昆明卷煙廠常年供冷車間供冷模式的經(jīng)濟比較

吳 敏 ，楊 浩

(1.重慶太和空調(diào)自控有限公司，重慶400025；2.紅塔煙草(集團)有限責(zé)任公司，云南玉溪623100)

1 冷卻塔供冷

南方地區(qū)卷煙廠聯(lián)合廠房各車間的冷負荷特性是不同的，通常由于工藝設(shè)備較多，卷接包車間、膨脹煙絲車間、濾棒成型車間等發(fā)熱量較大，需常年供冷，而儲絲房、成品庫、輔料庫、貯葉房等冷負荷較小，需夏季供冷、冬季加熱。同時，卷煙生產(chǎn)和輸送過程中，煙絲往往從周圍空氣中吸收水份，造成車間濕負荷接近于0，因此，卷煙廠常年供冷車間熱濕比呈現(xiàn)+∞的趨勢。常年供冷車間室內(nèi)溫度設(shè)計范圍為22(冬)～25(夏)±2℃，相對濕度設(shè)計范圍為60(全年)±5%。

根據(jù)室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點和ε=+∞的熱濕比,由焓濕圖可知對應(yīng)夏季室內(nèi)狀態(tài)點的最低送風(fēng)溫度為18℃,對應(yīng)冬季室內(nèi)狀態(tài)點的送風(fēng)溫度為15℃。考慮到制冷時室內(nèi)溫度升高有利于節(jié)能，全年建議用夏季室內(nèi)狀態(tài)點，現(xiàn)以18℃作為冬季送風(fēng)溫度進行分析。根據(jù)空調(diào)機表冷盤管的換熱特性，對應(yīng)18℃送風(fēng)溫度的冷水供水溫度應(yīng)在13℃左右。

一般而言，額定工況下冷卻塔的出水溫度比空氣濕球溫度高5℃左右。如采用冷卻塔直接供冷，對應(yīng)的冷水溫度為13℃，空氣濕球溫度為8℃。由于此種方式冷水為開式循環(huán)，容易造成空調(diào)機表冷器銅管氧腐蝕及結(jié)垢，故一般采用板式換熱器間接供冷，冷卻塔出水由冷卻水泵壓進板換一次側(cè)再流回冷卻塔，空調(diào)機表冷器出水由冷水泵壓進板換二次側(cè)再流回空調(diào)機表冷器。這樣可避免空調(diào)機銅管腐蝕及結(jié)垢，但由于板換傳熱存在2℃的溫差，因此板換二次側(cè)出水溫度為13℃，冷卻塔出水溫度為11℃，空氣濕球溫度為6℃。根據(jù)文獻[2]昆明市標準年氣象參數(shù)據(jù)庫中“昆明市標準年空氣濕球溫度全年變化趨勢圖”和“昆明市標準年各級濕球溫度頻數(shù)統(tǒng)計圖”，可知昆明市全年室外空氣濕球溫度小于6℃的時間1 080 h計45 d(圖1、圖2)。

圖1 昆明市標準年空氣濕球溫度全年變化趨勢

圖2 昆明市標準年各級濕球溫度頻數(shù)統(tǒng)計

昆明卷煙廠動力中心冷站配4臺雙效蒸汽型吸收冷水機組，總裝機容量為4×4 069 kW。昆明卷煙廠冬季常年供冷車間空調(diào)系統(tǒng)所需冷量的為動力中心冷站總裝機容量的30%左右(據(jù)不完全統(tǒng)計，南方地區(qū)卷煙廠各季常年供冷車間空調(diào)系統(tǒng)所需的冷量為動力中心冷站總裝機容量的15%～30%左右)。因此，動力中心二臺吸收冷水機各配置1臺板換及對應(yīng)的旁通管路系統(tǒng)。系統(tǒng)進入冬季運行工況，由控制器判斷室外空氣濕球溫度是否小于或等于6℃,滿足時,由常規(guī)冷水機供冷模式切換到冷卻塔供冷模式,并開啟和關(guān)閉對應(yīng)管路上的季節(jié)切換電動閥。

1.1 冷卻塔冬季供冷工況熱工計算及系統(tǒng)運行分析

動力中心制冷站二臺溴化鋰冷水機組備配置一臺板式熱交換器及對應(yīng)的管路系統(tǒng)。每臺板式熱交換器一次側(cè)與二次側(cè)設(shè)計溫差為8℃，換熱量按一臺冷水機組相同的制冷量進行設(shè)計，即4 069 kW。二次側(cè)(冷水)流量為700 m3/h,一次側(cè)(冷卻水)流量為1 302/2 m3/h,冷卻塔冬季供冷運行工況的冷卻水出水溫度按11℃設(shè)計，板式換熱器二次側(cè)至空調(diào)機的供水溫度按13℃設(shè)計，回水溫度按18℃設(shè)計。

冷卻塔一般按夏季工況下為冷水機組散熱進行的設(shè)備選型，夏季工況下冷卻水進出水設(shè)計溫度為37.5℃/32℃，昆明市夏季空調(diào)設(shè)計干球溫度為25.8℃,濕球溫度為19.9℃。當冷卻塔用于冬季供冷時,其出水溫度按上述分析為11℃,冬季冷卻塔供冷運行模式下仍然利用現(xiàn)有的冷卻塔和冷水泵、冷卻水泵,因此冷卻水流量和冷卻塔風(fēng)量保持不變。

冷卻塔運行時,水—空氣在冷卻塔內(nèi)部進行換熱,并滿足如下能量平衡式:

Qw=LwCw(tw1-tw2)

(1)

QA=G(i2-i1)

(2)

Qw=QA

(3)

式中:QW為循環(huán)水在冷卻塔中被冷卻的熱量,即冷卻塔從循環(huán)冷卻水中帶走的熱量(kcal/h)；QA為空氣在冷卻塔被加熱,加濕帶走的熱量(kcal/h)；LW為冷卻塔循環(huán)水量(m3/h)；GW為水的定壓比熱(1kcal/kg℃)；tw1、tw2為冷卻塔循環(huán)水進出水溫度；G為冷卻塔通風(fēng)量(kg/h)；i2、il為冷卻塔空氣進出口焓值(kcal/kg干)。

1.2 冬夏兩季供冷工況

下述分析假定空氣經(jīng)過冷卻塔的出風(fēng)達到最佳熱交換下的狀態(tài)點，即相對濕度為80%，出風(fēng)干球溫度為冷卻水的進水溫度，以此來判斷現(xiàn)有冷卻塔是否能滿足冬季供冷工況的換熱能力。冬季冷卻塔進風(fēng)參數(shù)采用昆明地區(qū)3月份的月平均干球溫度14.9℃和月平均濕球溫度8.4℃。

1.2.1 夏季供冷工況

冷卻塔進風(fēng)溫度為25.8℃,進風(fēng)濕球溫度為19.9℃,進風(fēng)焓i1=67.5 kcal/kg干。

冷卻塔冷卻水進水溫度37.5℃,冷卻水出水溫度32℃,冷卻塔出風(fēng)溫度37.5℃,冷卻塔出風(fēng)相對濕度80%,冷卻塔出風(fēng)焓i2=147 kcal/kg干。

1.2.2 冬季供冷工況

冷卻塔進風(fēng)溫度14.9℃,進風(fēng)濕球溫度8.4℃,進風(fēng)焓i3=30kcal/kg干。

假定冬季冷卻塔冷卻水流量為夏季的50%,根據(jù)公式(1)計算，即：

4069×860=1302/2×1000(tw1-11)

冷卻塔冷卻水進水溫度tw1：

冷卻塔出風(fēng)溫度為16.4℃,冷卻塔出風(fēng)相對濕度80%,冷卻塔出風(fēng)焓i2=46.4 kcal/kg干。

冷卻塔冷卻水出水溫度:tw2=11℃。

按夏季工況:冷卻水流量1 302 m3/h,冷卻塔冷卻水進出水溫差5.5℃.冷卻水進水溫度37.5℃,冷卻水出水溫度32℃,大氣濕球溫度27℃,查上海金日冷卻塔樣本,選擇1組橫流式冷卻塔,型號為KSD-N2000,為4個500RT的橫流式冷卻塔,體積風(fēng)量為796 800 m3/h,質(zhì)量風(fēng)量為772 896 kg/h,冷卻水額定流量1 468.8 m3/h,電機功率5.5 kW×8。

冬季冷卻塔總風(fēng)側(cè)散熱量QA=G(i2-il)=772896×(46.4-30)=12675494 kcal/h=14 739 kW

1.3 冬季冷卻塔運行選擇

冬季運行2個500RT橫流式冷卻塔(對應(yīng)1臺制冷量為4 069 kW的板換)，總風(fēng)側(cè)散熱量7 369 kW，總水側(cè)冷卻水流量1 302/2 m3/h,冷卻塔冷卻水進水溫度16.4℃，冷卻塔冷卻水出水溫度11℃，電機功率4×5.5 kW。

(1)板式換熱器選擇。

一次側(cè)(冷卻塔冷卻水回路):板換進水溫度11℃,板換出水溫度16.4℃,冷卻水流量1 302/2 m3/h。

二次側(cè)(空調(diào)機冷水回路):板換進水溫度18℃,板換出水溫度13℃,冷水流量700 m3/h。

計算算術(shù)平均溫差

(2)確定傳感器熱系數(shù)K。

假定二次側(cè)冷水流速vc=0.2 m/s,則一次側(cè)冷卻水流速vh=0.2×1.08=0.22 m/s(二次側(cè)冷水溫差Δt=18-13=5℃,一次側(cè)冷卻水溫差Δt=16.4-11=5.4℃,則5.4/5=1.08),查圖4.4-12(文獻[1] P201),得：

K=3100 W/m2·℃

(3)所需換熱面積F。

換熱量Q=(1302/2)×1000×1×(16.4-11)=3515400 kcal/h=4 088 kw符合要求。

驗算傳熱系數(shù)K:

板換換熱面積為732.6 m2,總片數(shù)1 017片,型號BR70。

(4)一、二次水側(cè)阻力。

一次側(cè)冷卻水平均溫度13.7℃(冷側(cè)),二次側(cè)冷水平均溫度15.5℃(熱側(cè))，查圖4.4-13(文獻[1] P201),根據(jù)冷側(cè)冷卻水流速0.19 m/s,熱側(cè)冷水速度0.21 m/s,查得一次冷卻水側(cè)阻力為0.001 8 MPa(0.18 mH2O)，二次冷水側(cè)阻力為0.0018 MPa(0.18 mH2O)。

冬季總換熱量為4 882 kW,考慮板換易結(jié)垢,不易清洗,選擇換熱量為4 069 kW/臺換熱面積732.6 m2/臺,總片數(shù)1 017片/臺,型號BR70/臺,2臺板換。

(5)季節(jié)切換電動開關(guān)蝶閥選擇。

溴化鋰吸收冷水機組冷卻水進水管DN450電動開關(guān)蝶閥1個,冷水出水管DN450電動開關(guān)蝶閥1個。

板換:一次側(cè)(冷卻水)板換進水管DN450電動開關(guān)蝶閥1個,二次側(cè)(冷水)板換進水管DN450電動開關(guān)蝶閥1個。

共2臺板換,2臺溴化鋰吸收冷水機,故共8個DN450電動開關(guān)蝶閥。

綜上所述,考慮板換易結(jié)垢影響換熱，應(yīng)考慮適當放大傳熱面積，冷卻塔冬季供冷運行情況如下：

一組冷卻塔(4個500RT橫流式冷卻塔)。

冷卻水流量1 302 m3/h。冷卻水進水溫度16.4℃,冷卻水出水溫度11℃,冷卻水出水溫度11℃,電機功率8×5.5 kW。

2臺板式換熱器(換熱量4 069 kW/臺)。

1臺冷卻水泵,冷卻水流量1302 m3/h,電機功率160 kW。

2臺冷水泵,總冷水流量1 400 m3/h,電機功率2×110 kW。

(6)冬季運行能耗分析如表1。

表1 冷卻塔冬季運行能耗分析

上述節(jié)能效果分析假定冷站溴化鋰冷水機組在冬季工況時采用變水溫節(jié)能運行,冷水供水溫度為13℃,和額定工況(冷水供水溫度7℃)相比,每提高1℃節(jié)能3.5%。利用冷卻塔供冷時,在設(shè)計管路系統(tǒng)應(yīng)注意冷卻塔、冷卻水泵、冷水泵、冷水機組均應(yīng)并聯(lián)。冷卻塔供冷由于增加了2臺板換,季節(jié)切換電動閥、旁通管路等，初投資增加440萬元。

2 空調(diào)機新風(fēng)供冷

全年室內(nèi)狀態(tài)點為溫度25℃,相對濕度60%,對應(yīng)的送風(fēng)狀態(tài)點為溫度18℃,焓值為48kg/kg干,絕對含濕量為12g/kg干,相對濕度為95%。當新風(fēng)焓小于表冷器露點焓(與送風(fēng)點焓相同)時進行新風(fēng)供冷、蒸汽加濕,新風(fēng)焓大于或等于表冷器露點焓(48kg/kg干),進行冷水供冷、蒸汽加熱。

2.1 一次混和點絕對含濕量

式中:G1為回風(fēng)風(fēng)量(kg/h)；Gw為新風(fēng)風(fēng)量(kg/h)；G為送風(fēng)風(fēng)量(kg/h)；dNo為室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)絕對含濕量(g/kg干)。按室內(nèi)溫度25℃,相對濕度60%,查焓濕圖知dNo=12 g/kg干；dw為昆明地區(qū)1月、2月、3月、4月1日～4月13日、11月13日～11月16日、12月18日～12月31日的室外日平均含濕量dw=5.8g/kg干,新風(fēng)比變化為0.2～1。

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

一次混和點絕對含濕量平均值為:

=8.28 g/kg干

冷卻塔供冷模式:

平均含濕量差Δd=dNO-dc=12-10.76=

1.24 g/kg干

全新風(fēng)供冷模式:

平均含濕量差Δd=dNO-dw=12-5.8=6.2 g/kg干

新風(fēng)線性增加供冷模式:

根據(jù)上述參數(shù)作常年供冷車間蒸汽加濕量計算如表2。

表2 常年供冷車間蒸汽加濕量

2.2 新風(fēng)供冷運行時間

由上述可知卷煙廠常年供冷車間空調(diào)機送風(fēng)點溫度18℃, 送風(fēng)相對濕度95%,送風(fēng)濕球溫度17℃,當室外新風(fēng)為全新風(fēng),新風(fēng)濕球溫度為17℃,新風(fēng)供冷結(jié)束,轉(zhuǎn)為冷水機組供冷。查“昆明市標準年空氣濕球溫度全年變化趨勢圖”知新風(fēng)濕球溫度小于17℃的時間為270 d,由于空調(diào)設(shè)備運行時間為每天18 h,故新風(fēng)供冷運行時間為4 860 h,其余時間各種模式運行,方式相同(冷水機組供冷,新風(fēng)比m=0.2)，故只比較4 860 h的運行成本。所有模式空調(diào)機風(fēng)機電耗相同,故不計空調(diào)機風(fēng)機運行成本。

溴化鋰冷水機組供冷模式在4 860 h運行有810 h需開冷水機組,冷水供水溫度為13℃，新風(fēng)比m=0.2。其余4 050 h采用新風(fēng)線性增加供冷,新風(fēng)比m由0.2線性增加到1,不開冷水機組。

冷卻塔供冷模式在4 860 h運行時有810 h無需制冷機,只由冷卻塔供冷,冷水供水溫度為13℃,新風(fēng)比m=0.2。其余4 050 h采用新風(fēng)線性增加供冷,新風(fēng)比m由0.2線性增加到1,不開冷水機組。

新風(fēng)線性增加供冷模式在4 860 h運行時,無需制冷機,新風(fēng)比新風(fēng)比m由0.2線性增加到1。

全新風(fēng)供冷模式在4 860 h運行時,無需制冷機,新風(fēng)比m=1。

3 常年供冷車間全年運行費用

(1)溴化鋰冷水機組供冷運行成本L1。

L1=470841+2.867×810×110+8.6×4050×110=455.759萬元

(2)冷卻塔供冷運行成本L2。

L2=171720+2.867×810×110+8.6×4050×110=425.847萬元

(3)全新風(fēng)供冷運行成本L3。

L3=14.334×4860×110=766.296萬元

(4)新風(fēng)線性增加供冷運行成本L4。

L4=8.6×4860×110=459.756萬元

由上述分析可知:昆明卷煙廠常年供冷車間全年運行費用由低到高依次為冷卻塔供冷、溴化鋰冷水機組供冷、新風(fēng)線性增加供冷、全新風(fēng)供冷。冬季冷卻塔供冷模式比溴化鋰冷水機組供冷模式每年可節(jié)約29.91萬元,冷卻塔供冷模式需增加220萬元初投資，投資回收期為7.36年。冷卻塔供冷初投資主要為板換的費用，如板換的使用年限低于7.36年,冬季采用冷卻塔供冷就不合理。反之,則合理。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社出版，2008

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005