中國城市發(fā)展規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司 劉 敏 曾 巍 陳曉春 郝 軍廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 蔡藍燕 曾 靜 徐建燎
目前煙草行業(yè)的能源消耗主要由工藝生產(chǎn)設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、空氣壓縮及真空系統(tǒng)等產(chǎn)生,其中空調(diào)系統(tǒng)具有控制精度高、風(fēng)量大、能耗高、制冷機組全年運行周期長等特點[1-3],其能耗通常能達到總能耗的30%~50%[4],是卷煙企業(yè)節(jié)能工作的重要環(huán)節(jié)。實際調(diào)研發(fā)現(xiàn),卷煙企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)運行時主要存在空調(diào)參數(shù)控制精度過高、設(shè)備裝機容量過大、部分負荷調(diào)節(jié)能力差、空調(diào)機組的設(shè)置和控制與工藝設(shè)備運行不匹配等問題。
本文結(jié)合實際案例,基于卷包車間實際生產(chǎn)模式,將卷包車間人為劃分為不同空調(diào)區(qū)域,并在現(xiàn)有風(fēng)管布置條件下,進一步優(yōu)化空調(diào)機組的運行控制方式,實現(xiàn)空調(diào)運行與卷包生產(chǎn)相適應(yīng),同時根據(jù)實際要求調(diào)整室內(nèi)空調(diào)參數(shù)控制精度,從而降低卷包車間空調(diào)運行能耗。
該項目卷包車間建筑面積為11 102 m2,車間高度為15.9 m,為檢修方便,在高度6.05 m處設(shè)置鋁合金針孔板吸聲吊頂,吊頂上方為金屬格柵頂,所有的空調(diào)、工藝及動力管線全部安裝在鋼格柵上方。卷包車間設(shè)計溫濕度為:夏季(26±2)℃、(58±5)%;冬季(24±2)℃、(58±5)%。設(shè)計送風(fēng)溫差為5.5 ℃。氣流組織方式為上送上回,送風(fēng)口選用旋流風(fēng)口,回風(fēng)口為百葉風(fēng)口。
卷包車間設(shè)置8臺組合式空調(diào)機組(kj1~kj8),空調(diào)機組參數(shù)見表1。工藝設(shè)備布局為矩形分布,以圖1中走廊為界分為高速機區(qū)域(走廊下方FB1~FB7)、中速機區(qū)域(中間走廊上方EB1、EB2、EB4~EB10)。
表1 卷包車間空調(diào)機組參數(shù)
圖1 卷包車間工藝設(shè)備布局與空調(diào)機組劃分區(qū)域示意圖
1) 通過現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)據(jù)監(jiān)測等手段收集卷包車間建筑概況、室內(nèi)熱擾及設(shè)備作息、室內(nèi)溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)、空調(diào)機組各閥門開度、風(fēng)機運行頻率和功率等信息,判斷空調(diào)機組運行中存在的問題。
2) 分析空調(diào)溫度波動范圍、濕度波動范圍對空調(diào)能耗的影響,得出溫濕度參數(shù)及精度控制與空調(diào)能耗的關(guān)系。
3) 在滿足工藝溫濕度要求的前提下,當(dāng)各空調(diào)機組服務(wù)范圍內(nèi)卷包機組部分開啟時,關(guān)閉停運機臺上方的送風(fēng)口閥門,確定空調(diào)送風(fēng)量的范圍,作為制定空調(diào)控制策略的依據(jù)。
4) 提出卷包車間空調(diào)機組節(jié)能優(yōu)化改造方案。
根據(jù)該廠技術(shù)中心對卷包車間溫濕度的要求,溫度控制精度為±2 ℃,相對濕度控制精度為±5%,但由于生產(chǎn)操作問題,卷包車間的實際控制過程中溫度波動范圍為(25.57±0.6)℃,相對濕度為(58±1.65)%。相比卷包車間設(shè)計溫度控制精度±2 ℃、相對濕度控制精度±5%,實際空調(diào)機組的溫濕度精度控制過度,導(dǎo)致空調(diào)能耗升高,以及蒸汽、冷水閥的頻繁動作。卷包車間室內(nèi)溫度、相對濕度逐時變化情況見圖2、3。
圖2 卷包車間室內(nèi)溫度逐時變化情況
圖3 卷包車間室內(nèi)相對濕度逐時變化情況
建立不同方案下卷包車間能耗分析測算模型,計算節(jié)能量,如表2所示。相比實際控制精度,設(shè)計溫濕度控制精度下,每年可節(jié)約電能10.9萬kW·h及蒸汽293 t,節(jié)能率為5.5%。
表2 不同控制精度下空調(diào)能耗
從工藝設(shè)備布置和空調(diào)機組的對應(yīng)關(guān)系分析,存在以下問題:
1) 空調(diào)機組所覆蓋的區(qū)域,設(shè)備布置數(shù)量及發(fā)熱源存在分布不均勻的情況,但是空調(diào)機組均采用統(tǒng)一的設(shè)備型號及送風(fēng)狀態(tài)控制方式。
2) 根據(jù)車間的工藝生產(chǎn)班制及設(shè)備開啟情況分析,不同的卷包機組開啟率有較大差別,其中靠車間北側(cè)的中速機組開啟率相對較低,南側(cè)的高速機組開啟率較高。而空調(diào)機組仍保持均勻的送風(fēng)控制方式,存在空調(diào)能耗浪費的情況。
3) 部分空調(diào)機組如kj1和kj8覆蓋區(qū)域有部分區(qū)域空置,該區(qū)域空調(diào)仍運行,無法實現(xiàn)單獨控制。
考慮計算的可行性和準(zhǔn)確性,各空調(diào)區(qū)域單獨進行分析,即計算某個空調(diào)區(qū)域負荷時,只建立該區(qū)域內(nèi)的送回風(fēng)模型及其服務(wù)的卷包機組模型。由于與相鄰空調(diào)區(qū)域之間的熱流邊界條件無法獲知,因此,將單個空調(diào)區(qū)域置于2種極端環(huán)境下:第一類環(huán)境是在典型夏季工況下,將單個空調(diào)區(qū)域置于整個卷包車間進行計算,此時得到的送風(fēng)量為最大可能送風(fēng)量Gmax;第二類環(huán)境是在典型夏季工況下,將單個空調(diào)區(qū)域置于周邊絕熱的環(huán)境進行計算,此時得到的送風(fēng)量為最小可能送風(fēng)量Gmin。預(yù)測出的空調(diào)送風(fēng)量介于最大可能送風(fēng)量Gmax和最小可能送風(fēng)量Gmin之間,作為制定空調(diào)控制策略的依據(jù)。
3.3.1邊界條件設(shè)置
1) 卷包設(shè)備發(fā)熱量。
卷包設(shè)備散熱量Qs與卷包設(shè)備安裝功率N、除塵系統(tǒng)排風(fēng)帶走的熱量Qp、生產(chǎn)冷水帶走的熱量Qc(高速卷包機組需要供應(yīng)冷水)等有關(guān),具體關(guān)系如下:
Qs=φ1φ2(N-Qp-Qc)
(1)
式中 φ1為卷包設(shè)備的有效作業(yè)率,反映單臺設(shè)備生產(chǎn)水平的高低;φ2為卷包設(shè)備的同時利用率,反映設(shè)備的同時使用情況。
設(shè)備的有效作業(yè)率指單位時間實際產(chǎn)出與生產(chǎn)設(shè)備的單位時間理論產(chǎn)出之比。當(dāng)設(shè)備短暫停機或者低負荷運行甚至無法運轉(zhuǎn)時,設(shè)備的散熱量會相應(yīng)地受到影響。卷包設(shè)備的綜合系數(shù)取0.85[5]。
根據(jù)卷包機組生產(chǎn)計劃,同時投入生產(chǎn)的機組最多為12臺。目前卷包車間設(shè)有17臺卷包機組,因此,卷包設(shè)備最大同時利用率為0.71。當(dāng)僅考慮單臺設(shè)備發(fā)熱量時,同時利用率取1。
2) 卷包車間空氣濕度。
卷包車間的散濕量主要為人員散濕,設(shè)備及其他散濕可忽略不計。因此,在空調(diào)送風(fēng)濕度不發(fā)生變化的情況下,各區(qū)域人員按照生產(chǎn)規(guī)律進行工作,分別開啟關(guān)閉對應(yīng)區(qū)域的空調(diào)不會對其他區(qū)域的空氣濕度產(chǎn)生較大的影響和波動。因此,本文重點分析各空調(diào)區(qū)域的溫度和風(fēng)速的變化情況。
3.3.2物理模型
考慮到模擬計算的可實現(xiàn)性,對卷包車間模型作如下簡化:1) 卷包車間采取上送上回的送風(fēng)方式,且吊頂封閉,因此只取卷包車間吊頂下空間為研究對象;2) 卷包設(shè)備簡化為長方體的多孔介質(zhì),孔隙率取0.5。三維計算模型如圖4所示。
圖4 三維計算模型
3.3.3結(jié)果分析
以空調(diào)機組kj4為例,當(dāng)送風(fēng)量為原設(shè)計風(fēng)量的70%時,夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為24.8~27.8 ℃,區(qū)域內(nèi)風(fēng)速在1.3 m/s以內(nèi),基本滿足設(shè)計要求;當(dāng)送風(fēng)量為設(shè)計風(fēng)量的50%時,夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為25.1~27.1 ℃,區(qū)域內(nèi)風(fēng)速在0.86 m/s以內(nèi),基本滿足設(shè)計要求。因此,當(dāng)卷包機組EB2關(guān)閉、其上方對應(yīng)的送風(fēng)口不送風(fēng)時,預(yù)測夏季工況空調(diào)送風(fēng)量為原設(shè)計送風(fēng)量的20%~60%,即23 000~69 000 m3/h。計算結(jié)果見圖5~8。卷包車間各空調(diào)機組風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍見表3。
表3 卷包車間空調(diào)機組風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍
圖5 夏季工況kj4最大可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處溫度場
圖6 夏季工況kj4最大可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處速度場
圖7 夏季工況kj4最小可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處溫度場
圖8 夏季工況kj4最小可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處速度場
按設(shè)計要求的溫濕度控制精度,重新設(shè)置溫濕度傳感器的控制參數(shù),溫度控制精度設(shè)為±2 ℃,相對濕度控制精度設(shè)為±5%。
在空調(diào)機組kj1~kj5、kj8服務(wù)區(qū)域(中速機EB1、EB2、EB4~EB10與高速機FB1~FB7)增加風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥(見圖9中圓點標(biāo)注位置),通過采集中速機(EB4~EB10)與高速機(FB1~FB7)的開機信號,判斷風(fēng)閥的動作方式,包括風(fēng)閥的調(diào)節(jié)位置(全開/比例開啟/關(guān)閉)。
圖9 風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥布置圖
現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn),kj8空調(diào)機組本身設(shè)置有風(fēng)閥,但缺少電動執(zhí)行裝置,因此在原風(fēng)閥基礎(chǔ)上增加電動執(zhí)行器(見圖10中圓點標(biāo)注位置)。通過采集中速機EB1與EB2的開機信號,判斷風(fēng)閥的動作方式,包括風(fēng)閥的調(diào)節(jié)位置(全開/開啟比例/關(guān)閉)。
圖10 風(fēng)閥電動執(zhí)行器布置圖
在kj1覆蓋的區(qū)域中南側(cè)區(qū)域無生產(chǎn)設(shè)備,且無人員固定工作崗位,因此,關(guān)閉kj1覆蓋的南側(cè)區(qū)域內(nèi)的14個送風(fēng)口。
根據(jù)CFD模擬分析結(jié)果,對kj1~kj5、kj8空調(diào)機組送回風(fēng)機的頻率、轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。當(dāng)檢測到某機組停機后延時30 min關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域送風(fēng)閥,空調(diào)送回風(fēng)機運行頻率同步調(diào)整,范圍為20~35 Hz;當(dāng)檢測到某機組開機時,開啟相應(yīng)區(qū)域送風(fēng)閥,空調(diào)送回風(fēng)機運行頻率同步調(diào)整,范圍為30~48 Hz。卷包機組與空調(diào)機組對應(yīng)關(guān)系見表4。
表4 卷包機組與空調(diào)機組對應(yīng)關(guān)系
區(qū)域送風(fēng)閥關(guān)閉后,對應(yīng)區(qū)域的溫濕度傳感器不參與平均值計算,即空調(diào)控制系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)時將忽略對應(yīng)區(qū)域的溫濕度數(shù)值,反映實際生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境狀況,進而更加準(zhǔn)確地判斷空調(diào)負荷。
基于空調(diào)機組實際運行數(shù)據(jù),對改造前后的經(jīng)濟效益進行分析。運行數(shù)據(jù)選取改造前1—10月和改造后1—10月,從制冷耗電量、風(fēng)機耗電量和蒸汽消耗量3個方面進行比較,空調(diào)機組節(jié)能改造后節(jié)能率為28.9%(見表5)。蒸汽價格取273元/t,電價取0.95元/(kW·h),則改造后減少運行費用76.2萬元。
表5 卷包車間空調(diào)機組改造前后能源消耗量對比
1) 在保證卷煙質(zhì)量的前提下,根據(jù)實際工藝要求調(diào)整卷包車間空調(diào)參數(shù)控制精度。同時,通過增設(shè)風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥和電動執(zhí)行器,關(guān)閉閑置設(shè)備區(qū)域上方的風(fēng)口,優(yōu)化空調(diào)機組控制策略等措施,實現(xiàn)了空調(diào)機組布置和送風(fēng)調(diào)節(jié)與設(shè)備生產(chǎn)良好匹配。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示空調(diào)機組節(jié)能率達到28.9%。
2) 設(shè)計時應(yīng)充分調(diào)研和考慮投產(chǎn)后的生產(chǎn)班制安排、工藝設(shè)備開啟規(guī)律及有效作業(yè)率,在此基礎(chǔ)上細分空調(diào)區(qū)域。
3) 運行管理階段應(yīng)按卷煙技術(shù)要求設(shè)置溫濕度控制值,不應(yīng)過分追求空調(diào)精度,且當(dāng)工藝設(shè)備長期閑置時,及時關(guān)閉對應(yīng)區(qū)域的溫濕度傳感器。