孫照斌，李 星，蔡家斌，陳鳳義，魏 路，馬淑玲，相廣東

木材干燥工序的節(jié)能方法比較多［1-4］，在常規(guī)干燥中采用調(diào)節(jié)風(fēng)速的節(jié)能變頻裝置也已有研究［5-7］，何小東［8］等根據(jù)木材干燥工藝的要求對(duì)干燥室的風(fēng)機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)表明，在木材含水率＜35%后，降低干燥室中風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可在保證干燥質(zhì)量和干燥周期條件下完成木材干燥工作，可節(jié)省電能40%以上，而且對(duì)木材干燥速度和干燥質(zhì)量基本無(wú)影響。刁秀明［9］等研究了風(fēng)速對(duì)干燥不同規(guī)格木材的影響表明，風(fēng)速對(duì)厚板材干燥速度的影響較小，對(duì)薄板材影響顯著，同時(shí)提出難干材應(yīng)該采用低風(fēng)速干燥，以減少能耗。

變頻調(diào)控技術(shù)是目前公認(rèn)的實(shí)用安全性高、技術(shù)性能穩(wěn)定、節(jié)能效果顯著的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)。變頻能夠?qū)涣麟妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生無(wú)極變頻調(diào)速、具有噪聲小、對(duì)機(jī)械沖擊力低、節(jié)省電能、有效維護(hù)電機(jī)等優(yōu)點(diǎn)。由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也會(huì)隨之變化［10-12］，因此采用變頻調(diào)控技術(shù)，將原有的風(fēng)門擋板開(kāi)至最大，應(yīng)用負(fù)壓閉環(huán)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即直接調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程中變頻模式干燥的調(diào)節(jié)控制，能夠更好地滿足生產(chǎn)要求，達(dá)到節(jié)電和提高干燥質(zhì)量的目的。

目前對(duì)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的節(jié)能變頻裝置進(jìn)行能耗綜合分析的研究較少，本研究以28、50 mm厚度的橄欖木(Canarium spp.，Olive wood)板材為例，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用節(jié)能變頻裝置前后的節(jié)能效果進(jìn)行比較分析，旨在為變頻調(diào)控模式下的常規(guī)干燥生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

東南亞進(jìn)口橄欖木，長(zhǎng)度2 000 mm，寬度150～300 mm，厚度 28、50 mm，初含水率 70%～140%，無(wú)預(yù)處理。橄欖木氣干密度為 0.58 g·cm－3，絕干密度為0.53 g·cm－3。普通模式干燥與變頻模式干燥窯內(nèi)放置的木材檢驗(yàn)板初含水率分別為95%和75%。

1.2 儀器設(shè)備

進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)的干燥窯為NARDI(意大利)，73C(GL);其中包含7臺(tái)3 kW風(fēng)機(jī)(YTW100L2-4型，風(fēng)機(jī)葉輪直徑80 cm)。窯體參數(shù)為裝材量120～150 m3;最終含水率6%～9%;溫度＜110℃;最大相對(duì)濕度100%;多功能風(fēng)速計(jì)(GM8910)測(cè)得風(fēng)速為2～12 m·s－1;裝填凈尺寸 13.8 m×8.2 m×5.7 m。

本試驗(yàn)用于窯內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)的儀器由常州匯邦電子有限公司生產(chǎn)，是可直接探測(cè)室內(nèi)溫度和介質(zhì)相對(duì)濕度的一體式溫濕度監(jiān)測(cè)儀。2對(duì)溫濕度探頭分別安裝于干燥窯前、后部，探頭距地面高約為1.5 m，6塊含水率檢測(cè)板分別置于材堆上下各1/3處，適時(shí)跟蹤窯內(nèi)材堆的含水率。該干燥窯自身控制系統(tǒng)不包含變頻裝置，試驗(yàn)用變頻裝置為后期安裝，用于風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速。

1.3 方法

以2015年9月至2016年1月(廊坊華日家具股份有限公司)家具用28、50 mm 2種厚度板材為材料，進(jìn)行普通模式干燥和變頻模式干燥的能耗比較分析。能耗分析中分別對(duì)電能能耗、蒸汽能耗進(jìn)行對(duì)比分析。闡述分析時(shí)，對(duì)于安裝節(jié)能變頻裝置的命名為“變頻干燥模式”，未安裝節(jié)能變頻裝置干燥的命名為“普通干燥模式”。

結(jié)合該企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，所涉及的窯內(nèi)鋸材材積量按照每個(gè)干燥窯最大填裝橄欖木板材的數(shù)量為72垛(28 mm厚板材每垛為1.6 m3，50 mm厚板材每垛為2 m3)，每座干燥窯可以裝28 mm厚板材約115.2 m3，可以裝50 mm厚板材約144 m3。

“變頻模式干燥窯”和“普通模式干燥窯”分別安裝了獨(dú)立電表，用于監(jiān)測(cè)計(jì)算耗電情況。蒸汽耗汽總量按照工廠20個(gè)同類型干燥窯匯總后的平均值計(jì)算得出。

1.4 變頻調(diào)控系統(tǒng)及干燥基準(zhǔn)選用

1.4.1 變頻調(diào)控系統(tǒng)

1.4.1.1 系統(tǒng)硬件組成 變頻節(jié)能器:敦化市天力智能節(jié)能干燥設(shè)備有限公司，型號(hào):TLZ-7。采用1套西門子CO-132K/3變頻器，2套數(shù)字控制器，1套窯體內(nèi)部信號(hào)采集傳感器及1套數(shù)字顯示器。

1.4.1.2 基本工作原理 智能變頻模式干燥控制系統(tǒng)依托于智能信息化平臺(tái)［13-14］，由探測(cè)系統(tǒng)、調(diào)頻系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)及控制系統(tǒng)構(gòu)成。探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)窯體內(nèi)部的壓力、溫度、濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。調(diào)頻系統(tǒng)根據(jù)木材窯體內(nèi)部干燥狀況的不同，進(jìn)行電壓頻率切換調(diào)控。顯示系統(tǒng)是對(duì)探測(cè)系統(tǒng)中所探測(cè)的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)主要有2種方式:自動(dòng)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，調(diào)節(jié)變頻器，轉(zhuǎn)換風(fēng)速;通過(guò)人工調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換全壓與變頻不同頻率的使用。

干燥階段系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)全壓?jiǎn)?dòng)，即不通過(guò)變頻器直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。隨時(shí)間的推移當(dāng)木材內(nèi)部含水率在35%時(shí)，手動(dòng)切換至節(jié)能變頻檔位。通過(guò)傳感器進(jìn)入數(shù)字控制器中進(jìn)行信息處理，并與輸入數(shù)字控制器的干燥工藝參數(shù)進(jìn)行匹配，通過(guò)控制變頻器的不同輸出頻率，繼而影響電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變風(fēng)速的目的［15］(表1)。由于木材干燥過(guò)程變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，且經(jīng)常性的對(duì)其風(fēng)向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定程度的沖擊，因此在電動(dòng)機(jī)上設(shè)置了延時(shí)裝置［10，16］。

表1 不同干燥階段頻率參照Table 1 Frequency reference table for different drying stages

1.4.2 干燥基準(zhǔn)選用 在前期研究基礎(chǔ)上［13］，采用優(yōu)化的干燥工藝進(jìn)行干燥，50、28 mm厚板材干燥基準(zhǔn)見(jiàn)表2、表3。由于28 mm與50 mm厚板材干燥基準(zhǔn)不一致，因此在對(duì)2種不同干燥方式分析研究時(shí)，對(duì)2種厚度板材分別進(jìn)行試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，以便更加客觀地進(jìn)行對(duì)比研究。

表2 50 mm厚橄欖木板材干燥基準(zhǔn)Table 2 Drying schedule of 50 mm thick olive wood

2 結(jié)果與分析

根據(jù)《LY/T 2072－2012木材干燥生產(chǎn)綜合能耗》中綜合能耗計(jì)算的通則，分別從耗電總量、耗蒸汽總量、耗用其他能源總量進(jìn)行分析。對(duì)2種干燥窯干燥的數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗對(duì)比分析，獲得2種干燥方式各自的能耗量。

表3 28 mm橄欖木干燥基準(zhǔn)Table 3 Drying schedule of 28 mm thick olive wood

2.1 電能能耗對(duì)比分析

2.1.1 整體耗電量對(duì)比 對(duì)28、50 mm厚板材2種干燥方式整體耗電量對(duì)比(表4)。由表4可知，普通模式干燥28、50 mm厚度2種板材的單位板材耗電量分別為148.43、146.58 kW·h·m－3;變頻模式干燥28 mm與50 mm 2種厚度板材的單位板材耗電量分別為 113.71、119.66 kW·h·m－3。28 mm 厚板材變頻干燥模式下平均單位板材耗電量較普通模式干燥下降低23.39%，50 mm厚板材變頻干燥模式下平均單位板材耗電量較普通干燥模式下降低18.36%。即28 mm與50 mm厚板材變頻模式干燥較普通模式干燥分別節(jié)約了23.39%和18.36%的電能。

無(wú)論普通模式干燥還是變頻模式干燥，板材越厚，干燥周期越長(zhǎng)，總耗電量就越多。從表4可知，干燥28 mm與50 mm 2種厚度板材總耗電量差異較大，但單位板材耗電量差異不大，因此可以認(rèn)為單位板材耗電量與干燥方式密切相關(guān)?？偤碾娏颗c總耗汽量、總材積呈正比，即木材實(shí)際材積越大，總耗汽量越大，總耗電量也越大，因而單位板材耗電量與實(shí)際干燥木材總材積呈正比。

在干燥前期，2種干燥方式下含水率隨干燥時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，干燥曲線基本重合;在干燥中后期，木材含水率＜纖維飽和點(diǎn)(FSP)時(shí)，節(jié)能變頻裝置開(kāi)啟，變頻器改變了交流電機(jī)供電的頻率和幅值，從而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)風(fēng)量［8，17］，隨著風(fēng)速降低，木材表面水分蒸發(fā)速度降低，其內(nèi)部水分移動(dòng)速度減弱，干燥過(guò)程中反復(fù)變頻，窯內(nèi)木材總體水分蒸發(fā)速度降低，因而干燥速度降低，干燥周期略延長(zhǎng)。

2.1.2 耗電速度對(duì)比 由圖1可知，28 mm厚板材2種不同干燥方式的平均單位耗電速度(總耗電量與干燥天數(shù)的比值)分別為 427.47、291.09 kW·h·d－1，變頻模式干燥較普通模式干燥其平均單位耗電速度降低31.90%。由圖2可知，50 mm厚板材2種不同干燥方式的平均單位耗電速度分別為439.73、319.09 kW·h·d－1，變頻模式干燥較普通模式干燥其平均單位耗電速度降低27.43%。

表4 整體耗電量對(duì)比Table 4 Total power consumption comparison

圖1 28 mm厚鋸材單位耗電速度Fig.1 Unit energy consumption rate of 28 mm thick lumber

圖2 50 mm厚鋸材單位耗電速度Fig.2 Unit energy consumption rate of 50 mm thick lumber

28 mm與50 mm厚板材在干燥前期，2種不同干燥方式的單位耗電速度基本一致，之后隨著變頻裝置的開(kāi)啟，兩者耗電速度發(fā)生變化，其中變頻模式下干燥的單位耗電速度成折線形波動(dòng)，呈總體下降趨勢(shì)，而普通模式下干燥單位材積板材耗電速度在中、后期基本不變。由于變頻器改變了交流電機(jī)供電的頻率和幅值，改變了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低了電機(jī)的耗電量，從而降低了耗電速度，反映出單位耗電速度特性與變頻干燥的特性相匹配。

同為變頻干燥模式下，28 mm與50 mm厚板材的單位耗電速度有一定差異，兩者單位耗電速度分別為 291.09 kW·h·d－1和 319.09 kW·h·d－1，50 mm厚板材平均單位耗電速度高于28 mm厚板9.62%。造成兩者差異原因，主要是板材越厚，水分移動(dòng)越慢，干燥周期越長(zhǎng)，總耗電量越大，因而平均單位耗電速度略高。

在板材干燥初期，木材含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，變頻裝置并沒(méi)有開(kāi)啟，因此與普通模式干燥的單位耗電速度曲線基本相重合。隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，各時(shí)間段28 mm與50 mm厚板材的耗電速度曲線變化較明顯。從圖1、圖2中可以看出每個(gè)單位耗電速度都有4個(gè)節(jié)電區(qū)間，這與該變頻器所采用了4個(gè)頻率轉(zhuǎn)換區(qū)間相匹配，說(shuō)明變頻模式干燥的變頻裝置開(kāi)啟起到了節(jié)電的作用。

2.2 蒸汽能耗對(duì)比

匯總試驗(yàn)階段該家具公司部分干燥窯干燥鋸材數(shù)量和耗汽量(表5)。從表5可知，28 mm厚度板材普通模式與變頻模式干燥板材的單位小時(shí)耗汽量分別為 0.084 9、0.082 7 t·h－1，兩者差異不大;干燥50 mm厚度板材單位小時(shí)耗汽量分別為0.094 1、0.091 0 t·h－1，差異亦不大，單位小時(shí)耗汽量只與所干燥板材的厚度、木材初始含水率高低及干燥窯裝填量有關(guān)。同為變頻干燥模式，28 mm與50 mm厚板材的單位小時(shí)耗汽量分別為 0.082 7 t·h－1和 0.091 0 t·h－1，后者高于前者 10.03%。

從表5可知，28 mm厚度板材變頻模式較普通模式的板材平均單位體積耗汽量高9.64%;50 mm厚度板材變頻模式較普通模式的板材平均單位體積耗汽量高8.87%。導(dǎo)致單位體積板材耗汽量不同的主要因素是板材厚度不同，板材越厚，其干燥周期越長(zhǎng)，總耗汽量越大。變頻模式干燥對(duì)總耗汽量有一定影響，因?yàn)槠淇偤钠渴芨稍镏芷谟绊憽?/p>

表5 耗汽量對(duì)比Table 5 Contrast table of steam consumption

同為變頻干燥模式，干燥50 mm厚板材平均單位體積板材耗汽量高于28 mm厚板材5.63%，說(shuō)明變頻模式干燥對(duì)不同厚度板材的平均單位板材耗汽量有一定影響，板材越厚，其平均單位體積板材耗汽量越大，但總體差異不大。

2.3 綜合能耗對(duì)比

根據(jù)《LY/T2072－2012木材干燥生產(chǎn)綜合能耗》標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化率的計(jì)算方法，以同期同窯干燥木材全部合格為條件計(jì)算的綜合能耗見(jiàn)表6。由于涉及柴油、水轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)煤是根據(jù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算的，因此通過(guò)公式M=ρv進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，柴油的密度取值為0.85 g·cm－3、水的密度取值為 1 g·cm－3。28 mm厚板材樹(shù)種、氣溫、材質(zhì)、木材含水率、厚度、年產(chǎn)量修正系數(shù)分別為 1、1、0.95、1.1、1、1，而 50 mm 厚板材樹(shù)種、氣溫、材質(zhì)、木材含水率、厚度、年產(chǎn)量修正系數(shù)分別為 1、1、0.95、1.1、0.9、1。

表6 綜合能耗對(duì)比Table 6 Contrast of comprehensive energy consumption

單位產(chǎn)量綜合能耗是指在統(tǒng)計(jì)報(bào)告期內(nèi)木材干燥生產(chǎn)的綜合能耗總量與同期合格干燥木材產(chǎn)量的比值。單位產(chǎn)量基本能耗是指在符合一些的基本條件時(shí)，干燥1 m3木材消耗的能源數(shù)量，數(shù)值由綜合能耗乘以修正系數(shù)得出。在材質(zhì)和含水率的修正系數(shù)同為0.95和1.1的基礎(chǔ)上，50 mm橄欖木的厚度修正系數(shù)為0.9，計(jì)算得出的單位產(chǎn)量基本能耗比單位產(chǎn)量綜合能耗要小，而28 mm橄欖木的厚度修正系數(shù)為1，計(jì)算得出的單位產(chǎn)量基本能耗比單位產(chǎn)量綜合能耗要大。

由表6可知，干燥28 mm厚度板材變頻模式較普通模式干燥板材綜合能耗降低22.59%，單位產(chǎn)量綜合能耗降低22.56%，單位產(chǎn)量基本能耗降低22.60%(單位產(chǎn)量綜合能耗和單位產(chǎn)量基本能耗是根據(jù)綜合能耗計(jì)算得出)。干燥50 mm厚度板材變頻模式較普通模式綜合能耗降低17.78%，單位產(chǎn)量綜合能耗降低 17.80%，單位產(chǎn)量基本能耗降低17.77%。變頻模式干燥較普通模式干燥具有明顯的降耗節(jié)能效果。

同為變頻模式，干燥50 mm厚板材的單位材積的綜合能耗、單位產(chǎn)量綜合能耗和單位產(chǎn)量基本能耗均高于28 mm厚度板材。說(shuō)明相同干燥模式下，板材厚度對(duì)能耗有一定影響，但差異不大。

變頻節(jié)能降耗的原因，在于采用變頻器軟啟動(dòng)，解決了電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)存在的啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊等缺點(diǎn)。通過(guò)變頻技術(shù)對(duì)高壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)門、擋板、閥門的控制，可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的電耗也相應(yīng)降低，同時(shí)，使用變頻調(diào)速方法降低了原來(lái)消耗在出口閥上的能量，保證了排量，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的作用［11］。

3 結(jié)論與討論

干燥28 mm與50 mm厚板材，變頻模式平均單位材積板材耗電量較普通模式分別降低23.39%和18.36%。在相同干燥模式下，無(wú)論普通模式還是變頻模式，2種厚度板材的單位材積板材耗電量幾乎無(wú)差異。變頻模式通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低了木材表面水分蒸發(fā)速度，干燥周期略延長(zhǎng)。

干燥28 mm與50 mm厚板材變頻模式較普通模式平均單位耗電速度分別降低了 31.90%和27.43%。同為變頻干燥模式，干燥28 mm厚板材與50 mm厚板材的單位耗電速度分別為291.09、319.09 kW·h·d－1，干燥50 mm厚板材平均單位耗電速度高于28 mm厚板9.62%，板材越厚，平均單位耗電速度越高，干燥周期越長(zhǎng)，總耗電量越大。

不同干燥模式下干燥28 mm與50 mm厚度板材，普通模式與變頻模式的單位小時(shí)耗汽量差異均不大，只與所干燥板材的厚度及裝填量有關(guān)。同為變頻干燥模式，50 mm厚板材比28 mm厚板材的單位小時(shí)耗汽量高10.03%。

28 mm厚度板材變頻模式較普通模式的板材平均單位板材耗汽量高9.64%;50 mm厚度板材變頻模式較普通模式的板材平均單位板材耗汽量高8.87%;同為變頻干燥模式，50 mm厚板材平均單位板材耗汽量高于28 mm厚板材5.63%。

不同模式下干燥28 mm與50 mm厚度板材，變頻模式較普通模式綜合能耗降低22.59%和17.78%，單位產(chǎn)量綜合能耗降低22.56%和17.80%，單位產(chǎn)量基本能耗降低22.60%和17.77%。同為變頻模式，50 mm厚板材的單位材積的綜合能耗、單位產(chǎn)量綜合能耗和單位產(chǎn)量基本能耗均高于28 mm厚度板材。說(shuō)明相同干燥模式下，綜合能耗與總裝載材積正相關(guān)。