卷包車間空調(diào)機(jī)組控制策略改造研究與應(yīng)用

中國(guó)城市發(fā)展規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司 劉 敏 曾 巍 陳曉春 郝 軍廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 蔡藍(lán)燕 曾 靜 徐建燎

0 引言

目前煙草行業(yè)的能源消耗主要由工藝生產(chǎn)設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、空氣壓縮及真空系統(tǒng)等產(chǎn)生，其中空調(diào)系統(tǒng)具有控制精度高、風(fēng)量大、能耗高、制冷機(jī)組全年運(yùn)行周期長(zhǎng)等特點(diǎn)[1-3]，其能耗通常能達(dá)到總能耗的30%～50%[4]，是卷煙企業(yè)節(jié)能工作的重要環(huán)節(jié)。實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，卷煙企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要存在空調(diào)參數(shù)控制精度過高、設(shè)備裝機(jī)容量過大、部分負(fù)荷調(diào)節(jié)能力差、空調(diào)機(jī)組的設(shè)置和控制與工藝設(shè)備運(yùn)行不匹配等問題。

本文結(jié)合實(shí)際案例，基于卷包車間實(shí)際生產(chǎn)模式，將卷包車間人為劃分為不同空調(diào)區(qū)域，并在現(xiàn)有風(fēng)管布置條件下，進(jìn)一步優(yōu)化空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行控制方式，實(shí)現(xiàn)空調(diào)運(yùn)行與卷包生產(chǎn)相適應(yīng)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整室內(nèi)空調(diào)參數(shù)控制精度，從而降低卷包車間空調(diào)運(yùn)行能耗。

1 工程概況

該項(xiàng)目卷包車間建筑面積為11 102 m2，車間高度為15.9 m，為檢修方便，在高度6.05 m處設(shè)置鋁合金針孔板吸聲吊頂，吊頂上方為金屬格柵頂，所有的空調(diào)、工藝及動(dòng)力管線全部安裝在鋼格柵上方。卷包車間設(shè)計(jì)溫濕度為：夏季(26±2)℃、(58±5)%；冬季(24±2)℃、(58±5)%。設(shè)計(jì)送風(fēng)溫差為5.5 ℃。氣流組織方式為上送上回，送風(fēng)口選用旋流風(fēng)口，回風(fēng)口為百葉風(fēng)口。

卷包車間設(shè)置8臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組(kj1～kj8)，空調(diào)機(jī)組參數(shù)見表1。工藝設(shè)備布局為矩形分布，以圖1中走廊為界分為高速機(jī)區(qū)域(走廊下方FB1～FB7)、中速機(jī)區(qū)域(中間走廊上方EB1、EB2、EB4～EB10)。

表1 卷包車間空調(diào)機(jī)組參數(shù)

圖1 卷包車間工藝設(shè)備布局與空調(diào)機(jī)組劃分區(qū)域示意圖

2 研究思路

1) 通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等手段收集卷包車間建筑概況、室內(nèi)熱擾及設(shè)備作息、室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、空調(diào)機(jī)組各閥門開度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率和功率等信息，判斷空調(diào)機(jī)組運(yùn)行中存在的問題。

2) 分析空調(diào)溫度波動(dòng)范圍、濕度波動(dòng)范圍對(duì)空調(diào)能耗的影響，得出溫濕度參數(shù)及精度控制與空調(diào)能耗的關(guān)系。

3) 在滿足工藝溫濕度要求的前提下，當(dāng)各空調(diào)機(jī)組服務(wù)范圍內(nèi)卷包機(jī)組部分開啟時(shí)，關(guān)閉停運(yùn)機(jī)臺(tái)上方的送風(fēng)口閥門，確定空調(diào)送風(fēng)量的范圍，作為制定空調(diào)控制策略的依據(jù)。

4) 提出卷包車間空調(diào)機(jī)組節(jié)能優(yōu)化改造方案。

3 現(xiàn)狀分析

3.1 空調(diào)溫濕度精度控制過度

根據(jù)該廠技術(shù)中心對(duì)卷包車間溫濕度的要求，溫度控制精度為±2 ℃，相對(duì)濕度控制精度為±5%，但由于生產(chǎn)操作問題，卷包車間的實(shí)際控制過程中溫度波動(dòng)范圍為(25.57±0.6)℃，相對(duì)濕度為(58±1.65)%。相比卷包車間設(shè)計(jì)溫度控制精度±2 ℃、相對(duì)濕度控制精度±5%，實(shí)際空調(diào)機(jī)組的溫濕度精度控制過度，導(dǎo)致空調(diào)能耗升高，以及蒸汽、冷水閥的頻繁動(dòng)作。卷包車間室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度逐時(shí)變化情況見圖2、3。

圖2 卷包車間室內(nèi)溫度逐時(shí)變化情況

圖3 卷包車間室內(nèi)相對(duì)濕度逐時(shí)變化情況

建立不同方案下卷包車間能耗分析測(cè)算模型，計(jì)算節(jié)能量，如表2所示。相比實(shí)際控制精度，設(shè)計(jì)溫濕度控制精度下，每年可節(jié)約電能10.9萬(wàn)kW·h及蒸汽293 t，節(jié)能率為5.5%。

表2 不同控制精度下空調(diào)能耗

3.2 空調(diào)運(yùn)行與生產(chǎn)不匹配

從工藝設(shè)備布置和空調(diào)機(jī)組的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析，存在以下問題：

1) 空調(diào)機(jī)組所覆蓋的區(qū)域，設(shè)備布置數(shù)量及發(fā)熱源存在分布不均勻的情況，但是空調(diào)機(jī)組均采用統(tǒng)一的設(shè)備型號(hào)及送風(fēng)狀態(tài)控制方式。

2) 根據(jù)車間的工藝生產(chǎn)班制及設(shè)備開啟情況分析，不同的卷包機(jī)組開啟率有較大差別，其中靠車間北側(cè)的中速機(jī)組開啟率相對(duì)較低，南側(cè)的高速機(jī)組開啟率較高。而空調(diào)機(jī)組仍保持均勻的送風(fēng)控制方式，存在空調(diào)能耗浪費(fèi)的情況。

3) 部分空調(diào)機(jī)組如kj1和kj8覆蓋區(qū)域有部分區(qū)域空置，該區(qū)域空調(diào)仍運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。

3.3 送風(fēng)節(jié)能分析

考慮計(jì)算的可行性和準(zhǔn)確性，各空調(diào)區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行分析，即計(jì)算某個(gè)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷時(shí)，只建立該區(qū)域內(nèi)的送回風(fēng)模型及其服務(wù)的卷包機(jī)組模型。由于與相鄰空調(diào)區(qū)域之間的熱流邊界條件無(wú)法獲知，因此，將單個(gè)空調(diào)區(qū)域置于2種極端環(huán)境下：第一類環(huán)境是在典型夏季工況下，將單個(gè)空調(diào)區(qū)域置于整個(gè)卷包車間進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)得到的送風(fēng)量為最大可能送風(fēng)量Gmax；第二類環(huán)境是在典型夏季工況下，將單個(gè)空調(diào)區(qū)域置于周邊絕熱的環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)得到的送風(fēng)量為最小可能送風(fēng)量Gmin。預(yù)測(cè)出的空調(diào)送風(fēng)量介于最大可能送風(fēng)量Gmax和最小可能送風(fēng)量Gmin之間，作為制定空調(diào)控制策略的依據(jù)。

3.3.1邊界條件設(shè)置

1) 卷包設(shè)備發(fā)熱量。

卷包設(shè)備散熱量Qs與卷包設(shè)備安裝功率N、除塵系統(tǒng)排風(fēng)帶走的熱量Qp、生產(chǎn)冷水帶走的熱量Qc(高速卷包機(jī)組需要供應(yīng)冷水)等有關(guān)，具體關(guān)系如下：

Qs=φ1φ2(N-Qp-Qc)

(1)

式中 φ1為卷包設(shè)備的有效作業(yè)率，反映單臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)水平的高低；φ2為卷包設(shè)備的同時(shí)利用率，反映設(shè)備的同時(shí)使用情況。

設(shè)備的有效作業(yè)率指單位時(shí)間實(shí)際產(chǎn)出與生產(chǎn)設(shè)備的單位時(shí)間理論產(chǎn)出之比。當(dāng)設(shè)備短暫停機(jī)或者低負(fù)荷運(yùn)行甚至無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備的散熱量會(huì)相應(yīng)地受到影響。卷包設(shè)備的綜合系數(shù)取0.85[5]。

根據(jù)卷包機(jī)組生產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)投入生產(chǎn)的機(jī)組最多為12臺(tái)。目前卷包車間設(shè)有17臺(tái)卷包機(jī)組，因此，卷包設(shè)備最大同時(shí)利用率為0.71。當(dāng)僅考慮單臺(tái)設(shè)備發(fā)熱量時(shí)，同時(shí)利用率取1。

2) 卷包車間空氣濕度。

卷包車間的散濕量主要為人員散濕，設(shè)備及其他散濕可忽略不計(jì)。因此，在空調(diào)送風(fēng)濕度不發(fā)生變化的情況下，各區(qū)域人員按照生產(chǎn)規(guī)律進(jìn)行工作，分別開啟關(guān)閉對(duì)應(yīng)區(qū)域的空調(diào)不會(huì)對(duì)其他區(qū)域的空氣濕度產(chǎn)生較大的影響和波動(dòng)。因此，本文重點(diǎn)分析各空調(diào)區(qū)域的溫度和風(fēng)速的變化情況。

3.3.2物理模型

考慮到模擬計(jì)算的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)卷包車間模型作如下簡(jiǎn)化：1) 卷包車間采取上送上回的送風(fēng)方式，且吊頂封閉，因此只取卷包車間吊頂下空間為研究對(duì)象；2) 卷包設(shè)備簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體的多孔介質(zhì)，孔隙率取0.5。三維計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 三維計(jì)算模型

3.3.3結(jié)果分析

以空調(diào)機(jī)組kj4為例，當(dāng)送風(fēng)量為原設(shè)計(jì)風(fēng)量的70%時(shí)，夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為24.8～27.8 ℃，區(qū)域內(nèi)風(fēng)速在1.3 m/s以內(nèi)，基本滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)送風(fēng)量為設(shè)計(jì)風(fēng)量的50%時(shí)，夏季工況1.8 m高度處溫度范圍為25.1～27.1 ℃，區(qū)域內(nèi)風(fēng)速在0.86 m/s以內(nèi)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。因此，當(dāng)卷包機(jī)組EB2關(guān)閉、其上方對(duì)應(yīng)的送風(fēng)口不送風(fēng)時(shí)，預(yù)測(cè)夏季工況空調(diào)送風(fēng)量為原設(shè)計(jì)送風(fēng)量的20%～60%，即23 000～69 000 m3/h。計(jì)算結(jié)果見圖5～8。卷包車間各空調(diào)機(jī)組風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍見表3。

表3 卷包車間空調(diào)機(jī)組風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍

圖5 夏季工況kj4最大可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處溫度場(chǎng)

圖6 夏季工況kj4最大可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處速度場(chǎng)

圖7 夏季工況kj4最小可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處溫度場(chǎng)

圖8 夏季工況kj4最小可能送風(fēng)量模型1.8 m高度處速度場(chǎng)

4 改造方案

4.1 調(diào)整空調(diào)參數(shù)控制精度

按設(shè)計(jì)要求的溫濕度控制精度，重新設(shè)置溫濕度傳感器的控制參數(shù)，溫度控制精度設(shè)為±2 ℃，相對(duì)濕度控制精度設(shè)為±5%。

4.2 部分負(fù)荷區(qū)域增設(shè)風(fēng)量控制裝置

在空調(diào)機(jī)組kj1～kj5、kj8服務(wù)區(qū)域(中速機(jī)EB1、EB2、EB4～EB10與高速機(jī)FB1～FB7)增加風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥(見圖9中圓點(diǎn)標(biāo)注位置)，通過采集中速機(jī)(EB4～EB10)與高速機(jī)(FB1～FB7)的開機(jī)信號(hào)，判斷風(fēng)閥的動(dòng)作方式，包括風(fēng)閥的調(diào)節(jié)位置(全開/比例開啟/關(guān)閉)。

圖9 風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥布置圖

現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)，kj8空調(diào)機(jī)組本身設(shè)置有風(fēng)閥，但缺少電動(dòng)執(zhí)行裝置，因此在原風(fēng)閥基礎(chǔ)上增加電動(dòng)執(zhí)行器(見圖10中圓點(diǎn)標(biāo)注位置)。通過采集中速機(jī)EB1與EB2的開機(jī)信號(hào)，判斷風(fēng)閥的動(dòng)作方式，包括風(fēng)閥的調(diào)節(jié)位置(全開/開啟比例/關(guān)閉)。

圖10 風(fēng)閥電動(dòng)執(zhí)行器布置圖

4.3 閑置設(shè)備區(qū)域關(guān)閉風(fēng)口

在kj1覆蓋的區(qū)域中南側(cè)區(qū)域無(wú)生產(chǎn)設(shè)備，且無(wú)人員固定工作崗位，因此，關(guān)閉kj1覆蓋的南側(cè)區(qū)域內(nèi)的14個(gè)送風(fēng)口。

4.4 空調(diào)機(jī)組控制策略優(yōu)化

根據(jù)CFD模擬分析結(jié)果，對(duì)kj1～kj5、kj8空調(diào)機(jī)組送回風(fēng)機(jī)的頻率、轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到某機(jī)組停機(jī)后延時(shí)30 min關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域送風(fēng)閥，空調(diào)送回風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率同步調(diào)整，范圍為20～35 Hz；當(dāng)檢測(cè)到某機(jī)組開機(jī)時(shí)，開啟相應(yīng)區(qū)域送風(fēng)閥，空調(diào)送回風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率同步調(diào)整，范圍為30～48 Hz。卷包機(jī)組與空調(diào)機(jī)組對(duì)應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 卷包機(jī)組與空調(diào)機(jī)組對(duì)應(yīng)關(guān)系

區(qū)域送風(fēng)閥關(guān)閉后，對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫濕度傳感器不參與平均值計(jì)算，即空調(diào)控制系統(tǒng)在自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)將忽略對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫濕度數(shù)值，反映實(shí)際生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境狀況，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地判斷空調(diào)負(fù)荷。

4.5 改造效果驗(yàn)證

基于空調(diào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)改造前后的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。運(yùn)行數(shù)據(jù)選取改造前1—10月和改造后1—10月，從制冷耗電量、風(fēng)機(jī)耗電量和蒸汽消耗量3個(gè)方面進(jìn)行比較，空調(diào)機(jī)組節(jié)能改造后節(jié)能率為28.9%(見表5)。蒸汽價(jià)格取273元/t，電價(jià)取0.95元/(kW·h)，則改造后減少運(yùn)行費(fèi)用76.2萬(wàn)元。

表5 卷包車間空調(diào)機(jī)組改造前后能源消耗量對(duì)比

5 結(jié)論

1) 在保證卷煙質(zhì)量的前提下，根據(jù)實(shí)際工藝要求調(diào)整卷包車間空調(diào)參數(shù)控制精度。同時(shí)，通過增設(shè)風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)執(zhí)行器，關(guān)閉閑置設(shè)備區(qū)域上方的風(fēng)口，優(yōu)化空調(diào)機(jī)組控制策略等措施，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)機(jī)組布置和送風(fēng)調(diào)節(jié)與設(shè)備生產(chǎn)良好匹配。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示空調(diào)機(jī)組節(jié)能率達(dá)到28.9%。

2) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分調(diào)研和考慮投產(chǎn)后的生產(chǎn)班制安排、工藝設(shè)備開啟規(guī)律及有效作業(yè)率，在此基礎(chǔ)上細(xì)分空調(diào)區(qū)域。

3) 運(yùn)行管理階段應(yīng)按卷煙技術(shù)要求設(shè)置溫濕度控制值，不應(yīng)過分追求空調(diào)精度，且當(dāng)工藝設(shè)備長(zhǎng)期閑置時(shí)，及時(shí)關(guān)閉對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫濕度傳感器。