中國城市發(fā)展規(guī)劃設計咨詢有限公司 劉 敏 曾 巍 陳曉春 郝 軍廈門煙草工業(yè)有限責任公司 蔡藍燕 曾 靜 徐建燎

0 引言

目前煙草行業(yè)的能源消耗主要由工藝生產設備、空調系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、空氣壓縮及真空系統(tǒng)等產生，其中空調系統(tǒng)具有控制精度高、風量大、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)。實際調研發(fā)現，卷煙企業(yè)空調系統(tǒng)運行時主要存在空調參數控制精度過高、設備裝機容量過大、部分負荷調節(jié)能力差、空調機組的設置和控制與工藝設備運行不匹配等問題。

本文結合實際案例，基于卷包車間實際生產模式，將卷包車間人為劃分為不同空調區(qū)域，并在現有風管布置條件下，進一步優(yōu)化空調機組的運行控制方式，實現空調運行與卷包生產相適應，同時根據實際要求調整室內空調參數控制精度，從而降低卷包車間空調運行能耗。

1 工程概況

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、工藝及動力管線全部安裝在鋼格柵上方。卷包車間設計溫濕度為：夏季(26±2)℃、(58±5)%；冬季(24±2)℃、(58±5)%。設計送風溫差為5.5 ℃。氣流組織方式為上送上回，送風口選用旋流風口，回風口為百葉風口。

卷包車間設置8臺組合式空調機組(kj1～kj8)，空調機組參數見表1。工藝設備布局為矩形分布，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 卷包車間空調機組參數

圖1 卷包車間工藝設備布局與空調機組劃分區(qū)域示意圖

2 研究思路

1) 通過現場調研、數據監(jiān)測等手段收集卷包車間建筑概況、室內熱擾及設備作息、室內溫濕度監(jiān)測數據、空調機組各閥門開度、風機運行頻率和功率等信息，判斷空調機組運行中存在的問題。

2) 分析空調溫度波動范圍、濕度波動范圍對空調能耗的影響，得出溫濕度參數及精度控制與空調能耗的關系。

3) 在滿足工藝溫濕度要求的前提下，當各空調機組服務范圍內卷包機組部分開啟時，關閉停運機臺上方的送風口閥門，確定空調送風量的范圍，作為制定空調控制策略的依據。

4) 提出卷包車間空調機組節(jié)能優(yōu)化改造方案。

3 現狀分析

3.1 空調溫濕度精度控制過度

根據該廠技術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)%。相比卷包車間設計溫度控制精度±2 ℃、相對濕度控制精度±5%，實際空調機組的溫濕度精度控制過度，導致空調能耗升高，以及蒸汽、冷水閥的頻繁動作。卷包車間室內溫度、相對濕度逐時變化情況見圖2、3。

圖2 卷包車間室內溫度逐時變化情況

圖3 卷包車間室內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能耗

3.2 空調運行與生產不匹配

從工藝設備布置和空調機組的對應關系分析，存在以下問題：

1) 空調機組所覆蓋的區(qū)域，設備布置數量及發(fā)熱源存在分布不均勻的情況，但是空調機組均采用統(tǒng)一的設備型號及送風狀態(tài)控制方式。

2) 根據車間的工藝生產班制及設備開啟情況分析，不同的卷包機組開啟率有較大差別，其中靠車間北側的中速機組開啟率相對較低，南側的高速機組開啟率較高。而空調機組仍保持均勻的送風控制方式，存在空調能耗浪費的情況。

3) 部分空調機組如kj1和kj8覆蓋區(qū)域有部分區(qū)域空置，該區(qū)域空調仍運行，無法實現單獨控制。

3.3 送風節(jié)能分析

考慮計算的可行性和準確性，各空調區(qū)域單獨進行分析，即計算某個空調區(qū)域負荷時，只建立該區(qū)域內的送回風模型及其服務的卷包機組模型。由于與相鄰空調區(qū)域之間的熱流邊界條件無法獲知，因此，將單個空調區(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，將單個空調區(qū)域置于整個卷包車間進行計算，此時得到的送風量為最大可能送風量Gmax；第二類環(huán)境是在典型夏季工況下，將單個空調區(qū)域置于周邊絕熱的環(huán)境進行計算，此時得到的送風量為最小可能送風量Gmin。預測出的空調送風量介于最大可能送風量Gmax和最小可能送風量Gmin之間，作為制定空調控制策略的依據。

3.3.1邊界條件設置

1) 卷包設備發(fā)熱量。

卷包設備散熱量Qs與卷包設備安裝功率N、除塵系統(tǒng)排風帶走的熱量Qp、生產冷水帶走的熱量Qc(高速卷包機組需要供應冷水)等有關，具體關系如下：

Qs=φ1φ2(N-Qp-Qc)

(1)

式中 φ1為卷包設備的有效作業(yè)率，反映單臺設備生產水平的高低；φ2為卷包設備的同時利用率，反映設備的同時使用情況。

設備的有效作業(yè)率指單位時間實際產出與生產設備的單位時間理論產出之比。當設備短暫停機或者低負荷運行甚至無法運轉時，設備的散熱量會相應地受到影響。卷包設備的綜合系數取0.85[5]。

根據卷包機組生產計劃，同時投入生產的機組最多為12臺。目前卷包車間設有17臺卷包機組，因此，卷包設備最大同時利用率為0.71。當僅考慮單臺設備發(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，設備及其他散濕可忽略不計。因此，在空調送風濕度不發(fā)生變化的情況下，各區(qū)域人員按照生產規(guī)律進行工作，分別開啟關閉對應區(qū)域的空調不會對其他區(qū)域的空氣濕度產生較大的影響和波動。因此，本文重點分析各空調區(qū)域的溫度和風速的變化情況。

3.3.2物理模型

考慮到模擬計算的可實現性，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) 卷包設備簡化為長方體的多孔介質，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結果分析

以空調機組kj4為例，當送風量為原設計風量的70%時，夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為24.8～27.8 ℃，區(qū)域內風速在1.3 m/s以內，基本滿足設計要求；當送風量為設計風量的50%時，夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為25.1～27.1 ℃，區(qū)域內風速在0.86 m/s以內，基本滿足設計要求。因此，當卷包機組EB2關閉、其上方對應的送風口不送風時，預測夏季工況空調送風量為原設計送風量的20%～60%，即23 000～69 000 m3/h。計算結果見圖5～8。卷包車間各空調機組風量調節(jié)范圍見表3。

表3 卷包車間空調機組風量調節(jié)范圍

圖5 夏季工況kj4最大可能送風量模型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最小可能送風量模型1.8 m高度處速度場

4 改造方案

4.1 調整空調參數控制精度

按設計要求的溫濕度控制精度，重新設置溫濕度傳感器的控制參數，溫度控制精度設為±2 ℃，相對濕度控制精度設為±5%。

4.2 部分負荷區(qū)域增設風量控制裝置

在空調機組kj1～kj5、kj8服務區(qū)域(中速機EB1、EB2、EB4～EB10與高速機FB1～FB7)增加風量控制調節(jié)閥(見圖9中圓點標注位置)，通過采集中速機(EB4～EB10)與高速機(FB1～FB7)的開機信號，判斷風閥的動作方式，包括風閥的調節(jié)位置(全開/比例開啟/關閉)。

圖9 風量控制調節(jié)閥布置圖

現場排查發(fā)現，kj8空調機組本身設置有風閥，但缺少電動執(zhí)行裝置，因此在原風閥基礎上增加電動執(zhí)行器(見圖10中圓點標注位置)。通過采集中速機EB1與EB2的開機信號，判斷風閥的動作方式，包括風閥的調節(jié)位置(全開/開啟比例/關閉)。

圖10 風閥電動執(zhí)行器布置圖

4.3 閑置設備區(qū)域關閉風口

在kj1覆蓋的區(qū)域中南側區(qū)域無生產設備，且無人員固定工作崗位，因此，關閉kj1覆蓋的南側區(qū)域內的14個送風口。

4.4 空調機組控制策略優(yōu)化

根據CFD模擬分析結果，對kj1～kj5、kj8空調機組送回風機的頻率、轉速進行調整。當檢測到某機組停機后延時30 min關閉相應區(qū)域送風閥，空調送回風機運行頻率同步調整，范圍為20～35 Hz；當檢測到某機組開機時，開啟相應區(qū)域送風閥，空調送回風機運行頻率同步調整，范圍為30～48 Hz。卷包機組與空調機組對應關系見表4。

表4 卷包機組與空調機組對應關系

區(qū)域送風閥關閉后，對應區(qū)域的溫濕度傳感器不參與平均值計算，即空調控制系統(tǒng)在自動調節(jié)時將忽略對應區(qū)域的溫濕度數值，反映實際生產區(qū)域的環(huán)境狀況，進而更加準確地判斷空調負荷。

4.5 改造效果驗證

基于空調機組實際運行數據，對改造前后的經濟效益進行分析。運行數據選取改造前1—10月和改造后1—10月，從制冷耗電量、風機耗電量和蒸汽消耗量3個方面進行比較，空調機組節(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 卷包車間空調機組改造前后能源消耗量對比

5 結論

1) 在保證卷煙質量的前提下，根據實際工藝要求調整卷包車間空調參數控制精度。同時，通過增設風量控制調節(jié)閥和電動執(zhí)行器，關閉閑置設備區(qū)域上方的風口，優(yōu)化空調機組控制策略等措施，實現了空調機組布置和送風調節(jié)與設備生產良好匹配。監(jiān)測數據顯示空調機組節(jié)能率達到28.9%。

2) 設計時應充分調研和考慮投產后的生產班制安排、工藝設備開啟規(guī)律及有效作業(yè)率，在此基礎上細分空調區(qū)域。

3) 運行管理階段應按卷煙技術要求設置溫濕度控制值，不應過分追求空調精度，且當工藝設備長期閑置時，及時關閉對應區(qū)域的溫濕度傳感器。