張 鵬，曹 凱，張 建，苗 強(qiáng)

（山東中煙有限責(zé)任公司青島卷煙廠設(shè)備動(dòng)力處，山東青島 266101）

1 項(xiàng)目立項(xiàng)的背景及意義

1.1 項(xiàng)目背景

1.1.1 貫徹新時(shí)期綠色發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求

當(dāng)今時(shí)代中國(guó)正在進(jìn)入高速發(fā)展階段，中國(guó)經(jīng)濟(jì)模式正在全世界展現(xiàn)巨大的中國(guó)優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于能源的使用日益增加，導(dǎo)致全國(guó)排放的二氧化碳逐年增加，能源已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。2008 年4 月，節(jié)能減排工作被列入基本國(guó)策，“十二五”期間，又將節(jié)能指標(biāo)作為約束性指標(biāo)，制定《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，對(duì)全國(guó)年綜合能源消費(fèi)量在1 萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上的萬(wàn)家企業(yè)提出節(jié)能低碳行動(dòng)的十項(xiàng)要求。其中，對(duì)能源管理體系建設(shè)提出更高要求。在國(guó)家綠色發(fā)展與節(jié)能減排的大背景下，行業(yè)提出精益管理做除法，降本增效是內(nèi)功基本定位，深挖、細(xì)挖設(shè)備節(jié)能潛力。

1.1.2 企業(yè)降本增效與智能化生產(chǎn)的內(nèi)在需求

工藝空調(diào)系統(tǒng)作為青島卷煙廠的主要耗能設(shè)備，能耗占到30%。而制冷系統(tǒng)能耗占到夏季空調(diào)能耗80%。在夏季，空調(diào)表冷系統(tǒng)需要同時(shí)減溫與除濕，單層表冷同時(shí)滿足要求時(shí)，要犧牲很大能源效率。

1.1.3 實(shí)現(xiàn)兩保障一降低的必然途徑

制冷系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)保障生產(chǎn)、生活用制冷量，還要實(shí)現(xiàn)能耗下降，必然要通過(guò)設(shè)備改進(jìn)與升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 項(xiàng)目意義

卷煙廠的生產(chǎn)工藝過(guò)程和生產(chǎn)材料對(duì)環(huán)境溫濕度的要求標(biāo)準(zhǔn)較高。青島夏季高溫高濕，表冷器不僅需要降溫而且需要除濕，溫度設(shè)定過(guò)低除濕后需要再次進(jìn)行蒸汽加濕，給制冷帶來(lái)更多的熱負(fù)荷，造成更高的能耗；溫度設(shè)定過(guò)高，無(wú)法滿足降溫除濕的效果，導(dǎo)致室內(nèi)溫濕度指標(biāo)難于控制，直接影響卷煙生產(chǎn)工藝過(guò)程和最終卷煙成品。在卷煙企業(yè)日常生產(chǎn)運(yùn)行中，工業(yè)空調(diào)表冷器性能對(duì)卷煙企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)具有重要影響。

2 卷煙企業(yè)工藝空調(diào)雙層表冷器的研究與分析

2.1 工況分析

國(guó)內(nèi)溫濕度工況主要分為濕工況、干工況和半干半濕工況三種，如果表冷器表面溫度大于空氣進(jìn)口露點(diǎn)溫度，此時(shí)定義為干工況；如果表冷器表面溫度小于空氣進(jìn)口露點(diǎn)溫度，此時(shí)定義為濕工況；如果表冷器表面溫度等于空氣進(jìn)口露點(diǎn)溫度，此時(shí)定義為半干半濕工況。國(guó)外對(duì)于工況的判斷主要有兩種方式，一是采用工藝空調(diào)表冷器表面溫度和空氣進(jìn)出口干球溫度進(jìn)行比較；二是采用焓值比較來(lái)判斷工況。

卷煙企業(yè)工藝空調(diào)在日常運(yùn)行中，在夏季出現(xiàn)高溫高濕天氣，開啟表冷器進(jìn)行降溫時(shí)，一般會(huì)伴隨著除去一部分水分導(dǎo)致需要進(jìn)行后續(xù)的蒸汽加濕，這樣就會(huì)造成蒸汽加濕的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。引入SHR（Sensible Heat Ratio，顯熱比）進(jìn)行量化工藝空調(diào)表冷器顯熱和潛熱的負(fù)荷參數(shù)。經(jīng)過(guò)分析可知，當(dāng)卷煙企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)表冷器的SHR 與室內(nèi)空調(diào)工藝環(huán)境SHR 相等時(shí)，此時(shí)可以把空調(diào)系統(tǒng)表冷器的出口空氣直接送進(jìn)空調(diào)工藝環(huán)境中，不需要進(jìn)行溫度和濕度的補(bǔ)償，避免了降溫除濕后需要額外進(jìn)行蒸汽加濕的步驟，避免了不必要的能源浪費(fèi)。卷煙企業(yè)傳統(tǒng)的工藝空調(diào)是需要通過(guò)調(diào)節(jié)表冷器進(jìn)水流量來(lái)控制空調(diào)的送風(fēng)溫度，在空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)流程中不涉及和考慮空調(diào)表冷器的SHR，導(dǎo)致傳統(tǒng)空調(diào)存在較大的節(jié)能空間。

2.2 夏季空調(diào)控制過(guò)程

以青島為例，在夏季高溫、高濕天氣時(shí)，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于高溫高濕氣體的處理流程如圖1 所示。需要處理的新風(fēng)空氣由a 點(diǎn)通過(guò)空調(diào)表冷器后進(jìn)行降溫和除濕，到達(dá)b 點(diǎn)時(shí)處于飽和狀態(tài)；然后再經(jīng)過(guò)空調(diào)加熱器進(jìn)行加熱，此時(shí)處理的空調(diào)濕度升高但空氣的含濕量不變，導(dǎo)致待處理的空氣相對(duì)濕度進(jìn)行降低，此時(shí)處于c 點(diǎn)狀態(tài)；最后空氣通過(guò)蒸汽加濕器進(jìn)行加濕，增加空氣的含濕量但空氣的溫度不變，此時(shí)來(lái)到d 點(diǎn)，最后將處理后的空氣送入空調(diào)工藝環(huán)境內(nèi)。在室外空氣處理流程中降溫除濕后再進(jìn)行蒸汽加熱和和蒸汽加濕都浪費(fèi)大量的蒸汽，存在能源浪費(fèi)現(xiàn)象。

2.3 改造思路

將現(xiàn)有空調(diào)進(jìn)行改造，實(shí)行空調(diào)表冷分層控制，實(shí)現(xiàn)降溫和除濕的分別單獨(dú)控制，并在末端加裝控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。分析冷凍水管路流體，建立流體模型；換熱效率分析，上下層冷凍水溫度設(shè)定匹配；冷凍水末端控制系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。需要安裝溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 空調(diào)夏季空氣處理過(guò)程

3 卷煙企業(yè)工藝空調(diào)雙層表冷器的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)施

雙層表冷器機(jī)械結(jié)構(gòu)是將原來(lái)一個(gè)整體式的表冷器改造成為上下兩層表冷器。

3.2 設(shè)計(jì)原理

當(dāng)卷煙企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)表冷器的SHR 與室內(nèi)空調(diào)工藝環(huán)境SHR 相等時(shí)，把空調(diào)系統(tǒng)表冷器的出口空氣直接送進(jìn)空調(diào)工藝環(huán)境中，避免不必要的能源浪費(fèi)。但卷煙企業(yè)傳統(tǒng)的工藝空調(diào)需要通過(guò)調(diào)節(jié)表冷器進(jìn)水流量控制空調(diào)的送風(fēng)溫度，在空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)流程中不涉及和考慮空調(diào)表冷器的SHR，導(dǎo)致傳統(tǒng)空調(diào)存在較大的節(jié)能空間。因此提出一種熱、濕分別進(jìn)行獨(dú)立控制的雙回路表冷器結(jié)構(gòu)。單層表冷工作過(guò)程中，雖然SHR 可以進(jìn)行匹配，但是均需要加熱來(lái)進(jìn)行輔助，消耗蒸汽量。雙層表冷器則可以滿足大部分送風(fēng)工況要求，只有少部分不滿足要求，可以節(jié)省大量的蒸汽。

卷煙企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)干工況處理過(guò)程：兩個(gè)表冷閥均根據(jù)車間溫度同步動(dòng)作，但表冷器溫度限定在回風(fēng)露點(diǎn)溫度以上。

卷煙企業(yè)空調(diào)濕工況處理過(guò)程：優(yōu)先動(dòng)作M1 調(diào)節(jié)閥，調(diào)整除濕量，當(dāng)除濕滿足要求后，調(diào)節(jié)M2 調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)溫度，最后通過(guò)調(diào)整送風(fēng)量，以此平衡總冷量與車間負(fù)荷。

3.3 控制程序的研究與實(shí)施

卷煙企業(yè)工藝空調(diào)雙層表冷器控制流程如圖2 所示?？刂七壿嫞很囬gSHR 定義為S1，表冷器SHR 定義為S2，熱負(fù)荷為定義為Q1，濕負(fù)荷定義為W1，總焓值定義為H1。制冷冷負(fù)荷為定義為Q2，除濕負(fù)荷定義為W2，總焓值定義為H2，兩個(gè)表冷閥分別定義為M1、M2。

當(dāng)S1=1 時(shí)，同步調(diào)節(jié)M1、M2，以滿足降低需要（只需降溫）；當(dāng)S1＜1 時(shí)，增大M1開度；當(dāng)S2=S1時(shí)，若H2＜H1，繼續(xù)增大M1開度至W2=W1，再增大M2開度至H2=H1，若H2=H1，則保持M1開度，M2不進(jìn)行調(diào)節(jié)；若H2＞H1，則保持M1開度，降低送風(fēng)機(jī)頻率，減少送風(fēng)，直至H2=H1。

4 改造效果及推廣價(jià)值

4.1 改造效果

項(xiàng)目實(shí)施后減少了高溫、高濕工況下蒸汽加濕的負(fù)荷和用量，提升了對(duì)工藝空調(diào)能源消耗過(guò)程的控制能力，為卷煙企業(yè)降本增效提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.1.1 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）卷煙企業(yè)雙層表冷器可用于單回風(fēng)、二次回風(fēng)等多種形式恒溫恒濕工藝空調(diào)中，具有很強(qiáng)的推廣性。

（2）提升卷煙企業(yè)工藝空調(diào)表冷器SHR 調(diào)節(jié)范圍，增加表冷器調(diào)節(jié)范圍，節(jié)約輔助蒸汽能耗。

（3）基于原有設(shè)備升級(jí)，雙層表冷器全自動(dòng)控制程序可兼容于原有控制系統(tǒng)，適用性強(qiáng)，改造成本低，節(jié)能效果明顯。

4.1.2 節(jié)能效果

2018 年卷包大區(qū)域萬(wàn)支卷煙綜合能耗為2.80 kg/萬(wàn)支，經(jīng)過(guò)一年的項(xiàng)目實(shí)施后，2019 年卷包大區(qū)域萬(wàn)支卷煙綜合能耗降為2.79 kg/萬(wàn)支。2019 年與2018 年相比，節(jié)省52.712 t 標(biāo)煤，減少二氧化碳排放量約142.322 t。

圖2 控制流程

4.2 推廣價(jià)值

以卷包大區(qū)域空調(diào)為例開展的基于冷凍水降溫、除濕的應(yīng)用與研究，還可推廣到全廠其他工藝空調(diào)中，具有很高的推廣價(jià)值。