗的30%～50%[4]，是卷煙企業節能工作的重要環節。實際調研發現，卷煙企業空調系統運行時主要存在空調參數控制精度過高、設備裝機容量過大、部分負荷調節能力差、空調機組的設置和控制與工藝設備運行不匹配等問題。

本文結合實際案例，基于卷包車間實際生產模式，將卷包車間人為劃分為不同空調區域，并在現有風管布置條件下，進一步優化空調機組的運行控制方式，實現空調運行與卷包生產相適應，同時根據實際要求調整室內空調參數控制精度，從而降低卷包車間空調運行能耗。

1 工程概況

該項目卷包車間建筑面積為11 102 m2，車間高度為15.9 m，為檢修方便，在高度6.05 m處設置鋁合金針孔板吸聲吊頂，吊頂上方為金屬格柵頂，所有的空調、工藝及動力管線全部安裝在鋼格柵上方。卷包車間設計溫濕度為：夏季(26±2)℃、(58±5)%；冬季(24±2)℃、(58±5)%。設計送風溫差為5.5 ℃。氣流組織方式為上送上回，送風口選用旋流風口，回風口為百葉風口。

卷包車間設置8臺組合式空調機組(kj1～kj8)，空調機組參數見表1。工藝設備布局為矩形分布，以圖1中走廊為界分為高速機區域(走廊下方FB1～FB7)、中速機區域(中間走廊上方EB1、EB2、EB4～EB10)。

表1 卷包車間空調機組參數

圖1 卷包車間工藝設備布局與空調機組劃分區域示意圖

2 研究思路

1) 通過現場調研、數據監測等手段收集卷包車間建筑概況、室內熱擾及設備作息、室內溫濕度監測數據、空調機組各閥門開度、風機運行頻率和功率等信息，判斷空調機組運行中存在的問題。

2) 分析空調溫度波動范圍、濕度波動范圍對空調能耗的影響，得出溫濕度參數及精度控制與空調能耗的關系。

3) 在滿足工藝溫濕度要求的前提下，當各空調機組服務范圍內卷包機組部分開啟時，關閉停運機臺上方的送風口閥門，確定空調送風量的范圍，作為制定空調控制策略的依據。

4) 提出卷包車間空調機組節能優化改造方案。

3 現狀分析

3.1 空調溫濕度精度控制過度

根據該廠技術中心對卷包車間溫濕度的要求，溫度控制精度為±2 ℃，相對濕度控制精度為±5%，但由于生產操作問題，卷包車間的實際控制過程中溫度波動范圍為(25.57±0.6)℃，相對濕度為(58±1.65)%。相比卷包車間設計溫度控制精度±2 ℃、相對濕度控制精度±5%，實際空調機組的溫濕度精度控制過度，導致空調能耗升高，以及蒸汽、冷水閥的頻繁動作。卷包車間室內溫度、相對濕度逐時變化情況見圖2、3。

圖2 卷包車間室內溫度逐時變化情況

圖3 卷包車間室內相對濕度逐時變化情況

建立不同方案下卷包車間能耗分析測算模型，計算節能量，如表2所示。相比實際控制精度，設計溫濕度控制精度下，每年可節約電能10.9萬kW·h及蒸汽293 t，節能率為5.5%。

表2 不同控制精度下空調能耗

3.2 空調運行與生產不匹配

從工藝設備布置和空調機組的對應關系分析，存在以下問題：

1) 空調機組所覆蓋的區域，設備布置數量及發熱源存在分布不均勻的情況，但是空調機組均采用統一的設備型號及送風狀態控制方式。

2) 根據車間的工藝生產班制及設備開啟情況分析，不同的卷包機組開啟率有較大差別，其中靠車間北側的中速機組開啟率相對較低，南側的高速機組開啟率較高。而空調機組仍保持均勻的送風控制方式，存在空調能耗浪費的情況。

3) 部分空調機組如kj1和kj8覆蓋區域有部分區域空置，該區域空調仍運行，無法實現單獨控制。

3.3 送風節能分析

考慮計算的可行性和準確性，各空調區域單獨進行分析，即計算某個空調區域負荷時，只建立該區域內的送回風模型及其服務的卷包機組模型。由于與相鄰空調區域之間的熱流邊界條件無法獲知，因此，將單個空調區域置于2種極端環境下：第一類環境是在典型夏季工況下，將單個空調區域置于整個卷包車間進行計算，此時得到的送風量為最大可能送風量Gmax；第二類環境是在典型夏季工況下，將單個空調區域置于周邊絕熱的環境進行計算，此時得到的送風量為最小可能送風量Gmin。預測出的空調送風量介于最大可能送風量Gmax和最小可能送風量Gmin之間，作為制定空調控制策略的依據。

3.3.1邊界條件設置

1) 卷包設備發熱量。

卷包設備散熱量Qs與卷包設備安裝功率N、除塵系統排風帶走的熱量Qp、生產冷水帶走的熱量Qc(高速卷包機組需要供應冷水)等有關，具體關系如下：

Qs=φ1φ2(N-Qp-Qc)

(1)

式中 φ1為卷包設備的有效作業率，反映單臺設備生產水平的高低；φ2為卷包設備的同時利用率，反映設備的同時使用情況。

設備的有效作業率指單位時間實際產出與生產設備的單位時間理論產出之比。當設備短暫停機或者低負荷運行甚至無法運轉時，設備的散熱量會相應地受到影響。卷包設備的綜合系數取0.85[5]。

根據卷包機組生產計劃，同時投入生產的機組最多為12臺。目前卷包車間設有17臺卷包機組，因此，卷包設備最大同時利用率為0.71。當僅考慮單臺設備發熱量時，同時利用率取1。

2) 卷包車間空氣濕度。

卷包車間的散濕量主要為人員散濕，設備及其他散濕可忽略不計。因此，在空調送風濕度不發生變化的情況下，各區域人員按照生產規律進行工作，分別開啟關閉對應區域的空調不會對其他區域的空氣濕度產生較大的影響和波動。因此，本文重點分析各空調區域的溫度和風速的變化情況。

3.3.2物理模型

考慮到模擬計算的可實現性，對卷包車間模型作如下簡化：1) 卷包車間采取上送上回的送風方式，且吊頂封閉，因此只取卷包車間吊頂下空間為研究對象；2) 卷包設備簡化為長方體的多孔介質，孔隙率取0.5。三維計算模型如圖4所示。

圖4 三維計算模型

3.3.3結果分析

以空調機組kj4為例，當送風量為原設計風量的70%時，夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為24.8～27.8 ℃，區域內風速在1.3 m/s以內，基本滿足設計要求；當送風量為設計風量的50%時，夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為25.1～27.1 ℃，區域內風速在0.86 m/s以內，基本滿足設計要求。因此，當卷包機組EB2關閉、其上方對應的送風口不送風時，預測夏季工況空調送風量為原設計送風量的20%～60%，即23 000～69 000 m3/h。計算結果見圖5～8。卷包車間各空調機組風量調節范圍見表3。

表3 卷包車間空調機組風量調節范圍

圖5 夏季工況kj4最大可能送風量模型1.8 m高度處溫度場

圖6 夏季工況kj4最大可能送風量模型1.8 m高度處速度場

圖7 夏季工況kj4最小可能送風量模型1.8 m高度處溫度場

圖8 夏季工況kj4最小可能送風量模型1.8 m高度處速度場

4 改造方案

4.1 調整空調參數控制精度

按設計要求的溫濕度控制精度，重新設置溫濕度傳感器的控制參數，溫度控制精度設為±2 ℃，相對濕度控制精度設為±5%。

4.2 部分負荷區域增設風量控制裝置

在空調機組kj1～kj5、kj8服務區域(中速機EB1、EB2、EB4～EB10與高速機FB1～FB7)增加風量控制調節閥(見圖9中圓點標注位置)，通過采集中速機(EB4～EB10)與高速機(FB1～FB7)的開機信號，判斷風閥的動作方式，包括風閥的調節位置(全開/比例開啟/關閉)。

圖9 風量控制調節閥布置圖

現場排查發現，kj8空調機組本身設置有風閥，但缺少電動執行裝置，因此在原風閥基礎上增加電動執行器(見圖10中圓點標注位置)。通過采集中速機EB1與EB2的開機信號，判斷風閥的動作方式，包括風閥的調節位置(全開/開啟比例/關閉)。

圖10 風閥電動執行器布置圖

4.3 閑置設備區域關閉風口

在kj1覆蓋的區域中南側區域無生產設備，且無人員固定工作崗位，因此，關閉kj1覆蓋的南側區域內的14個送風口。

4.4 空調機組控制策略優化

根據CFD模擬分析結果，對kj1～kj5、kj8空調機組送回風機的頻率、轉速進行調整。當檢測到某機組停機后延時30 min關閉相應區域送風閥，空調送回風機運行頻率同步調整，范圍為20～35 Hz；當檢測到某機組開機時，開啟相應區域送風閥，空調送回風機運行頻率同步調整，范圍為30～48 Hz。卷包機組與空調機組對應關系見表4。

表4 卷包機組與空調機組對應關系

區域送風閥關閉后，對應區域的溫濕度傳感器不參與平均值計算，即空調控制系統在自動調節時將忽略對應區域的溫濕度數值，反映實際生產區域的環境狀況，進而更加準確地判斷空調負荷。

4.5 改造效果驗證

基于空調機組實際運行數據，對改造前后的經濟效益進行分析。運行數據選取改造前1—10月和改造后1—10月，從制冷耗電量、風機耗電量和蒸汽消耗量3個方面進行比較，空調機組節能改造后節能率為28.9%(見表5)。蒸汽價格取273元/t，電價取0.95元/(kW·h)，則改造后減少運行費用76.2萬元。

表5 卷包車間空調機組改造前后能源消耗量對比

5 結論

1) 在保證卷煙質量的前提下，根據實際工藝要求調整卷包車間空調參數控制精度。同時，通過增設風量控制調節閥和電動執行器，關閉閑置設備區域上方的風口，優化空調機組控制策略等措施，實現了空調機組布置和送風調節與設備生產良好匹配。監測數據顯示空調機組節能率達到28.9%。

2) 設計時應充分調研和考慮投產后的生產班制安排、工藝設備開啟規律及有效作業率，在此基礎上細分空調區域。

3) 運行管理階段應按卷煙技術要求設置溫濕度控制值，不應過分追求空調精度，且當工藝設備長期閑置時，及時關閉對應區域的溫濕度傳感器。