某卷煙廠工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能措施探討

楊亞博 李俊昆

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 昆明 650228）

0 引言

濾棒成型機(jī)、高速卷包機(jī)及包裝機(jī)是卷包車間生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，其壓條、電機(jī)、油箱、煙槍等部位需進(jìn)行冷卻處理。當(dāng)前卷煙廠工藝設(shè)備常見(jiàn)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般有兩類：一類為工藝設(shè)備自帶冷水機(jī)組（獨(dú)立冷源），一類為集中冷源對(duì)多臺(tái)工藝設(shè)備提供工藝循環(huán)冷卻水。設(shè)備自帶冷水機(jī)組系統(tǒng)因熱量直接排入車間，使卷煙廠車間空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷超載，影響空調(diào)設(shè)備的正常運(yùn)行；集中冷源的工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)存在如系統(tǒng)配置容量大、運(yùn)行能耗高、調(diào)節(jié)能力差等問(wèn)題。本文以選用集中冷源工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的卷煙廠為研究對(duì)象，根據(jù)項(xiàng)目所在溫和地區(qū)的氣象條件、發(fā)熱設(shè)備冷卻需求，尋求一套能保證工藝設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、積極應(yīng)對(duì)室外氣候變化、在不同工況條件下均能實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

該卷包車間配備13 臺(tái)濾棒成型機(jī)散熱量為114kW、28 臺(tái)高速卷包機(jī)散熱量為448kW、15 臺(tái)包裝機(jī)散熱量為135kW，工藝設(shè)備總散熱量為697kW；設(shè)備發(fā)熱部位要求工藝?yán)鋮s水溫：18～22℃。原工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，采用與車間中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)合用的方式，該系統(tǒng)在夏季室外溫度較高、車間空調(diào)需求較大時(shí)，無(wú)法保證工藝設(shè)備正常運(yùn)行，而在過(guò)渡季節(jié)和冬季，未能利用較低室外溫度的節(jié)能潛力，致使車間中央空調(diào)冷水機(jī)組長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，能耗高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差?，F(xiàn)對(duì)該車間工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，系統(tǒng)要求：集中式冷源并獨(dú)立設(shè)置，運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)約能耗。

1.2 項(xiàng)目室外氣象條件

卷煙廠位于云南省溫和地區(qū)5A 區(qū)，最冷月平均氣溫：0℃＜tmin.m≤13℃，最熱月平均氣溫：18℃＜tmax.m≤25℃，其典型氣象年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)如圖1 所示（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[1]）。因卷煙廠生產(chǎn)車間運(yùn)行時(shí)間為8:00am 至12:00pm，故圖1 所列濕球溫度頻數(shù)僅取車間運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，全年共計(jì)5840 小時(shí)。

圖1 全年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)Fig.1 Annual wet-bulb temperature frequency at all levels

根據(jù)全年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)圖分析，該地區(qū)室外濕球溫度相對(duì)較低，可利用蒸發(fā)冷卻手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。工藝循環(huán)冷卻水出水溫度設(shè)計(jì)值：tg=18℃，（供回水溫差5℃），間接蒸發(fā)式冷卻（閉式冷卻塔）逼近度：A=5℃[2]，即當(dāng)室外濕球溫度：tw2≤13℃時(shí)，可實(shí)現(xiàn)冷卻塔免費(fèi)供冷，如圖1 所示，該地區(qū)tw2≤13℃全年共1729 小時(shí)，占全年供冷時(shí)數(shù)的30%，近1/3 時(shí)間可關(guān)閉冷水機(jī)組，僅利用天然冷源提供工藝循環(huán)冷卻水。

通常冷卻塔以夏季標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況（冷卻水進(jìn)出水溫為37/32℃）設(shè)計(jì)選型，當(dāng)冷卻塔用于冬季直接供冷時(shí)，需對(duì)其冷卻能力進(jìn)行校核，假設(shè)冷卻塔進(jìn)出水溫差不變，經(jīng)冷卻塔的出風(fēng)可達(dá)到最佳換熱狀態(tài)點(diǎn)[3]，出風(fēng)干球溫度為冷卻水進(jìn)水溫度，相對(duì)濕度為80%。

式中：Ql為冷卻塔夏季制冷量，kW；k為冷水機(jī)組制冷時(shí)耗功的熱量系數(shù)，取1.2～1.3 左右，Q0為系統(tǒng)制冷，kW；W為循環(huán)冷卻水流量，m3/h；Cpf為水的定壓比熱，kJ/kg·℃；tf1、tf2分別為冷卻塔進(jìn)出口水溫，℃；ρ1、ρ2分別為水和空氣的密度，kg/m3；QA為冷卻塔空氣側(cè)換熱量，kW；G為冷卻塔通風(fēng)量，m3/h；h1、h2分別為冷卻塔進(jìn)出口空氣狀態(tài)點(diǎn)焓值，kJ/kg。

夏季冷卻塔進(jìn)風(fēng)參數(shù)取空調(diào)室外計(jì)算干球溫度30.7℃，室外計(jì)算濕球溫度22.0℃，進(jìn)風(fēng)焓值為71.8kJ/kg，出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)焓值為135.88kJ/kg，如上所述，以冷卻塔直接供冷的轉(zhuǎn)換溫度（室外濕球溫度13℃）為冬季進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，其相對(duì)濕度取該地冬季（12月～2月）月平均相對(duì)濕度66.4%，進(jìn)風(fēng)焓值為40.8kJ/kg，出風(fēng)焓值為73.0kJ/kg。因冬季冷卻塔供冷量為工藝系統(tǒng)制冷量，不考慮熱量系數(shù)，由式（1）可知冷卻塔在夏季工況運(yùn)行時(shí)的循環(huán)水量高于冬季運(yùn)行，而將各點(diǎn)參數(shù)代入式（2），計(jì)算得冬季冷卻塔供冷的通風(fēng)量高于夏季，因此在利用冷卻塔冬季直接供冷的方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體運(yùn)行策略選擇合適的冷卻塔型號(hào)，以滿足系統(tǒng)全年運(yùn)行要求。

2 工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)方案分析

2.1 方案一：高溫水冷冷水機(jī)組+閉式冷卻塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝設(shè)備高溫冷卻水的需求以及溫和地區(qū)中等濕度的氣候條件，設(shè)計(jì)初期，工藝循環(huán)冷卻水?dāng)M定方案為：高溫水冷冷水機(jī)組+橫流閉式冷卻塔供冷，冷水機(jī)組選用螺桿式壓縮機(jī)、滿液式蒸發(fā)器、臥式管殼冷凝器，為滿足在“免費(fèi)供冷”工況下的工藝設(shè)備水質(zhì)需求，以及廠區(qū)的用水條件、避免出現(xiàn)飄水等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)選用閉式冷卻塔。同時(shí)，卷煙廠對(duì)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性有著較高的要求，考慮溫度波動(dòng)對(duì)工藝設(shè)備的影響，在冷卻水供回水路中添加溫度恒定的儲(chǔ)水箱，有助于冷卻水系統(tǒng)水量及溫度調(diào)節(jié)。方案一工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要流程如圖2 所示。

圖2 方案一工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程圖Fig.2 Scheme I circulation cooling water system flow chart

綜合可利用自然資源冷卻時(shí)間，當(dāng)tg設(shè)定值為18℃，在tw2≤13℃時(shí)，可關(guān)閉冷水機(jī)組，利用閉式冷卻塔提供的冷卻水即可滿足工藝設(shè)備的降溫要求，冷卻塔的冷卻水流量為循環(huán)水系統(tǒng)的流量。

當(dāng)tw2＞13℃時(shí)，僅利用閉式冷卻塔無(wú)法提供系統(tǒng)全部冷卻量，此時(shí)需開(kāi)啟冷水機(jī)組制冷，但通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，在13℃＜tw2≤20℃的溫度區(qū)間內(nèi)，蒸發(fā)冷卻手段仍具有可觀的冷卻能力，因而方案一在該溫度區(qū)間，由于冷水機(jī)組、冷卻循環(huán)水泵、閉式冷卻塔的持續(xù)運(yùn)行，整個(gè)工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)并沒(méi)有達(dá)到節(jié)能最大化，由全年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)圖可知，每年有3293 個(gè)小時(shí)處于13℃＜tw2≤20℃的區(qū)間，所以該冷卻水系統(tǒng)尚有節(jié)能提升空間。

基于上述分析，以室外濕球溫度tw2的劃分作為工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行策略的依據(jù)，把方案一的兩種運(yùn)行工況繼續(xù)細(xì)分為三種運(yùn)行工況，即工況一：tw2≤13℃、工況二：13℃＜tw2≤20℃、工況三：tw2＞20℃；在肯定工況一共1729 小時(shí)閉式冷卻塔“免費(fèi)制冷”所帶來(lái)的節(jié)能成效下，著重挖掘工況二區(qū)間內(nèi)的節(jié)能潛力。

2.2 方案二：蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組+閉式冷卻塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)室外濕球溫度在14～19℃區(qū)間內(nèi)時(shí)，閉式冷卻塔的出水溫度小于工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回水溫度，閉式冷卻塔仍然對(duì)循環(huán)冷卻水有降溫作用，雖在該區(qū)間內(nèi)冷卻水溫降不大，但考慮到每年有3293個(gè)小時(shí)在該區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，所帶來(lái)能耗的節(jié)省和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值是不容小覷的，為使蒸發(fā)冷卻原理利用最大化，提出第二種解決方案：蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組與閉式冷卻塔協(xié)同制冷，冷水機(jī)組的蒸發(fā)式冷凝器工作原理與閉式冷卻塔相似，噴淋水在冷凝盤管上形成水膜，同淋水側(cè)不飽和空氣接觸，在水蒸氣分壓力差的驅(qū)動(dòng)下，噴淋水蒸發(fā)吸收盤管內(nèi)工藝?yán)鋮s水熱量，兼具水冷冷卻換熱性能好和風(fēng)冷冷卻節(jié)水的優(yōu)勢(shì)[5]。方案二工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要流程如圖3 所示。

圖3 方案二工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程圖Fig.3 Scheme Ⅱcirculation cooling water system flow chart

此方案運(yùn)行工況一與方案一的運(yùn)行工況一設(shè)置相同，當(dāng)tw2≤13℃時(shí)，工藝設(shè)備冷負(fù)荷全部由閉式冷卻塔承擔(dān)，冷卻塔冷卻能力隨室外濕球溫度的降低而增大，冷卻后的循環(huán)水同來(lái)自工藝設(shè)備的回水在儲(chǔ)水箱混合，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控冷卻水出口溫度、流量等信號(hào)，調(diào)控冷卻風(fēng)機(jī)及噴淋水泵的轉(zhuǎn)速及啟停，在保證儲(chǔ)水箱溫度恒為18～22℃的前提下，僅用少量功耗實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)備的使用要求。

因蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組自帶冷卻風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵，無(wú)需外加冷卻塔可獨(dú)立運(yùn)行，所以當(dāng)冷卻塔直接供冷冷量不足，但仍有可利用的冷卻能力時(shí)，冷水機(jī)組與閉式冷卻塔可以同時(shí)作為工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷源。設(shè)定工況二：13℃＜tw2≤20℃，冷卻塔出水溫度低于工藝循環(huán)冷卻水回水溫度，且存在一定的差值，閉式冷卻塔與冷水機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行，冷卻水回水先經(jīng)過(guò)閉式冷卻塔進(jìn)行預(yù)冷，再進(jìn)入冷水機(jī)組的蒸發(fā)器繼續(xù)冷卻，冷卻塔冷量不足部分由壓縮機(jī)制冷量補(bǔ)充，壓縮機(jī)僅在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行，從而降低運(yùn)行能耗。隨著室外濕球溫度進(jìn)一步升高，冷卻塔冷卻效益低于冷水機(jī)組，運(yùn)行工況三：tw2＞20℃時(shí)，僅開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組，冷水機(jī)組供水溫度tg=18℃，工藝循環(huán)冷卻水經(jīng)蒸發(fā)器換熱。

2.3 能耗分析

工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷為車間工藝設(shè)備總散熱量697kW，循環(huán)水量為120m3/h，方案一選用1 臺(tái)制冷量為700kW，電功率為78.2kW（蒸發(fā)器出水溫度tg=18℃）的高溫水冷冷水機(jī)組，1臺(tái)循環(huán)水量為150m3/h 的閉式冷卻塔，耗電比為0.11kWh/m3，2 臺(tái)循環(huán)水量為131m3/h 的冷卻水循環(huán)水泵，電機(jī)功率15kW；方案二選用2 臺(tái)制冷量為365kW，用戶制冷工況下單臺(tái)總電功率為58.7kW 的蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組，為方便對(duì)比，1臺(tái)同方案一參數(shù)相同的閉式冷卻塔，經(jīng)式（1）、（2）校核所選的閉式冷卻塔滿足夏季供冷冷水機(jī)組冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水量，可在tw2=13℃時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行。以綜合制冷性能系數(shù)SCOP 衡量?jī)煞N方案的全年運(yùn)行能耗情況，SCOP值計(jì)算如式（3）：

式中：H為系統(tǒng)總供冷時(shí)數(shù)，h；PiHi為第i種工況的耗電量，kWh；其中Pi為第i種工況下的總輸入功率，kW，輸入功率僅考慮冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)的設(shè)備功率，Hi為對(duì)應(yīng)工況下的供冷時(shí)數(shù)。兩種方案耗電量對(duì)比數(shù)據(jù)如圖4 所示。

如圖4 所示，造成方案一、二綜合制冷性能系數(shù)差異的是tw2＞13℃時(shí)不同的運(yùn)行策略。當(dāng)13℃＜tw2≤20℃，冷卻塔作為自然冷源的供冷量小于系統(tǒng)冷負(fù)荷，需要冷水機(jī)組輔助制冷，而方案一中冷水機(jī)組供冷模式與冷卻塔供冷模式不兼容，仍采用冷水機(jī)組供冷，運(yùn)行能耗高，方案二通過(guò)閉式冷卻塔同冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，從而拓寬自然供冷溫度區(qū)間，使系統(tǒng)自然供冷量占總供冷量的比率由30%提高到58%；tw2＞20℃時(shí)，兩種方案均為冷水機(jī)組單獨(dú)供冷，方案一中高溫水冷冷水機(jī)組COP 值高于蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組，但由于附加閉式冷卻塔風(fēng)機(jī)及冷卻水泵功耗，其耗電量為89244kWh，方案二冷水機(jī)組耗電量為96033kWh，兩種方案在該供冷時(shí)段相差不大。綜上，通過(guò)利用冷卻塔在13℃＜tw2≤20℃溫度區(qū)間內(nèi)的自然冷卻能力，即使蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組COP 值略低，方案二自然供冷量的提升使得其SCOP 值高于方案一，節(jié)能優(yōu)勢(shì)更顯著。

3 實(shí)際運(yùn)行狀況

經(jīng)與建設(shè)方溝通，以方案二為本次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，方案設(shè)計(jì)以室外濕球溫度為供冷模式切換依據(jù)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)室外濕球溫度波動(dòng)可能導(dǎo)致冷水機(jī)組頻繁啟停等問(wèn)題，因此上述分析僅作為工藝循環(huán)冷卻水控制系統(tǒng)的模式設(shè)置參考，筆者論述該論文時(shí)，系統(tǒng)已完成調(diào)試進(jìn)入實(shí)際運(yùn)行階段。

（1）工藝循環(huán)冷卻水控制系統(tǒng)納入卷煙廠動(dòng)力集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝?yán)鋮s系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)跟蹤，試運(yùn)行階段初步設(shè)置3 種供冷模式，根據(jù)濕球溫度切換點(diǎn)自動(dòng)切換，冷卻水系統(tǒng)采用最佳熱轉(zhuǎn)換效率控制，在環(huán)境溫度及工藝設(shè)備負(fù)荷變化時(shí)，計(jì)算蒸發(fā)式冷凝器、冷卻塔最佳熱轉(zhuǎn)換溫度及冷卻水最佳進(jìn)出口溫度，調(diào)節(jié)循環(huán)水泵、冷卻風(fēng)機(jī)的輸出功率，同時(shí)技術(shù)人員觀測(cè)運(yùn)行流程圖中的冷卻水溫，系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，機(jī)組啟停次數(shù)等，輔助優(yōu)化不同模式的運(yùn)轉(zhuǎn)選擇，節(jié)約系統(tǒng)總能耗。

（2）據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)記錄，冬季閉式冷卻塔冷卻逼近度（A）約為2～3℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值5℃，該地區(qū)實(shí)際自然冷卻潛力大于理論估計(jì)值，從節(jié)約能耗角度應(yīng)盡量使用自然冷卻，使系統(tǒng)使用性能更佳。

（3）現(xiàn)因運(yùn)行時(shí)間不足，卷煙廠動(dòng)力集控系統(tǒng)還在調(diào)試優(yōu)化階段，尚無(wú)法提供全年段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，待一定運(yùn)行時(shí)間后，可結(jié)合集控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，論述更貼近長(zhǎng)期運(yùn)行情況的節(jié)能成效。

4 小結(jié)

（1）針對(duì)工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，本文從冷源配置、使用工況、運(yùn)行能耗等因素對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析，以最大化利用自然冷源為目的，將方案一的運(yùn)行工況進(jìn)一步細(xì)分，為滿足細(xì)分工況后條件，同時(shí)考慮簡(jiǎn)化管路系統(tǒng)、縮短建設(shè)周期等因素，方案二設(shè)計(jì)選用蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組。

（2）方案二較方案一運(yùn)行能耗低，從而降低運(yùn)行費(fèi)用，減少投資回報(bào)時(shí)長(zhǎng)，蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組采用集成化設(shè)計(jì)，具備操作便利、易于調(diào)節(jié)、高可靠性、簡(jiǎn)化后期檢修維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮節(jié)能改造的應(yīng)用潛力。

（3）結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了蒸發(fā)冷卻式冷水機(jī)組在溫和地區(qū)的高效性、可行性。