卷烟企业工艺空调双层表冷器的研究与分析

张 鹏，曹 凯，张 建，苗 强

（山东中烟有限责任公司青岛卷烟厂设备动力处，山东青岛 266101）

1 项目立项的背景及意义

1.1 项目背景

1.1.1 贯彻新时期绿色发展战略的必然要求

当今时代中国正在进入高速发展阶段，中国经济模式正在全世界展现巨大的中国优势，但是对于能源的使用日益增加，导致全国排放的二氧化碳逐年增加，能源已经成为国民经济和社会发展的重要物质基础。2008 年4 月，节能减排工作被列入基本国策，“十二五”期间，又将节能指标作为约束性指标，制定《“十二五”节能减排综合性工作方案》，对全国年综合能源消费量在1 万吨标准煤以上的万家企业提出节能低碳行动的十项要求。其中，对能源管理体系建设提出更高要求。在国家绿色发展与节能减排的大背景下，行业提出精益管理做除法，降本增效是内功基本定位，深挖、细挖设备节能潜力。

1.1.2 企业降本增效与智能化生产的内在需求

工艺空调系统作为青岛卷烟厂的主要耗能设备，能耗占到30%。而制冷系统能耗占到夏季空调能耗80%。在夏季，空调表冷系统需要同时减温与除湿，单层表冷同时满足要求时，要牺牲很大能源效率。

1.1.3 实现两保障一降低的必然途径

制冷系统要实现保障生产、生活用制冷量，还要实现能耗下降，必然要通过设备改进与升级来实现。

1.2 项目意义

卷烟厂的生产工艺过程和生产材料对环境温湿度的要求标准较高。青岛夏季高温高湿，表冷器不仅需要降温而且需要除湿，温度设定过低除湿后需要再次进行蒸汽加湿，给制冷带来更多的热负荷，造成更高的能耗；温度设定过高，无法满足降温除湿的效果，导致室内温湿度指标难于控制，直接影响卷烟生产工艺过程和最终卷烟成品。在卷烟企业日常生产运行中，工业空调表冷器性能对卷烟企业空调系统具有重要影响。

2 卷烟企业工艺空调双层表冷器的研究与分析

2.1 工况分析

国内温湿度工况主要分为湿工况、干工况和半干半湿工况三种，如果表冷器表面温度大于空气进口露点温度，此时定义为干工况；如果表冷器表面温度小于空气进口露点温度，此时定义为湿工况；如果表冷器表面温度等于空气进口露点温度，此时定义为半干半湿工况。国外对于工况的判断主要有两种方式，一是采用工艺空调表冷器表面温度和空气进出口干球温度进行比较；二是采用焓值比较来判断工况。

卷烟企业工艺空调在日常运行中，在夏季出现高温高湿天气，开启表冷器进行降温时，一般会伴随着除去一部分水分导致需要进行后续的蒸汽加湿，这样就会造成蒸汽加湿的能源浪费现象。引入SHR（Sensible Heat Ratio，显热比）进行量化工艺空调表冷器显热和潜热的负荷参数。经过分析可知，当卷烟企业空调系统表冷器的SHR 与室内空调工艺环境SHR 相等时，此时可以把空调系统表冷器的出口空气直接送进空调工艺环境中，不需要进行温度和湿度的补偿，避免了降温除湿后需要额外进行蒸汽加湿的步骤，避免了不必要的能源浪费。卷烟企业传统的工艺空调是需要通过调节表冷器进水流量来控制空调的送风温度，在空调系统送风流程中不涉及和考虑空调表冷器的SHR，导致传统空调存在较大的节能空间。

2.2 夏季空调控制过程

以青岛为例，在夏季高温、高湿天气时，整个空调系统对于高温高湿气体的处理流程如图1 所示。需要处理的新风空气由a 点通过空调表冷器后进行降温和除湿，到达b 点时处于饱和状态；然后再经过空调加热器进行加热，此时处理的空调湿度升高但空气的含湿量不变，导致待处理的空气相对湿度进行降低，此时处于c 点状态；最后空气通过蒸汽加湿器进行加湿，增加空气的含湿量但空气的温度不变，此时来到d 点，最后将处理后的空气送入空调工艺环境内。在室外空气处理流程中降温除湿后再进行蒸汽加热和和蒸汽加湿都浪费大量的蒸汽，存在能源浪费现象。

2.3 改造思路

将现有空调进行改造，实行空调表冷分层控制，实现降温和除湿的分别单独控制，并在末端加装控制系统，实现精准控制。分析冷冻水管路流体，建立流体模型；换热效率分析，上下层冷冻水温度设定匹配；冷冻水末端控制系统开发，实现精准控制。需要安装温湿度传感器进行数据采集。

图1 空调夏季空气处理过程

3 卷烟企业工艺空调双层表冷器的实验分析

3.1 机械结构的研究与实施

双层表冷器机械结构是将原来一个整体式的表冷器改造成为上下两层表冷器。

3.2 设计原理

当卷烟企业空调系统表冷器的SHR 与室内空调工艺环境SHR 相等时，把空调系统表冷器的出口空气直接送进空调工艺环境中，避免不必要的能源浪费。但卷烟企业传统的工艺空调需要通过调节表冷器进水流量控制空调的送风温度，在空调系统送风流程中不涉及和考虑空调表冷器的SHR，导致传统空调存在较大的节能空间。因此提出一种热、湿分别进行独立控制的双回路表冷器结构。单层表冷工作过程中，虽然SHR 可以进行匹配，但是均需要加热来进行辅助，消耗蒸汽量。双层表冷器则可以满足大部分送风工况要求，只有少部分不满足要求，可以节省大量的蒸汽。

卷烟企业空调系统干工况处理过程：两个表冷阀均根据车间温度同步动作，但表冷器温度限定在回风露点温度以上。

卷烟企业空调湿工况处理过程：优先动作M1 调节阀，调整除湿量，当除湿满足要求后，调节M2 调节阀，调节温度，最后通过调整送风量，以此平衡总冷量与车间负荷。

3.3 控制程序的研究与实施

卷烟企业工艺空调双层表冷器控制流程如图2 所示。控制逻辑：车间SHR 定义为S1，表冷器SHR 定义为S2，热负荷为定义为Q1，湿负荷定义为W1，总焓值定义为H1。制冷冷负荷为定义为Q2，除湿负荷定义为W2，总焓值定义为H2，两个表冷阀分别定义为M1、M2。

当S1=1 时，同步调节M1、M2，以满足降低需要（只需降温）；当S1＜1 时，增大M1开度；当S2=S1时，若H2＜H1，继续增大M1开度至W2=W1，再增大M2开度至H2=H1，若H2=H1，则保持M1开度，M2不进行调节；若H2＞H1，则保持M1开度，降低送风机频率，减少送风，直至H2=H1。

4 改造效果及推广价值

4.1 改造效果

项目实施后减少了高温、高湿工况下蒸汽加湿的负荷和用量，提升了对工艺空调能源消耗过程的控制能力，为卷烟企业降本增效提供了坚实的基础。

4.1.1 项目创新点

（1）卷烟企业双层表冷器可用于单回风、二次回风等多种形式恒温恒湿工艺空调中，具有很强的推广性。

（2）提升卷烟企业工艺空调表冷器SHR 调节范围，增加表冷器调节范围，节约辅助蒸汽能耗。

（3）基于原有设备升级，双层表冷器全自动控制程序可兼容于原有控制系统，适用性强，改造成本低，节能效果明显。

4.1.2 节能效果

2018 年卷包大区域万支卷烟综合能耗为2.80 kg/万支，经过一年的项目实施后，2019 年卷包大区域万支卷烟综合能耗降为2.79 kg/万支。2019 年与2018 年相比，节省52.712 t 标煤，减少二氧化碳排放量约142.322 t。

图2 控制流程

4.2 推广价值

以卷包大区域空调为例开展的基于冷冻水降温、除湿的应用与研究，还可推广到全厂其他工艺空调中，具有很高的推广价值。