卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用

喬建國(guó)，張 冊(cè)

（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司徐州卷煙廠，江蘇徐州 221005）

0 引言

卷煙廠熱水系統(tǒng)傳統(tǒng)應(yīng)用于洗浴和采暖，大多為孤立系統(tǒng)，因卷煙制造工藝需要用到蒸汽，熱水系統(tǒng)一般也采用蒸汽作為熱源，存在熱水應(yīng)用面窄、熱源單一、耗能較大、系統(tǒng)分散、蒸汽上游生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重等弊端。拓展熱源采集和熱水應(yīng)用領(lǐng)域，構(gòu)建卷煙廠在熱水系統(tǒng)節(jié)能建設(shè)和改造升級(jí)過程中的全局思路，探索開發(fā)卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)

綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)首先要解決卷煙廠熱水供應(yīng)熱源單一問題，其次要重點(diǎn)解決系統(tǒng)分散孤立，無法實(shí)現(xiàn)熱量綜合互補(bǔ)、熱水統(tǒng)籌利用，產(chǎn)生能源浪費(fèi)等問題，為此將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)確定如下。

（1）最大限度綜合利用可再生資源。作為熱水系統(tǒng)熱源，傳統(tǒng)蒸汽具有供應(yīng)穩(wěn)定、供熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，但也存在耗能大、上游生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，為此在綜合熱源系統(tǒng)中要盡可能利用可再生資源，如太陽(yáng)能[1]、風(fēng)能、空氣能、地?zé)崮芎退疅崮艿?，發(fā)揮可再生資源循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭、清潔環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，除此之外還須考慮盡可能利用卷煙廠現(xiàn)有工藝系統(tǒng)余熱，降低綜合能耗。

（2）確保熱水供應(yīng)穩(wěn)定。卷煙廠的核心業(yè)務(wù)是要能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮采用蒸汽或電能等可控?zé)嵩醋鳛橛行аa(bǔ)充，確保企業(yè)生產(chǎn)、生活熱水供應(yīng)穩(wěn)定。

（3）實(shí)現(xiàn)熱水系統(tǒng)綜合供應(yīng)管理。解決當(dāng)前卷煙廠眾多熱水系統(tǒng)分散孤立問題，建立以熱水為介質(zhì)的統(tǒng)一熱量存儲(chǔ)、交換中心，將多種熱源采集到的熱量統(tǒng)一存儲(chǔ)，統(tǒng)籌供應(yīng)到洗浴、采暖、空調(diào)、清洗等不同的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)熱量統(tǒng)籌利用、綜合互補(bǔ)，提高能源利用效率，避免浪費(fèi)。

（4）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精益運(yùn)行。系統(tǒng)包含多熱源采集和多領(lǐng)域供熱。多熱源采集方面，須按照熱源能耗、品質(zhì)、穩(wěn)定性等綜合評(píng)定后設(shè)定采集優(yōu)先級(jí)，在熱水應(yīng)用負(fù)荷低時(shí)，優(yōu)先應(yīng)用能耗低、品質(zhì)優(yōu)、穩(wěn)定性高的熱源供熱，少用或停用低優(yōu)先級(jí)熱源，在熱水負(fù)荷上升時(shí)逐級(jí)補(bǔ)充。多領(lǐng)域供熱方面，須根據(jù)重要性進(jìn)行分級(jí)，如在熱量不足時(shí)，優(yōu)先保證洗浴，其次保證生產(chǎn)用中央空調(diào)，最后保證采暖和清洗等。系統(tǒng)設(shè)備選型按照能力大小梯級(jí)配置，運(yùn)行模式根據(jù)企業(yè)需求設(shè)定多種策略[2]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精益運(yùn)行。

（5）具備可擴(kuò)展性。采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，既要保證系統(tǒng)中多熱源、多應(yīng)用模塊的獨(dú)立性，也要確保留有標(biāo)準(zhǔn)的接口，具備后續(xù)熱源增補(bǔ)和應(yīng)用拓展的可行性。

2 多熱源選擇

通過對(duì)當(dāng)前建設(shè)工程市場(chǎng)較為成熟的熱水生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)調(diào)研，結(jié)合行業(yè)內(nèi)多家卷煙廠熱水系統(tǒng)熱源應(yīng)用實(shí)際，從熱源的采集原理、技術(shù)成熟度、性能特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析（表1），確定卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)中的熱源選擇。

通過表1對(duì)比分析，卷煙廠熱水系統(tǒng)在熱源選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇使用太陽(yáng)能，同時(shí)利用好工藝設(shè)備余熱，在資金、當(dāng)?shù)丨h(huán)境等條件允許情況下盡可能的通過熱泵技術(shù)，增加空氣能、地?zé)崮?、水熱能等較為穩(wěn)定、清潔的可再生熱源應(yīng)用，最后還應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)、生活熱水負(fù)荷穩(wěn)定性的需求，以卷煙生產(chǎn)中常備蒸汽作為備用熱源，按照太陽(yáng)能—工藝余熱—可再生低品位熱源—蒸汽進(jìn)行熱源優(yōu)先級(jí)設(shè)定。對(duì)于不同的工藝余熱類型之間，以及條件允許情況下同時(shí)配備的空氣能、地?zé)崮?、水熱能之間的熱源優(yōu)先級(jí)，可根據(jù)卷煙廠具體情況進(jìn)行細(xì)分。

表1 多熱源綜合對(duì)比分析

3 卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)

卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)主要包括補(bǔ)水系統(tǒng)、綜合蓄熱保溫水箱[2]、主熱源采集、備用熱源采集、供熱循環(huán)系統(tǒng)、熱水應(yīng)用和全過程監(jiān)控系統(tǒng)等（圖1）。

圖1 綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 補(bǔ)水系統(tǒng)

選用自來水作為補(bǔ)水水源，在進(jìn)入熱水系統(tǒng)前，設(shè)置相應(yīng)容量的水處理設(shè)備對(duì)自來水進(jìn)行過濾、軟化處理，降低整個(gè)熱水系統(tǒng)結(jié)垢、堵塞風(fēng)險(xiǎn)。水處理設(shè)備可采用離子交換工藝或反滲透膜過濾工藝，一般來說離子交換工藝設(shè)備占地較大，投資較低，反滲透膜過濾工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，但投資較高，卷煙廠可根據(jù)需要選擇配置。若廠區(qū)有統(tǒng)一的水處理設(shè)備，也可直接采用處理后的軟水作為補(bǔ)水水源。

3.2 主熱源采集

卷煙廠內(nèi)各單體建筑較多，其中聯(lián)合工房、庫(kù)房、辦公樓等建筑頂面均有大面積空置區(qū)域，在廠房建設(shè)之初預(yù)留空置頂面載荷，布置真空式或平板式太陽(yáng)能集熱裝置，采集太陽(yáng)輻射熱作為熱水系統(tǒng)主熱源；工藝設(shè)備余熱采集，是指在工藝設(shè)備熱量介質(zhì)（煙氣或蒸汽）排放尾部或運(yùn)行冷卻系統(tǒng)中安裝節(jié)能器，通過換熱系統(tǒng)采集余熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔饣蚬に囉嗥禍嘏欧?，以及設(shè)備冷卻；凝結(jié)水余熱采集，是指工藝設(shè)備產(chǎn)生的高溫凝結(jié)水余熱在匯集點(diǎn)通過水水換熱器采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水低溫回收或排放?？稍偕推肺粺嵩矗諝饽堋⒌?zé)崮?、水熱能等）采集須因地、因時(shí)制宜，根據(jù)卷煙廠所在地的氣候、區(qū)域、地質(zhì)和水源情況擇優(yōu)獨(dú)立或混合配置，一般來說地源熱泵系統(tǒng)[4]具有較寬應(yīng)用面，可作為卷煙廠熱水系統(tǒng)太陽(yáng)能、工藝余熱不足時(shí)的主熱源。

3.3 備用熱源采集

卷煙廠因工藝生產(chǎn)需要，均通過鍋爐自產(chǎn)或外購(gòu)方式常備飽和蒸汽，且考慮到電加熱制備熱水裝置存在功率大、容量小等缺點(diǎn)，故選擇蒸汽作為備用熱源。蒸汽換熱器應(yīng)根據(jù)負(fù)荷需求梯級(jí)配置，通過可控閥組在主熱源供熱量不足時(shí)逐級(jí)串入供熱循環(huán)系統(tǒng)輔助供熱。目前市場(chǎng)上蒸汽換熱裝置有列管式、螺旋板式、波紋管式、渦流熱膜等多種形式，其中板式換熱器具有換熱效率高、維護(hù)簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，多為卷煙廠采用。

3.4 綜合蓄熱保溫水箱

核算卷煙廠熱水總負(fù)荷，在聯(lián)合工房中距離各熱源和應(yīng)用終端距離均較近的位置，預(yù)留房間配置綜合蓄熱保溫水箱，作為綜合熱源采集熱量的中間存儲(chǔ)設(shè)施。蓄熱水箱要做好水箱保溫防護(hù)，預(yù)留各熱源和應(yīng)用系統(tǒng)供回水管口，當(dāng)總負(fù)荷較大時(shí)，可考慮采用多個(gè)水箱分設(shè)、通聯(lián)方式配置。

3.5 供熱循環(huán)系統(tǒng)

供熱循環(huán)系統(tǒng)是聯(lián)系綜合蓄熱水箱和熱水應(yīng)用終端的紐帶，供應(yīng)恒溫恒壓熱水，熱水供應(yīng)壓力保持在0.2 MPa為宜，溫度保持在60℃為宜，可根卷煙廠熱水負(fù)荷實(shí)際需求微調(diào)。循環(huán)系統(tǒng)具體包括管路、可控閥組、泵組等，泵組根據(jù)熱水負(fù)荷梯級(jí)配置，管路形式可統(tǒng)一設(shè)置母管，在不同應(yīng)用末端采用并聯(lián)方式分供，也可以直接根據(jù)不同應(yīng)用，設(shè)置專用的泵組和供回水管網(wǎng)，獨(dú)立循環(huán)供應(yīng)。

3.6 熱水應(yīng)用

卷煙廠作為綜合性生產(chǎn)制造企業(yè)，熱水系統(tǒng)有較多用途，具體包括洗浴、清洗、采暖、中央空調(diào)加熱、加濕等。特別是在中央空調(diào)應(yīng)用方面，大部分地區(qū)卷煙廠均采用蒸汽和冷水來調(diào)節(jié)送風(fēng)溫濕度，耗能較高，近年來部分卷煙廠節(jié)能改造，輔以高壓微霧系統(tǒng)作為蒸汽加濕補(bǔ)充，以降低蒸汽消耗。本系統(tǒng)熱水供應(yīng)穩(wěn)定充足，可對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行改造，采用熱水代替蒸汽加熱，同時(shí)在春秋過渡季節(jié)以常溫水作為微霧水源，既加濕又降溫，而在冬季以熱水作為微霧水源，既加濕又升溫，從而進(jìn)一步降低空調(diào)蒸汽消耗，達(dá)到節(jié)能目的。

3.7 全過程監(jiān)控系統(tǒng)

全過程監(jiān)控系統(tǒng)是將各層級(jí)熱源采集系統(tǒng)、蓄熱水箱、供熱循環(huán)系統(tǒng)、末端應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)籌運(yùn)行的橋梁，采用PLC控制底層接口單元——工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線——數(shù)據(jù)庫(kù)——客戶端組件平臺(tái)——Web前端頁(yè)面等自下而上的工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)架構(gòu)，通過設(shè)置在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)位置的溫度傳感器、液位計(jì)、獨(dú)立設(shè)備狀態(tài)采集器、可控閥組、泵組等進(jìn)行狀態(tài)采集和運(yùn)行控制，并根據(jù)不同季節(jié)、工況以及應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)置多種運(yùn)行模式[5]，實(shí)現(xiàn)卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)精益、安全運(yùn)行。

4 應(yīng)用效果

卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)配置具有較大靈活性，不同卷煙廠可根據(jù)實(shí)際需求因地、因時(shí)在上述架構(gòu)中減少或增加相應(yīng)熱源采集和末端應(yīng)用。徐州卷煙廠新廠區(qū)應(yīng)用此架構(gòu)在聯(lián)合生產(chǎn)工房建立了綜合熱源節(jié)能熱水洗浴系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能和工藝余熱作為主熱源，蒸汽作為輔助熱源，現(xiàn)已投入運(yùn)行。監(jiān)控流程和真空管型太陽(yáng)能集熱器現(xiàn)場(chǎng)分別如圖2和圖3所示。

經(jīng)2018年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)年用汽約1283 t，用水約13 400 t。徐州地區(qū)全年常溫水平均溫度約為15℃，系統(tǒng)供應(yīng)熱水溫度為60℃，備用加熱蒸汽為0.3 MPa（表壓）飽和蒸汽，板式換熱器后蒸汽冷凝為0.1 MPa（表壓）汽水混合物。經(jīng)計(jì)算1 t水若全部采用蒸汽加熱所需蒸汽量約為0.181 45 t。故本系統(tǒng)全年可節(jié)約蒸汽約為1148 t，按每噸0.3 MPa（表壓）蒸汽折標(biāo)煤94.286 kg計(jì)，系統(tǒng)年節(jié)能約為108.24 t標(biāo)煤，節(jié)能效果優(yōu)。

圖2 監(jiān)控流程

圖3 真空管型太陽(yáng)能集熱器現(xiàn)場(chǎng)

徐州卷煙廠采用天然氣為燃料生產(chǎn)蒸汽，每噸蒸汽成本約為350元人民幣（含燃料成本和運(yùn)行成本），故系統(tǒng)全年可節(jié)約蒸汽費(fèi)用約為40.18萬(wàn)元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

卷煙廠綜合熱源節(jié)能熱水系統(tǒng)不僅配置模式靈活，可解決熱源采集和應(yīng)用孤立分散問題，還具有較強(qiáng)的環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，能為卷煙廠熱水系統(tǒng)節(jié)能建設(shè)和改造提供全局思路。下一步，將根據(jù)以上架構(gòu)，積極拓展熱源和應(yīng)用組合模式，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)效性。