卷煙廠空調系統控制與節能研究

杜強

（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發展的重要基礎資源，是世界各國關注的焦點。我國是能源消費大國，近些年我國能源形勢十分嚴峻。煙草行業是國家稅收的重要來源，近些年，我國煙草行業不斷進行產業升級，生產能力與經濟效益都有了顯著提升，但能耗高的問題尚未得到有效解決，是煙草行業的重點與痛點，國家已將卷煙廠列為節能降耗重要的監管對象，煙草行業亟需全面貫徹落實公司工業發展規劃，努力建設資源節約型友好企業。

為了確保卷煙產品的質量穩定性，需要對環境溫濕度進行嚴苛控制，而空調系統在這一過程中發揮了重要作用。現階段，我國多數卷煙廠空調系統具有裝機容量大、系統組成復雜、運行時間長、運行效率低、能耗高等特點，據統計，空調系統能耗占卷煙廠綜合能耗的1/2左右，是卷煙廠節能減排的重要對象，對空調系統的節能改造可提升卷煙廠社會效益，并降低企業經營成本，具有一定經濟效益。本文對卷煙廠空調系統能耗高的問題進行了分析，并提出幾種有效技術來降低空調能耗。

2 卷煙廠工藝要求及負荷特點

卷煙廠工藝流程復雜，涉及工序較多，對環境溫濕度要求嚴格，一旦車間環境溫濕度未得到有效控制，會嚴重影響產品質量與批次穩定性，還會導致物料損耗嚴重，成本提升。這是因為原料含水率是一項重要技術指標，過大或過小都不利于卷煙的制備，當含水率過高會導致原料間粘合嚴重，含水率過低不利于卷煙的成型，還會產生大量煙渣，填充能力下降。經過多項研究得出影響原料含水率的關鍵因素有空氣溫度、相對濕度、氣流速度以及煙草材料自身特性等，在實際生產過程中，主要是從兩方面來對卷煙工藝進行控制：（1）對原材料含水率和溫度參數的控制；（2）對各個車間環境參數的控制。所以說卷煙廠空調系統肩負著控制環境溫度的重要使命,卷煙廠各車間對溫濕度控制要求見表1。

表1 卷煙廠各個車間溫濕度控制要求

聯合工房內設置大量的空調系統，目前聯合工房主要采用組合式空調系統模式（見圖1）。空調機組主要承擔的濕熱負荷來自于車間內部產生的負荷和新風負荷，以卷包車間和制絲車間為例，卷包車間的熱負荷主要來源于設備發熱與照明系統等，制絲車間濕負荷多數都被排風系統排出，而新風負荷是受人員需求和工藝排風因素影響，多數新風比在10%左右，制絲車間新風比較高，可達35%左右。

3 卷煙廠空調系統現狀及存在問題

為了確保卷煙廠各車間溫濕度得到精確控制，空調系統配備了多種濕熱處理技術來將溫濕度恒定在一定精度范圍內，例如安裝表冷器、加熱器、干蒸汽加濕器和風機變頻等。通常，環境溫濕度的控制受季節、環境溫度、設備性能參數等多方面的共同決定。

現階段，結合卷煙廠空調系統運行特點，總結出卷煙廠空調系統能耗方面存在的主要問題有：

（1）制冷機開啟時間長，效率不高。卷煙廠空調系統需要長期制冷，制冷器運行時間長，一般情況下，在制冷機選型時主要以設計負荷上限來選擇，但通常選型方面通常都過大，特別是在冬季，系統運行效率更低，利用加大新風量來減小制冷機制冷，導致制冷機運行負荷嚴重偏離設計的高效率區域，致使運行效率較低。制冷機負荷率與COP相關，當制冷機負荷率高于70%時，COP在5.0以上，當負荷率為50%時，COP僅在4.1，能效比與負荷率的關系如式（1）所示。另外，表冷器供應的冷凍水是由制冷機統一提供的，冷凍水高質低用、浪費現象嚴重，同時由于冷凍水溫與環境溫度相差大，因素在輸送過程中會造成一定損失。

（2）空調系統難以有效調節，大流量小溫差問題嚴重，能耗高。卷煙廠空調系統設計時，設備的選型、風機負荷設計等都是參照國家規范，在實際中風機流量和揚程有一定富余，選型過大現象常見，特別是并未對管路系統的平衡進行合理計算，致使“大風量，小焓差”問題凸顯，導致風機運行效率低下。對于卷煙廠車間，由于每臺空調送風溫度存在一定的差異，這就加大了控制難度，使得系統能耗增加，特別是對于冷凍水泵和風機長期在低負荷情況下使用，這就使得單位冷負荷能力明顯升高。

（3）冷熱抵消現狀常見，高溫蒸汽再熱導致高質低用。冷熱抵消是卷煙廠空調系統的常見現象，一般空氣處理流程是混合后的空氣經表冷器進行降溫除濕，而后再經過加熱、加濕后進入室內，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，造成浪費嚴重，另外，高溫蒸汽溫度在220℃，而經過表冷器后溫度僅在20～30℃左右，這產生巨大的溫差導致熱能的極大浪費，通常車間分區不合理會導致該問題嚴重。

4 卷煙廠空調系統控制與節能技術分析

在國家大力倡導節能減排下，對煙草行業降本增效提出了新的發展要求。空調系統作為重要的能量消耗體，因此卷煙廠對空調的節能研究迫在眉睫。目前，技術人員主要通過從空調系統設計方面和運行方面加強了節能研究。對于卷煙廠空調系統控制與節能技術方面的研究主要是從水系統和風系統兩方面著手，其中，水系統主要是挺高制冷機COP或者是利用環境冷源供冷，風系統主要是利用風機變頻、改進濕熱處理過程等。

4.1 基于新風獨立系統的空調節能設計

長久以來，卷煙廠空調系統主要采用一次回風處理技術，該項技術一直沿用至今，基本已日趨成熟。對于一次回風處理技術而言，該項技術存在的主要問題是冷熱抵耗、再熱能耗高，針對這些問題，一些研究者提出通過二次回風系統來降低能耗，但二次回風系統在控制方面效果不佳，精度較差，同時還容易引發二次污染，實際應用價值不高。

新風獨立系統充分利用溫濕分控技術對新風和回風分別進行處理，有效避免了冷熱抵消的問題，新風獨立系統特別適用于濕負荷小、室內產熱高的環境下應用，有效達到了空調系統節能的目的。在新風獨立系統中，新風承擔所有濕負荷，新風（W）被表冷盤直接處理至機器露點（L2），當室內回風（N）被回風處理表冷盤管處理至N’點后，與L2點新風混合至O2點，沿著熱濕比線輸送入車間（見圖2）。

對于新風獨立系統而言，其所需冷量包含室內負荷耗冷量和新風負荷耗冷量，機組的實際能耗可通過式（2）計算出，可見，與一次回風系統相比，新風獨立系統節能效果顯著 。

式中，Qc為系統耗冷量，單位為kW，mf為新風流量，單位為kg/s，hw為室外新風焓值，單位為kJ/kg，hN為室內回風焓值，單位為kJ/kg，ho2為送風狀態點焓值，單位為kJ/kg。

4.2 基于變水溫調節技術的空調節能設計

卷煙廠空調制冷系統通常是由制冷主機、冷卻塔、冷卻泵等設備組成，產出的冷卻水供給聯合工房空調器。現階段，多數卷煙廠制冷系統均是通過制冷機集中制備冷凍水，利用分水器分配至各個末端，最終再通過表冷器實現與空氣之間的熱交換，因此高質低用問題常見，一直未得到有效解決。

變水溫調節技術是提升空調節能性能的重要手段，該技術簡單易實現，在空調改造方面無需投入過高的成本，經濟性優異，另外，變水溫調節技術還不會對水系統產生較大的影響，是目前卷煙廠空調制冷系統節能改造的重要技術手段之一。

表冷器是一種重要的設備，在空調系統運行過程中發揮了關鍵作用，通過對空氣進行冷卻除濕處理，來確保室內空環境參數處于標準值，通過根據實際情況，對冷水溫度進行修正有利于實現節能效果，結合實際運行數據，冷水溫度設定參照表2所示。

表2 冷水溫度設定

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

通過結合實際運行過程中空調系統能耗數據分析得出，基于變水溫調節技術改造的空調系統節能效果顯著（見表3）。可見，變水溫技術的應用，極大地提升了空調制冷系統的運行效率，同時還有效減少了空調系統額外的再熱再濕能源消耗，具有較高的實際應用價值。

表3 改造前后空調系統節能情況

4.3 基于溫濕度分開控制技術的空調節能設計

對于卷煙廠空調系統，通常夏季除濕工況溫濕度控制標準為t=26℃，h=60%，送風溫度為20℃。對于一些極端氣候地區，卷煙廠空調機械除濕工況系統能耗較高，以往一次回風空調系統利用7℃冷卻水冷卻空氣，確保空氣溫濕度低于送風溫度，而后再通過加熱器、加濕器實現濕熱補償，保證空氣參數滿足送風要求，需要耗費大量再生熱源，導致空調系統運行能耗高，而二次回風系統在控制精度方面存在問題，制約了該技術的發展。近幾年，熱濕獨立控制技術得到了進一步的推廣與應用，該技術是采用將表冷器分置、熱濕分控方案，結合地區氣候特征，對空調設備進行改造。

通過將多個并聯運行的表冷器劃分為2組，由2個表冷閥分別進行控制，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節手段，下部表冷器用于系統濕度的單獨控制，結合實驗情況來驗證溫濕度分控技術的節能效果，實驗數據顯示，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的空調能耗量在4413.18kWh，蒸汽耗能量在359.69kWh，總節能可達22.03%，具有較佳的節能效果，與此同時，該項技術控制精度好，普適性強，不足要對空調機組進行結構設計方面的大幅度更改，投入成本低，經濟性優異，具有一定的推廣應用價值。

5 結語

綜上所述，空調系統在卷煙廠總能耗中占有較大比重，針對空調系統進行節能改造，提升系統節能效果是提升卷煙廠經濟效益和社會效益的關鍵抓手。目前，卷煙企業針對空調系統節能改造已開發多項新興技術，其中新風獨立系統可有效解決一次回風系統產生再熱等問題，但成本高；變水溫調節技術可有效節省系統能耗，但操作復雜；表冷器分置溫濕度分控技術是基于二次回風系統的理念設計的，該節能方案簡單、易實現，適用范圍廣，但控制精度方面還需要進一步提升。今后卷煙廠空調節能技術方面還要注重細節處理，深度挖掘空調系統各個部件的節能潛力，并結合各個地區不同季節空調系統的運行特征，提出科學的節能運行策略和控制技術參數。