卷煙廠工藝空調(diào)熱媒水替代蒸汽的節(jié)能研究

高憲君，王守強

（河南中煙工業(yè)公司黃金葉生產(chǎn)制造中心，河南鄭州 450016）

0 引言

在卷煙廠工藝空調(diào)運行中，需要消耗蒸汽、電能和水，其中蒸汽消耗對工藝空調(diào)綜合能耗影響最大，某卷煙廠2019 年蒸汽消耗量占到工藝空調(diào)能耗的71.58%，降低蒸汽消耗量就能取得顯著的節(jié)能效果[1]。卷包、制絲車間等有大功率發(fā)熱源（烙鐵、電機等）的區(qū)域，全年空調(diào)機組幾乎不需要利用蒸汽進行加熱[2]。儲物間、原輔材料平衡區(qū)，由于沒有大功率發(fā)熱源，為維持恒溫恒濕的環(huán)境溫濕度需求，全年空調(diào)機組都需要采用蒸汽進行加熱，而這些空調(diào)機組占到全廠空調(diào)機組的近1/2。

通往制絲車間的鍋爐蒸汽對煙葉加工，做功后的冷凝水（汽水混合）經(jīng)過閃蒸罐降壓，閃蒸汽壓力0.2 MPa、溫度120 ℃，凝結(jié)水溫度110 ℃，之前該熱能用于鍋爐除氧器對鍋爐進水進行加熱[3]。但是在全年春、秋、夏季（除了12 月份—次年2 月份）期間，閃蒸汽和高溫冷凝水的熱能不能被除氧器全部利用，多余的熱量需要對空排放，特別是在夏季，形成大量的能源浪費。

夏季需要熱源加熱的機理主要為：中原地區(qū)7—8 月份進入高溫、高濕天氣時段，為維持車間的恒溫、恒濕的環(huán)境，需要利用7～12 ℃的冷媒水對空調(diào)器的混風(fēng)（車間回風(fēng)加適量新風(fēng)）降溫，降至車間設(shè)定溫濕度所對應(yīng)的露點溫度（約18 ℃）以析出冷凝水強行除濕，此時混風(fēng)溫度已降至18 ℃。制絲車間和卷包車間有大功率發(fā)熱體釋放熱能，僅需用少量蒸汽或勿需蒸汽再加熱即可滿足保供，但是貯絲房、儲葉房及卷煙材料區(qū)等無大功率發(fā)熱源的區(qū)域，需要用蒸汽對表冷后的空氣再加熱至28～32 ℃。

為達到完全使用余熱的目的，設(shè)想利用閃蒸汽和冷凝水的熱能制取熱媒水，作為工藝空調(diào)器加熱源取代傳統(tǒng)蒸汽熱源，如果還有剩余則可為鍋爐除氧器加熱。

1 可行性分析

該方案為，利用閃蒸汽和高溫冷凝水制取60 ℃的熱媒水，用于中央工藝空調(diào)的加熱源，替代原來135 ℃的熱蒸汽。為了論證方案是否可行，下面將從實際運行的加熱閥門開啟量數(shù)據(jù)來進行分析。

（1）工藝空調(diào)以蒸汽作為熱源，利用的是其潛熱值，查閱相關(guān)資料可知，0.3 MPa 蒸汽的潛熱值為2 163.63 kJ/kg。

（2）如果以60 ℃的熱媒水作為熱源，則利用的是其顯熱。由于熱媒水的顯熱遠小于蒸汽潛熱，為達到額定加熱量，則需用更多的熱媒水。以K26 空調(diào)機組為例，其額定加熱量是278 kW，蒸汽管道直徑DN100，冷凝水回水管道直徑DN50，因此需要計算DN50 管徑下的熱媒水能否達到流量要求。

根據(jù)流速與管徑及流量關(guān)系，查相關(guān)數(shù)據(jù)表可知，DN50 管徑推薦流速取值為1.5 m/s，保守取值1.2 m/s，可以計算得出正常流量：

式中 m——流體質(zhì)量，kg/h

ρ——密度，kg/m3

V——體積，m3

s——流速，m/s

熱媒水進出溫差取8 ℃，則熱媒水每小時釋放出的熱量為：

式中 Q——熱能，J/h

C——水的比熱容，J/（kg·℃）

Δt——溫升，℃

則Q 為4.18×103×8.48×1000×8=283.57×106J/h=78.77 kW。

統(tǒng)計2019 年和2018 年能源管理系統(tǒng)記錄，K26空調(diào)器蒸汽加熱閥平均開度情況見表1。

表1 2019 年和2018 年K26 空調(diào)器蒸汽加熱閥平均開度情況統(tǒng)計 %

從表1 可以看出，加熱閥平均開度超過28.3%的有2 個月，超過20%的有4 個月，集中在12 月份至次年3 月份。在K26 空調(diào)器數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，驗證了其他多臺機器，結(jié)果與此類似。為實現(xiàn)安全保供的安全裕量，當(dāng)加熱閥開度大于20%或接近20%的，就認(rèn)為是不適合熱媒水做熱源的月份。經(jīng)分析認(rèn)為，每年的5—10 月份適合熱媒水替代蒸汽。

2 熱能供給與需求測算

2.1 閃蒸汽所含熱能估算

2019 年鍋爐12 月1 日—20 日、20 d 內(nèi)的生產(chǎn)蒸氣總量為5665 t。鍋爐所生產(chǎn)的蒸汽用水包括軟化水、純水和除鐵后的高溫冷凝水。其中，高溫冷凝水的壓力為0.05 MPa，溫度99～110 ℃；純水、軟水合計用量2696 t，平均用水量每天至少每小時為=5 616.66 kg；除氧器的進水溫度平均為14 ℃，經(jīng)閃蒸汽加熱后溫度升高90 ℃、升溫至104 ℃。

根據(jù)式（2），則閃蒸汽每小時釋放熱量QS=4.18×5 616.66×90=2 112 987.5 kJ/h。

2.2 冷凝水所含熱能估算

制絲線閃蒸后，110 ℃的冷凝水總量為產(chǎn)蒸汽總量減去冷水量，即2969 t。按照60 ℃溫差換熱，其所含熱量

2.3 閃蒸汽和冷凝水全部可用熱能

全部可用熱能為QS與QL之和，即2 112 987.5+1 551 302.5=3 664 290 kJ/h。

2.4 儲物間等空調(diào)器所需熱能估算

以貯絲房的K26 空調(diào)為例，與其他空調(diào)相比，該空調(diào)器的送風(fēng)量最大、達120 000 m3/h，2019 年5 月10 日—20 日，平均送風(fēng)溫度和表冷后混風(fēng)溫度差值為1.5 ℃、平均運行頻率為25 Hz。2020 年5 月14 日，設(shè)置風(fēng)機頻率為25 Hz 運行狀態(tài)下，現(xiàn)場在風(fēng)箱中取多個測試點，實測平均風(fēng)速為1.9 m/s，空調(diào)箱體截面積為16 m2，氣流密度取1.2 kg/m3，則空調(diào)器每小時需要的加熱量QX=1.01×（16×1.9×1.2×3600）×1.5=198 962.0 kJ/h。

2.5 熱能供給與需求分析

閃蒸汽和冷凝水全部可用熱能3 664 290 kJ/h，最大送風(fēng)量的空調(diào)器除濕季需求加熱量198 962 kJ/h，則閃蒸汽和冷凝水夏季可滿足空調(diào)器加熱量的臺數(shù)為3 664 290/198 962≈18.4 臺。而全廠儲物間空調(diào)器共20臺，送風(fēng)量有8000 m3/h、100 000 m3/h 和120 000 m3/h三種，加熱需求量小于198 962 kJ/h。初步估算，閃蒸汽和冷凝水熱能能滿足儲物間等20 臺空調(diào)器的夏季每年5—10 月份加熱需求。

3 方案設(shè)計與工程改造

空調(diào)機組熱媒水替代蒸汽改造原理圖如圖1 所示，熱媒水站工作原理如圖2 所示。

圖1 空調(diào)機組熱媒水替代蒸汽改造原理

圖2 熱媒水站工作原理

3.1 熱水泵選型

流量設(shè)計：設(shè)K26 空調(diào)器每小時需要的加熱量為Q1、198 962.0 kJ/h，根據(jù)熱量守恒定律等于熱媒水供熱Q2，設(shè)定溫升10 ℃，根據(jù)式（2）有198 962.0=4.18M2×10，則M2=4753 kg。

按照K26 大風(fēng)量空調(diào)器計算，20 臺空調(diào)器每小時所需熱水量20×4.753=95.06 t，綜合考慮選取熱水泵流量100 t/h。

揚程設(shè)計：地下管廊到二樓空調(diào)機組管道高度20 m，距離泵站最遠的K43 空調(diào)管路總長1200 m，查表DN150 管子1000 m 阻力損失為9.7 m 水柱，以上總計31.64 m 水柱壓頭。因此設(shè)計運行壓力35～40 m水柱，富裕10 m 水柱壓頭擴容備用，因此，熱水泵揚程選型50 m 較合理。

3.2 熱媒水溫度調(diào)節(jié)

設(shè)計供水溫度為60 ℃，當(dāng)溫度低于58 ℃時自動開啟熱媒水箱調(diào)節(jié)閥進入閃蒸氣加熱，同步關(guān)小或關(guān)閉去往除氧器調(diào)節(jié)閥，當(dāng)水溫達到60 ℃時，關(guān)小調(diào)節(jié)閥同時開啟去往除氧器調(diào)節(jié)閥，兩者互補比例調(diào)節(jié)，穩(wěn)定熱媒水溫度（60±5）℃。

當(dāng)水溫低于55 ℃，閃蒸氣加熱閥100%開啟，表明閃蒸氣加熱量不足，此時自動開啟鮮蒸氣加熱閥補充加熱，當(dāng)長時間用鮮蒸氣補充加熱時，就需要手動開啟高溫冷凝水作為第三加熱源。

3.3 熱媒水泵變頻控制

熱媒水泵按照壓力、水位和溫度參數(shù)值進行變頻控制。出水壓力0.25～0.50 MPa，低水位保護限值50 cm，水位低于設(shè)定值時停止運行、高于高水位值時啟動。

3.4 工程改造

（1）該項目改造工作量大，涉及熱源的鍋爐附屬設(shè)施、給水排水管網(wǎng)、以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，控制程序編制、熱水管網(wǎng)鋪設(shè)、與工藝空調(diào)原蒸汽管道的對接等。

（2）熱媒水站建造兩個6 m3水箱、兩臺100 m3變頻熱水泵（一用一備），24 h 不間斷維持熱媒水加熱的供給。

（3）新鋪設(shè)的熱媒水管道不宜采用PVC 管，PVC管材通入60 ℃的熱水后變軟易造成接頭泄漏，宜采用碳鋼管道。

（4）1#～3#機房的蒸汽、熱媒水管道匯集在1#機房，4#～8#機房的蒸汽、熱媒水管道匯集在7#機房。

（5）聯(lián)通每個機房的蒸汽管道，夏季利用原有蒸汽管道輸送熱媒水，通往蒸汽加熱器升溫。

（6）之前空調(diào)器有蒸汽作為熱源時，空調(diào)冷凝水回水是常壓重力回水方式。而現(xiàn)在改為而熱媒水作為熱源，其回水帶有0.3～0.4 MPa 壓力，如果用一般的三通對接匯入，回流的熱媒水會倒流入空調(diào)機房，所以采用具有引射作用的文丘里三通對接。

4 節(jié)能效果

改造后，采用“竣工一段使用一段”的模式，中央工藝空調(diào)從2020 年5 月3 日開始用熱媒水替代蒸汽熱源，各卷煙生產(chǎn)區(qū)域在滿足溫濕度需求的前提下，取得明顯的節(jié)能效果。根據(jù)能源管理系統(tǒng)，將2020 年、2019年5—10 月份的蒸汽和電能消耗進行對比（表2）。

表2 2020 年（使用熱媒水）和2019 年（使用蒸汽）5—10 月份空調(diào)數(shù)據(jù)對比

從表2 可以看出，在卷煙產(chǎn)量增加的情況下，2020 年5—10 月份比2019 年的中央工藝空調(diào)蒸汽消耗量下降了58.46%，耗電量下降13.0%；折合到單箱卷煙所耗的標(biāo)煤量，綜合能耗下降43.9%，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)束語

對于中原地區(qū)的卷煙企業(yè)而言，每年的5—10月份利用制絲車間回流的閃蒸汽和高溫冷凝水制取熱媒水，可以作為工藝空調(diào)器加熱源替代傳統(tǒng)的蒸汽熱源，在滿足生產(chǎn)區(qū)域溫濕度要求的前提下，工藝空調(diào)節(jié)能效果顯著。另外，該技術(shù)對卷煙企業(yè)中央工藝空調(diào)的節(jié)能降耗具有借鑒意義。