呂喆安 薛焱 索東盛

（上海煙草集團有限責(zé)任公司天津卷煙廠 天津 300163）

1 引言

工廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用對于企業(yè)發(fā)展具有重要的節(jié)能降耗與經(jīng)濟意義，同時也是符合國家目前的環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展政策。卷煙企業(yè)工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、產(chǎn)塵，車間面積較大，負荷影響因素較多，經(jīng)常24小時連續(xù)生產(chǎn)，且恒溫恒濕控制精度較高，空調(diào)系統(tǒng)相對復(fù)雜。如何更好滿足車間溫濕度及空氣品質(zhì)的要求，同時又盡可能地減少能源的消耗，本文進行了深入淺出的分析，提出現(xiàn)有節(jié)能研究的不足之處及今后的研究方向，且結(jié)合工廠實際，提出了幾項具有可實施性的節(jié)能措施。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 空調(diào)系統(tǒng)簡介

煙廠動力中心為工廠各生產(chǎn)過程提供能源保障，負責(zé)工廠主要能源的過程控制?？照{(diào)運行過程耗用大量電、水、蒸汽等一、二次能源，是工廠能耗中的重要組成部分。對于卷煙企業(yè)，空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗來自如下幾個方面：

圖1 組合式空調(diào)原理示意圖

從上述煙廠冷凍空調(diào)系統(tǒng)的流程圖上可以看出，空調(diào)系統(tǒng)的能耗歸根結(jié)底分為三種能耗：電能、軟水和鍋爐燃燒天然氣的消耗。因此，煙廠空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究與應(yīng)用就是要解決如何降低電能、軟化水和天然氣消耗的問題。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)多工況控制策略

空調(diào)節(jié)能的三大原則：（1）最大限度利用室外新風(fēng)冷源；（2）最大限度減少制冷機運行周期；（3）最大限度減少蒸汽和電力消耗。

文章提出的空調(diào)系統(tǒng)全年多工況控制策略節(jié)能方法，自2012年度已在我廠空調(diào)系統(tǒng)運行中運用。全年多工況控制策略是指在全年某一特定時刻的室外氣象條件和車間熱濕負荷條件下，能否選擇最合理、最節(jié)能的熱濕處理流程及手段，是卷煙企業(yè)空調(diào)自控系統(tǒng)能否保證溫濕度精度及節(jié)能的前提條件。全年多工況控制策略將全年劃分為若干個工況區(qū)域，在每個工況區(qū)域內(nèi)制定出一個最合理、最節(jié)能的溫濕度控制模型，保證全年各時刻的溫濕度控制精度，尋求空調(diào)系統(tǒng)的最佳運行方案。

空調(diào)溫濕度主要控制參數(shù)有：

（1）車間空氣溫度（tn±△t，℃）

（2）車間空氣相對濕度（Φn±△Φ，%RH）

空調(diào)溫濕度指標(biāo)控制情況用制（過）程能力指數(shù)Cpk表示，Cpk值的大小反映了溫濕度合格率的高低。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力

由于煙廠車間的大部分設(shè)備產(chǎn)熱量大，空調(diào)系統(tǒng)大部分時間都要送冷風(fēng)來維持工房內(nèi)的溫度平衡（tS

根據(jù)上述分析，在保證工房溫、濕度的前提下，空調(diào)系統(tǒng)從調(diào)節(jié)送風(fēng)量和根據(jù)季節(jié)天氣全年多工況調(diào)節(jié)這兩個方面有著不錯的節(jié)能潛力。

3 空調(diào)節(jié)能方案研究

3.1 技術(shù)方案一——空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量運行

空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)機風(fēng)量（L）與電機功率（N）存在以下關(guān)系：

當(dāng)L1=0.8L0時，N1=0.512N0，即當(dāng)風(fēng)量減小到80%時，風(fēng)機的功率減少了一半。

風(fēng)機風(fēng)量與電機功率關(guān)系曲線如下圖所示：

圖2 風(fēng)機風(fēng)量與電機功率關(guān)系曲線

因此，在工廠的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計安裝階段，空調(diào)風(fēng)機選擇變頻風(fēng)機，在車間生產(chǎn)趨于平穩(wěn)的情況下，根據(jù)車間的溫濕度波動不斷優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制參數(shù)，將風(fēng)機變頻器設(shè)置在40Hz~50Hz范圍內(nèi)，當(dāng)外界非極端天氣時，空調(diào)電機基本都保持在40Hz運行，車間溫濕度月均Cpk值達到1.33以上，節(jié)約電能50%左右。

3.2 技術(shù)方案二——全年多工況控制方式

采用全年多工況控制方式，在過渡季節(jié)加大新風(fēng)的利用，輔助加熱和加濕閥的操作，縮短制冷機開啟周期，節(jié)約用電量。

圖3 焓濕度多工況分區(qū)圖

表1 焓濕度多工況分區(qū)表

3.2.1 一區(qū)：冬季加熱加濕區(qū)

由于新風(fēng)溫度低于送風(fēng)溫度，以蒸汽加濕閥為濕度調(diào)節(jié)手段，蒸汽加濕閥熱蒸汽所攜帶的熱量正好可以提高送風(fēng)溫度，減少加熱閥的開度；溫度調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)加熱閥來完成；當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)異常熱量干擾時，如加熱閥已經(jīng)完全關(guān)閉，則通過提高新風(fēng)量進行降溫。

3.2.2 二區(qū)：過渡季，冷卻加濕區(qū)

由于室外新風(fēng)的焓值也在室內(nèi)等焓線以下，蒸汽加濕過程中產(chǎn)生的溫度升高情況可以采用適當(dāng)開啟新風(fēng)閥來降低溫度，從而減少了表冷閥的使用，縮短了制冷系統(tǒng)的開啟周期，節(jié)約了電能。

3.2.3 其他工況區(qū)域

對于其他工況區(qū)，（包括三區(qū)：過渡季，冷卻加濕區(qū)；四區(qū)：夏季，冷卻加濕區(qū)；五區(qū)：極端工況，冷卻除濕區(qū)；六區(qū)：極端工況，冷卻除濕區(qū)）我們通過設(shè)備的實際運行狀況，總結(jié)出了卷包車間6臺組合空調(diào)自動調(diào)節(jié)狀態(tài)下各機段閥門開啟的范圍，以及自控狀態(tài)出現(xiàn)異常時，手動開啟閥門的建議調(diào)整范圍，有效的避免閥門的過度開啟或開啟不足可能造成的送風(fēng)過熱、過冷、送風(fēng)帶水或區(qū)域溫濕度失控等狀況。

3.3 技術(shù)方案三——提高冷凍水溫度

表2 制冷系統(tǒng)設(shè)備開啟情況

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)整個制冷期當(dāng)中，夏季工況，制冷系統(tǒng)基本已經(jīng)為滿負荷運轉(zhuǎn)，為保證工藝指標(biāo)我們不做研究，我們把此次項目的研究重點放在了過渡季節(jié)制冷系統(tǒng)的運行上。

根據(jù)制冷系統(tǒng)工作原理，在滿足室內(nèi)空調(diào)效果的前提下，隨著空調(diào)冷水供水溫度的升高，冷水機組制冷劑的蒸發(fā)溫度升高，冷水機組的單位制冷量能耗降低。

設(shè)定不同的制冷機組供水溫度，在平穩(wěn)運行2h后，分別記錄蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度狀態(tài)，如表3所示。由于冷水機組的最低設(shè)計蒸發(fā)溫度不得低于2℃，所以供水溫度最低為5℃。同時，考慮到高濕度天氣下組合空調(diào)的除濕效果，表冷器有效除濕溫度不得高于10℃，所以冷水機組最高供水溫度為9℃。

按照公式

式中：

計算條件：制冷劑為R134a，冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度分別為2.41，3.71，5.00，6.33，7.63℃，可以得到不同蒸發(fā)溫度下制冷量單位能耗。

表3 蒸發(fā)器、供水溫度及單位制冷量能耗對照表

上表可以看到，按照理想狀態(tài)，供水溫度為9℃時要比供水溫度為7℃時節(jié)能9.5%。因此，最終選定供水溫度為9℃。

4 改造后的節(jié)能效益分析

4.1 改造情況

4.1.1 重新調(diào)整空調(diào)風(fēng)機的變頻器設(shè)置，天氣溫和時低頻運行，節(jié)約電能。

4.1.2 對空調(diào)加濕閥、加熱閥、表冷閥按照不同工況進行PID參數(shù)的優(yōu)化，保障空調(diào)送風(fēng)溫、濕度的穩(wěn)定性，保證工藝指標(biāo)Cpk≥1.33，并起到節(jié)約蒸汽和制冷機冷凍水冷量消耗的目的。

4.1.3 回風(fēng)閥和排風(fēng)閥的開度根據(jù)風(fēng)閥面積和新風(fēng)閥的開度制訂調(diào)節(jié)模式；新風(fēng)閥全年調(diào)節(jié)最大開度為80%，最小開度為20%；回風(fēng)閥全年調(diào)節(jié)最大開度為100%，最小開度為40%。

4.1.4 空調(diào)設(shè)備的加濕器按季節(jié)工況設(shè)置最大開度，以防非干燥季節(jié)因超調(diào)將空氣瞬間加溫至過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致送風(fēng)中“飄水”現(xiàn)象。

4.1.5 在三至六區(qū)需開制冷機，第一、二區(qū)停制冷機。

4.1.6 在過渡季節(jié)提高制冷機冷媒水的出水溫度。

4.2 節(jié)能效果分析

4.1.1 制冷系統(tǒng)

根據(jù)“天津卷煙廠能源管理系統(tǒng)”的制冷系統(tǒng)耗電記錄，我們將2012年10月份和2013年10月份做一個橫向?qū)Ρ龋?/p>

圖4 2012 年10 月份和2013 年10 月份電量橫向?qū)Ρ?/p>

按照全年4個月的過渡季節(jié)計算，全年節(jié)約用電量約68000kW·h，按照0.88元/度計算，折合人民幣6萬元。

4.1.2 空調(diào)系統(tǒng)

（1）變頻器變頻節(jié)能

卷包車間使用的空調(diào)由送風(fēng)機和回風(fēng)機兩個風(fēng)機，送風(fēng)機功率（55kW），回風(fēng)機功率（22kW）。由公式（1），當(dāng)L1=0.8L0時，N1=0.512N0，即當(dāng)風(fēng)量減小到80%時，風(fēng)機的功率減少了一半。六臺組合空調(diào)，按照工業(yè)用電0.82元/kW·h，每年有半年是非極端天氣計算，每年節(jié)約用電費用約合80萬元。按照多工況方式只開啟5臺空調(diào)設(shè)備每年節(jié)省約66萬元。

（2）采用多工況控制方式，減少空調(diào)開啟臺數(shù)節(jié)能

卷包車間使用的空調(diào)由送風(fēng)機和回風(fēng)機兩個風(fēng)機，送風(fēng)機功率（55kW），回風(fēng)機功率（22kW）。

按照六臺組合空調(diào)計算：

N1=0.512N0

（55+22）（kW）×6（臺）×24（h）×0.512=5677kW·h

按照工業(yè)用電0.82元/kW·h計算：

每天節(jié)省0.82×5677kW·h=4655元

按照每年有半年是非極端天氣計算

每年節(jié)省4655×365×0.5≈85萬元

5 結(jié)語

在室外環(huán)境溫濕度相似、車間生產(chǎn)負荷變化不大的情況下，采用多工況控制方式調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在節(jié)能經(jīng)濟性與溫濕度指標(biāo)控制方面收到了非常顯著的效果。

5.1 采用多工況控制方式，卷包車間工房溫、濕度Cpk同比上升14.0%，較前年同期上升31.4%（2013年Cpk為1.79，2012年Cpk為1.57，2011年Cpk為1.34）。

5.2 單工況控制方式受外界環(huán)境溫、濕度影響較大，工房溫、濕度波動較大，尤其在極端天氣時需要手動操作，受操作人員技術(shù)原因影響較大。

5.3 采用多工況控制方式，過渡季節(jié)更多的利用了新風(fēng)的參與，除了帶來的直接經(jīng)濟效益以外，新風(fēng)量的增大也加大了車間內(nèi)的換氣次數(shù)，對于煙廠這種特殊工藝的車間，增加換氣次數(shù)對操作人員的身體健康是一個保障。

5.4 采用多工況控制方式，空調(diào)系統(tǒng)的平均節(jié)電率為24.4%。

5.5 從節(jié)能投資收益分析，采用多工況調(diào)節(jié)方式，每年比未實施項目前平均節(jié)省電費157萬元。

[1]李先庭,王鵬飛,胡海峰,等.合同能源管理在我國供熱空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].制冷空調(diào)與電力機械,2005,26(2):1-5.

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