明文虎，張鶴松，阮正學(xué)，李曉丹

（1. 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，昆明 650231；2.云南昆船電子設(shè)備有限公司，昆明 650236）

0 引言

成熟采收的煙葉，調(diào)制后其品質(zhì)雖得到一定改善，但仍存在青雜氣較重、吸味粗糙、刺激性較大等缺陷。因此，需要經(jīng)過儲藏醇化來進(jìn)一步改善煙葉品質(zhì)和工業(yè)可用性[1]，目前，煙葉發(fā)酵過程一般分為自然醇化和人工發(fā)酵兩種，盡管人工發(fā)酵可以大大縮短發(fā)酵時間,然而自然醇化則能更有效地提升煙葉品質(zhì)，效果較人工發(fā)酵更好，但同時也存在醇化周期長、成本高的問題[2]。國內(nèi)煙草企業(yè)和相關(guān)研究所對煙葉醇化進(jìn)行一系列的研究，重點是如何能讓煙葉醇化時間縮短且品質(zhì)不受太大負(fù)面影響[3]，尤其是利用人工輔助設(shè)備控制煙葉醇化環(huán)境的研究居多，大多以人工模擬自然醇化[4]。自然醇化方式下煙葉殘酷的溫度應(yīng)該控制在20℃～30℃，高溫高濕季節(jié)溫度要控制在35℃以下。煙葉倉庫的相對濕度應(yīng)該控制在55%～65%[5]。21世紀(jì)能源危機(jī)的當(dāng)今，太陽能熱利用是保證可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑，其按溫度范圍可以分為低溫應(yīng)用系統(tǒng)（＜80℃）、中溫工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)（80℃～250℃）和高溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)（＞250℃）。我國太陽能低溫利用行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模巨大，而中高溫?zé)崂梅矫孢€處在起步階段，相對缺少大系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和運行經(jīng)驗[6]，結(jié)合導(dǎo)熱油特性，設(shè)計最高工作溫度在300℃～320℃[7]之間的導(dǎo)熱油型煙葉醇化實驗庫,使用清潔環(huán)保的能源達(dá)到又好又快的進(jìn)行煙葉醇化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能醇化庫分為太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵輔助加熱系統(tǒng)、風(fēng)柜風(fēng)機(jī)盤管供熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控濕系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和太陽能追蹤系統(tǒng)。各個部分相對獨立，可單獨運行，又相互關(guān)聯(lián)，由控制系統(tǒng)集中控制。各循環(huán)采用鋼管連接，由耐高溫齒輪泵驅(qū)動。太陽能集熱系統(tǒng)完成太陽能的光熱轉(zhuǎn)換，采用真空管收集熱能，并存儲于儲熱油箱中。供熱系統(tǒng)連接儲熱油箱和末端供熱設(shè)備風(fēng)柜、風(fēng)機(jī)盤管和散熱器，當(dāng)庫房需要加熱時，高溫導(dǎo)熱油經(jīng)過末端換熱，將熱量輸送至庫房，同時形成庫房內(nèi)空氣循環(huán)，防止局部受熱?？貪裣到y(tǒng)由控制系統(tǒng)控制智能加濕機(jī)，對庫房的濕度進(jìn)行調(diào)控。新風(fēng)系統(tǒng)主要為庫房內(nèi)補(bǔ)充新風(fēng)，提供煙葉醇化所必須的氧氣。

醇化庫對現(xiàn)有自然醇化庫房進(jìn)行改造，設(shè)計先對庫房采暖熱負(fù)荷進(jìn)行計算，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量進(jìn)行計算[8～10]，然后根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷確定儲熱油箱和集熱器的數(shù)量[11]。實驗庫房選取18m2，層高3.6m的庫房，設(shè)計使用10組中低溫槽式太陽能集熱器和2.4m3的儲熱油箱。系統(tǒng)采暖原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)采暖原理圖

集熱循環(huán)由高溫齒輪泵驅(qū)動。帶自動追蹤功能。集熱器通過光熱轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)熱油加熱。在集熱器組出口處設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)導(dǎo)熱油溫度達(dá)到所需加熱溫度后，太陽能齒輪泵啟動，將高溫油泵入儲熱油罐的上部，同時將油罐底部溫度較低的導(dǎo)熱油吸入集熱器，實現(xiàn)對油罐內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行循環(huán)加熱，積蓄熱量。為充分發(fā)揮太陽能供熱功效，系統(tǒng)配置的儲熱系統(tǒng)應(yīng)具有一定熱量存儲能力，儲熱油箱選用不銹鋼自制，內(nèi)填充聚氨酯保溫隔熱層。儲熱油箱采用雙層不銹鋼箱體，保溫層采用巖棉制作，厚度大于100mm。儲熱油箱可同時替代膨脹箱的功能。

供熱系統(tǒng)主要控制系統(tǒng)末端換熱設(shè)備，當(dāng)庫房需要加熱時，齒輪泵將油罐上端的熱油分別泵入風(fēng)柜、風(fēng)機(jī)盤管和散熱器中，由風(fēng)機(jī)將加熱的空氣鼓入庫房，加熱庫內(nèi)空氣，庫內(nèi)空氣從庫房兩側(cè)的回風(fēng)口回到風(fēng)道中再次加熱，由此使庫房內(nèi)空氣進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，實現(xiàn)余熱利用。風(fēng)柜使熱空氣具有一定風(fēng)速，能夠到達(dá)庫房底部，熱空氣逐步向上移動的過程中逐步散發(fā)熱量，使整個庫房內(nèi)溫度均衡。在風(fēng)柜上設(shè)有新風(fēng)風(fēng)門，可以通過控制新風(fēng)風(fēng)門的開度控制庫內(nèi)含氧量及對庫內(nèi)進(jìn)行降溫。

配置計算機(jī)智能化全自動控制系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)達(dá)到最佳節(jié)能運行效果?？刂葡到y(tǒng)采用工控機(jī)控制，軟件使用易控（INSPEC）2009組態(tài)I/O模塊，為整個系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互界面，主要實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲和分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表打印和系統(tǒng)操作權(quán)限管理等功能。監(jiān)控畫面實時動態(tài)顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，反應(yīng)完整系統(tǒng)原理，畫面美觀大方[12]?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。電控系統(tǒng)設(shè)計采用集中管理，分散控制的方式。對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一實時監(jiān)控，對成熟穩(wěn)定的部件進(jìn)行分散控制，數(shù)據(jù)采集選用通用可靠I/O模塊和通用的Modbus協(xié)議傳輸，方便靈活的模塊化、參數(shù)化方法進(jìn)行設(shè)計。控制系統(tǒng)主要由動力配電和控制程序組成，二者通過I/O模塊相互關(guān)聯(lián)，模塊與主控器件工業(yè)計算機(jī)之間采用穩(wěn)定可靠的RS485通訊，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互。人機(jī)界面使用組態(tài)軟件編制，管路上溫度傳感器采用穩(wěn)定、寬限的PT100溫度溫度傳感器，庫內(nèi)溫度傳感器采用帶數(shù)顯的無線溫度傳感器。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

控制系統(tǒng)采用工控計算機(jī)和軟件組態(tài)，考慮到殺蟲劑對器件的腐蝕，傳感器端使用無線網(wǎng)由數(shù)據(jù)采集器和串口通訊，形成以無線數(shù)據(jù)采集模塊為中心的無線Zigbee網(wǎng)絡(luò)[13]，并通過Modbus串行接口，數(shù)據(jù)統(tǒng)一由組態(tài)軟件組態(tài)和監(jiān)控，不能使用無線的傳感器或無線網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的區(qū)域的數(shù)據(jù)，采用支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的模擬量模塊組態(tài)。整個系統(tǒng)基于組態(tài)軟件開發(fā)，適應(yīng)醇化庫系統(tǒng)功能。主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如3所示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 技術(shù)實現(xiàn)

主控系統(tǒng)完成整個系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的監(jiān)控，控制范圍包括太陽能循環(huán)泵、追蹤系統(tǒng)、儲熱油箱溫度監(jiān)視、熱泵輔助加熱系統(tǒng)、供熱循環(huán)泵、風(fēng)柜、風(fēng)機(jī)盤管、熱量調(diào)節(jié)閥、新風(fēng)風(fēng)門、加濕器、庫內(nèi)溫濕度及含氧量監(jiān)視等。其主要控制庫內(nèi)環(huán)境，其余各項控制均為庫內(nèi)環(huán)境控制服務(wù)，庫內(nèi)環(huán)境控制分為溫度控制、濕度控制、含氧量控制。庫內(nèi)人工環(huán)境的控制流程如圖4所示。

圖4 主控系統(tǒng)控制流程圖

太陽能集熱系統(tǒng)的合理控制，直接影響著集熱系統(tǒng)的集熱效率，系統(tǒng)在集熱器組出口處設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)陽關(guān)被反光板聚焦于集熱真空管上，完成光熱轉(zhuǎn)換，集熱器內(nèi)的導(dǎo)熱油被持續(xù)加熱，溫度升高，按照設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)導(dǎo)熱油溫度升高到100℃左右時，循環(huán)泵啟動，將以加熱的導(dǎo)熱油泵入到儲熱油箱上部，同時將儲熱油箱底部的低溫導(dǎo)熱油吸入到集熱器內(nèi)完成下一次加熱。循環(huán)泵啟動溫度100℃為經(jīng)驗值，也可在系統(tǒng)設(shè)置頁面進(jìn)行設(shè)置。熱泵式系統(tǒng)的輔助熱源，在太陽能不足時提供系統(tǒng)用熱，熱泵的耗電功率較大，合理的使用熱泵可增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，只有儲熱油箱的溫度特別低時，才啟用熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組的啟動溫度值，也可根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性設(shè)置。

系統(tǒng)控制程序是系統(tǒng)各執(zhí)行器件動作的指揮官，也是人為控制思想在計算機(jī)上的體現(xiàn)。導(dǎo)熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫采用易控軟件架構(gòu)，編程語言采用的是C#，開發(fā)環(huán)境集成了硬件編程控件，程序編輯器內(nèi)關(guān)聯(lián)了系統(tǒng)變量列表，可直接調(diào)用已經(jīng)組態(tài)的硬件地址和系統(tǒng)變量，方便開發(fā)人員使用[14]。整個系統(tǒng)進(jìn)行模塊化編程，程序段可設(shè)定程序段相應(yīng)的執(zhí)行頻率，系統(tǒng)程序按設(shè)備進(jìn)行模塊劃分，程序塊內(nèi)按照設(shè)備需要的邏輯進(jìn)行編程，以達(dá)到設(shè)備本身設(shè)計所需求的效果和目的，以太陽能循環(huán)泵的啟停為例，根據(jù)太陽能循環(huán)泵的動作邏輯，C#語言程序?qū)崿F(xiàn)代碼如下。

//太陽能循環(huán)泵////////////////////////////////////////

float 溫差;

溫差=工程值.太陽能板溫度-工程值.灌底溫度;

if (工程值.太陽能板溫度＞設(shè)定值.太能能板溫度設(shè)定值&&溫差＞設(shè)定值.太陽能循環(huán)泵溫差啟動設(shè)定值)

{數(shù)字量輸出.太陽能循環(huán)泵啟停=true;}

else

{數(shù)字量輸出.太陽能循環(huán)泵啟停=false;}

if(工程值.室內(nèi)含氧量＜設(shè)定值.室內(nèi)氧含量設(shè)定值)

{

數(shù)字量輸出.新風(fēng)閥關(guān)=false;

數(shù)字量輸出.新風(fēng)閥開=true;

}

控制程序?qū)λ邢到y(tǒng)內(nèi)設(shè)備的控制模塊進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用，并自動循環(huán)執(zhí)行，組成控制系統(tǒng)，完成整個系統(tǒng)的集中調(diào)用和控制。另外，組態(tài)軟件還提供人機(jī)交互界面，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲等功能。

2 試驗驗證及應(yīng)用效果

導(dǎo)熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫經(jīng)過樣機(jī)試制和測試，太陽能集熱端正常工作溫度在100℃～180℃，最高溫度可達(dá)到300℃，可為煙葉醇化提供足夠多的高溫?zé)嵩?，實驗庫?nèi)溫度控制范圍在20℃～40℃，最高溫度能升高至45℃，濕度控制范圍5%～90%，能滿足煙葉醇化所需的各種條件，是煙葉醇化能更好更快的完成。

3 結(jié)束語

目前，我國工業(yè)能源消耗日益增加，卷煙生產(chǎn)能耗也頗為顯著。卷煙企業(yè)承擔(dān)著節(jié)能減排的重要責(zé)任，對其能源利用現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)分析是促進(jìn)節(jié)能工作的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)具體要求的有效途徑[15]。導(dǎo)熱油型太陽能煙葉醇化庫的設(shè)計本著高效、節(jié)能的出發(fā)點，既可以提高卷煙企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又可以為國家可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

導(dǎo)熱油型太陽能煙葉醇化實驗庫系統(tǒng)是一項太陽能熱源使用的典范，可以擴(kuò)展應(yīng)用到有熱源需求的各個領(lǐng)域和場所，例如工業(yè)采暖、醫(yī)療、烘烤等行業(yè)，也可在設(shè)備現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加吸收型冷水機(jī)組，將太陽能用于制冷，開發(fā)應(yīng)用成為太陽能空調(diào)等?？傊?，導(dǎo)熱油型太陽能以其高溫太陽能的優(yōu)勢，有著廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

[1] 于建軍.卷煙工藝學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2003.

[2] 顏克亮,武怡,曾曉鷹,等.基于提質(zhì)減害的煙葉醇化技術(shù)研究進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(3)：450-453.

[3] 程昌新,王超,楊應(yīng)明.儲藏醇化措施對烤煙煙包內(nèi)溫濕度及煙葉品質(zhì)的影響[J].煙草科技,2015(2)：17-20.

[4] 張敏.人工模擬自然醇化的庫房設(shè)施建設(shè)與應(yīng)用[J].背景農(nóng)業(yè)2012(6)：99-102.

[5] 劉強(qiáng),朱列書.不同溫濕度對片煙自然醇化過程中主要化學(xué)成分的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(15)：99-102.

[6] 李石棟,原郭豐,付向東.導(dǎo)熱油在太陽能中高溫?zé)崂弥械难芯楷F(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報,2013(9)：10-13.

[7] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB 23971—2009有機(jī)熱載體[S].2009.

[8] 陳宏振,湯延慶.供熱工程[M].武漢理工大學(xué)出版社,2008.

[9] 陳耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[10]鄔田華,王曉墨.工程傳熱學(xué)[M].華中科技大學(xué)出版社,2011.

[11]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[12]張貝克,尉龍,楊寧.組態(tài)軟件基礎(chǔ)與工程應(yīng)用（易控INSPEC）[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[13]李銀華,姬光鋒.基于Zigbee技術(shù)的煙葉倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(5)：111-119.

[14]陳強(qiáng).C#編程新手自學(xué)手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[15]閏亞明,魯端峰,常紀(jì)恒,等.卷煙生產(chǎn)能耗技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法及應(yīng)用[J].煙草科技,2013(7)：5-15.