杜強

（徐州卷煙廠技改裝備處，江蘇 徐州 221000）

1 前言

能源是人們生活以及社會發(fā)展的重要基礎資源，是世界各國關注的焦點。我國是能源消費大國，近些年我國能源形勢十分嚴峻。煙草行業(yè)是國家稅收的重要來源，近些年，我國煙草行業(yè)不斷進行產(chǎn)業(yè)升級，生產(chǎn)能力與經(jīng)濟效益都有了顯著提升，但能耗高的問題尚未得到有效解決，是煙草行業(yè)的重點與痛點，國家已將卷煙廠列為節(jié)能降耗重要的監(jiān)管對象，煙草行業(yè)亟需全面貫徹落實公司工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，努力建設資源節(jié)約型友好企業(yè)。

為了確保卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，需要對環(huán)境溫濕度進行嚴苛控制，而空調(diào)系統(tǒng)在這一過程中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)階段，我國多數(shù)卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)具有裝機容量大、系統(tǒng)組成復雜、運行時間長、運行效率低、能耗高等特點，據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)能耗占卷煙廠綜合能耗的1/2左右，是卷煙廠節(jié)能減排的重要對象，對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造可提升卷煙廠社會效益，并降低企業(yè)經(jīng)營成本，具有一定經(jīng)濟效益。本文對卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)能耗高的問題進行了分析，并提出幾種有效技術來降低空調(diào)能耗。

2 卷煙廠工藝要求及負荷特點

卷煙廠工藝流程復雜，涉及工序較多，對環(huán)境溫濕度要求嚴格，一旦車間環(huán)境溫濕度未得到有效控制，會嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量與批次穩(wěn)定性，還會導致物料損耗嚴重，成本提升。這是因為原料含水率是一項重要技術指標，過大或過小都不利于卷煙的制備，當含水率過高會導致原料間粘合嚴重，含水率過低不利于卷煙的成型，還會產(chǎn)生大量煙渣，填充能力下降。經(jīng)過多項研究得出影響原料含水率的關鍵因素有空氣溫度、相對濕度、氣流速度以及煙草材料自身特性等，在實際生產(chǎn)過程中，主要是從兩方面來對卷煙工藝進行控制：（1）對原材料含水率和溫度參數(shù)的控制；（2）對各個車間環(huán)境參數(shù)的控制。所以說卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)肩負著控制環(huán)境溫度的重要使命,卷煙廠各車間對溫濕度控制要求見表1。

表1 卷煙廠各個車間溫濕度控制要求

聯(lián)合工房內(nèi)設置大量的空調(diào)系統(tǒng)，目前聯(lián)合工房主要采用組合式空調(diào)系統(tǒng)模式（見圖1）?？照{(diào)機組主要承擔的濕熱負荷來自于車間內(nèi)部產(chǎn)生的負荷和新風負荷，以卷包車間和制絲車間為例，卷包車間的熱負荷主要來源于設備發(fā)熱與照明系統(tǒng)等，制絲車間濕負荷多數(shù)都被排風系統(tǒng)排出，而新風負荷是受人員需求和工藝排風因素影響，多數(shù)新風比在10%左右，制絲車間新風比較高，可達35%左右。

3 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

為了確保卷煙廠各車間溫濕度得到精確控制，空調(diào)系統(tǒng)配備了多種濕熱處理技術來將溫濕度恒定在一定精度范圍內(nèi)，例如安裝表冷器、加熱器、干蒸汽加濕器和風機變頻等。通常，環(huán)境溫濕度的控制受季節(jié)、環(huán)境溫度、設備性能參數(shù)等多方面的共同決定。

現(xiàn)階段，結合卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)運行特點，總結出卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)能耗方面存在的主要問題有：

（1）制冷機開啟時間長，效率不高。卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)需要長期制冷，制冷器運行時間長，一般情況下，在制冷機選型時主要以設計負荷上限來選擇，但通常選型方面通常都過大，特別是在冬季，系統(tǒng)運行效率更低，利用加大新風量來減小制冷機制冷，導致制冷機運行負荷嚴重偏離設計的高效率區(qū)域，致使運行效率較低。制冷機負荷率與COP相關，當制冷機負荷率高于70%時，COP在5.0以上，當負荷率為50%時，COP僅在4.1，能效比與負荷率的關系如式（1）所示。另外，表冷器供應的冷凍水是由制冷機統(tǒng)一提供的，冷凍水高質(zhì)低用、浪費現(xiàn)象嚴重，同時由于冷凍水溫與環(huán)境溫度相差大，因素在輸送過程中會造成一定損失。

（2）空調(diào)系統(tǒng)難以有效調(diào)節(jié)，大流量小溫差問題嚴重，能耗高。卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)設計時，設備的選型、風機負荷設計等都是參照國家規(guī)范，在實際中風機流量和揚程有一定富余，選型過大現(xiàn)象常見，特別是并未對管路系統(tǒng)的平衡進行合理計算，致使“大風量，小焓差”問題凸顯，導致風機運行效率低下。對于卷煙廠車間，由于每臺空調(diào)送風溫度存在一定的差異，這就加大了控制難度，使得系統(tǒng)能耗增加，特別是對于冷凍水泵和風機長期在低負荷情況下使用，這就使得單位冷負荷能力明顯升高。

（3）冷熱抵消現(xiàn)狀常見，高溫蒸汽再熱導致高質(zhì)低用。冷熱抵消是卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)的常見現(xiàn)象，一般空氣處理流程是混合后的空氣經(jīng)表冷器進行降溫除濕，而后再經(jīng)過加熱、加濕后進入室內(nèi)，需要先除濕后加熱，先降溫后升溫，使得冷熱量之間相互抵消，造成浪費嚴重，另外，高溫蒸汽溫度在220℃，而經(jīng)過表冷器后溫度僅在20～30℃左右，這產(chǎn)生巨大的溫差導致熱能的極大浪費，通常車間分區(qū)不合理會導致該問題嚴重。

4 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)控制與節(jié)能技術分析

在國家大力倡導節(jié)能減排下，對煙草行業(yè)降本增效提出了新的發(fā)展要求?？照{(diào)系統(tǒng)作為重要的能量消耗體，因此卷煙廠對空調(diào)的節(jié)能研究迫在眉睫。目前，技術人員主要通過從空調(diào)系統(tǒng)設計方面和運行方面加強了節(jié)能研究。對于卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)控制與節(jié)能技術方面的研究主要是從水系統(tǒng)和風系統(tǒng)兩方面著手，其中，水系統(tǒng)主要是挺高制冷機COP或者是利用環(huán)境冷源供冷，風系統(tǒng)主要是利用風機變頻、改進濕熱處理過程等。

4.1 基于新風獨立系統(tǒng)的空調(diào)節(jié)能設計

長久以來，卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)主要采用一次回風處理技術，該項技術一直沿用至今，基本已日趨成熟。對于一次回風處理技術而言，該項技術存在的主要問題是冷熱抵耗、再熱能耗高，針對這些問題，一些研究者提出通過二次回風系統(tǒng)來降低能耗，但二次回風系統(tǒng)在控制方面效果不佳，精度較差，同時還容易引發(fā)二次污染，實際應用價值不高。

新風獨立系統(tǒng)充分利用溫濕分控技術對新風和回風分別進行處理，有效避免了冷熱抵消的問題，新風獨立系統(tǒng)特別適用于濕負荷小、室內(nèi)產(chǎn)熱高的環(huán)境下應用，有效達到了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的。在新風獨立系統(tǒng)中，新風承擔所有濕負荷，新風（W）被表冷盤直接處理至機器露點（L2），當室內(nèi)回風（N）被回風處理表冷盤管處理至N’點后，與L2點新風混合至O2點，沿著熱濕比線輸送入車間（見圖2）。

對于新風獨立系統(tǒng)而言，其所需冷量包含室內(nèi)負荷耗冷量和新風負荷耗冷量，機組的實際能耗可通過式（2）計算出，可見，與一次回風系統(tǒng)相比，新風獨立系統(tǒng)節(jié)能效果顯著 。

式中，Qc為系統(tǒng)耗冷量，單位為kW，mf為新風流量，單位為kg/s，hw為室外新風焓值，單位為kJ/kg，hN為室內(nèi)回風焓值，單位為kJ/kg，ho2為送風狀態(tài)點焓值，單位為kJ/kg。

4.2 基于變水溫調(diào)節(jié)技術的空調(diào)節(jié)能設計

卷煙廠空調(diào)制冷系統(tǒng)通常是由制冷主機、冷卻塔、冷卻泵等設備組成，產(chǎn)出的冷卻水供給聯(lián)合工房空調(diào)器。現(xiàn)階段，多數(shù)卷煙廠制冷系統(tǒng)均是通過制冷機集中制備冷凍水，利用分水器分配至各個末端，最終再通過表冷器實現(xiàn)與空氣之間的熱交換，因此高質(zhì)低用問題常見，一直未得到有效解決。

變水溫調(diào)節(jié)技術是提升空調(diào)節(jié)能性能的重要手段，該技術簡單易實現(xiàn)，在空調(diào)改造方面無需投入過高的成本，經(jīng)濟性優(yōu)異，另外，變水溫調(diào)節(jié)技術還不會對水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，是目前卷煙廠空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能改造的重要技術手段之一。

表冷器是一種重要的設備，在空調(diào)系統(tǒng)運行過程中發(fā)揮了關鍵作用，通過對空氣進行冷卻除濕處理，來確保室內(nèi)空環(huán)境參數(shù)處于標準值，通過根據(jù)實際情況，對冷水溫度進行修正有利于實現(xiàn)節(jié)能效果，結合實際運行數(shù)據(jù)，冷水溫度設定參照表2所示。

表2 冷水溫度設定

在基于冷水機組變水溫的節(jié)能原理下，一方面提高了制冷機的蒸發(fā)溫度，另一方面還有效提升了壓縮機的壓縮效率，提升了冷水機組的使用性能。

通過結合實際運行過程中空調(diào)系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)分析得出，基于變水溫調(diào)節(jié)技術改造的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著（見表3）?？梢姡兯疁丶夹g的應用，極大地提升了空調(diào)制冷系統(tǒng)的運行效率，同時還有效減少了空調(diào)系統(tǒng)額外的再熱再濕能源消耗，具有較高的實際應用價值。

表3 改造前后空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能情況

4.3 基于溫濕度分開控制技術的空調(diào)節(jié)能設計

對于卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)，通常夏季除濕工況溫濕度控制標準為t=26℃，h=60%，送風溫度為20℃。對于一些極端氣候地區(qū)，卷煙廠空調(diào)機械除濕工況系統(tǒng)能耗較高，以往一次回風空調(diào)系統(tǒng)利用7℃冷卻水冷卻空氣，確?？諝鉁貪穸鹊陀谒惋L溫度，而后再通過加熱器、加濕器實現(xiàn)濕熱補償，保證空氣參數(shù)滿足送風要求，需要耗費大量再生熱源，導致空調(diào)系統(tǒng)運行能耗高，而二次回風系統(tǒng)在控制精度方面存在問題，制約了該技術的發(fā)展。近幾年，熱濕獨立控制技術得到了進一步的推廣與應用，該技術是采用將表冷器分置、熱濕分控方案，結合地區(qū)氣候特征，對空調(diào)設備進行改造。

通過將多個并聯(lián)運行的表冷器劃分為2組，由2個表冷閥分別進行控制，一組作為除濕表冷器，另一組作為降溫表冷器，上部表冷器與加熱段一同作為溫度調(diào)節(jié)手段，下部表冷器用于系統(tǒng)濕度的單獨控制，結合實驗情況來驗證溫濕度分控技術的節(jié)能效果，實驗數(shù)據(jù)顯示，改造前冷水耗能量在5612.22kWh，蒸汽耗能量在509.26kWh，而基于溫濕度分開控制技術的空調(diào)能耗量在4413.18kWh，蒸汽耗能量在359.69kWh，總節(jié)能可達22.03%，具有較佳的節(jié)能效果，與此同時，該項技術控制精度好，普適性強，不足要對空調(diào)機組進行結構設計方面的大幅度更改，投入成本低，經(jīng)濟性優(yōu)異，具有一定的推廣應用價值。

5 結語

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)在卷煙廠總能耗中占有較大比重，針對空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，提升系統(tǒng)節(jié)能效果是提升卷煙廠經(jīng)濟效益和社會效益的關鍵抓手。目前，卷煙企業(yè)針對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造已開發(fā)多項新興技術，其中新風獨立系統(tǒng)可有效解決一次回風系統(tǒng)產(chǎn)生再熱等問題，但成本高；變水溫調(diào)節(jié)技術可有效節(jié)省系統(tǒng)能耗，但操作復雜；表冷器分置溫濕度分控技術是基于二次回風系統(tǒng)的理念設計的，該節(jié)能方案簡單、易實現(xiàn)，適用范圍廣，但控制精度方面還需要進一步提升。今后卷煙廠空調(diào)節(jié)能技術方面還要注重細節(jié)處理，深度挖掘空調(diào)系統(tǒng)各個部件的節(jié)能潛力，并結合各個地區(qū)不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運行特征，提出科學的節(jié)能運行策略和控制技術參數(shù)。