卷烟厂制冷系统温度测试

本文作者：张小芬 吴 伟 张 颖 李先庭 沈恒根 单位：东华大学环境科学与工程学院 清华大学建筑技术科学系 贵州中烟工业有限责任公司重大技改项目工程指挥部

空调系统能耗占卷烟厂能耗的30%～50%［1］，是卷烟企业开展节能的重点环节。卷烟厂的卷接包和制丝车间，设备发热量大，导致全年供冷时间长，部分地区甚至全年需要供冷。目前使用的空调系统，需要供冷时即开启冷机，导致冷机全年开启时间过长，能耗较高。由于冷机的供水温度恒定在7℃，在实际运行中出现表冷器冷冻水阀门频繁调节、部分时间开度过小、过度除湿［2］以及冷机效率低等问题。提高冷冻水供水温度的运行策略在民用建筑空调领域中已有应用［3］，但在烟草行业还研究尚少。为此，以贵阳卷烟厂空调系统为例，对其联合工房夏季工况进行了实际运行测试。通过逐步提高冷水机组冷冻水的设定温度，并记录水系统和风系统的相关参数，验证提高冷冻水供水温度的可行性，并分析其节能效果，以期为卷烟厂空调系统运行提供参考。

1末端冷冻水温度分析

根据室内除湿负荷及车间温湿度要求，选取卷接包和制丝车间为实验对象。根据YC/T9—2006《卷烟厂设计规范》［4］，制丝车间温度和相对湿度要求为17~35℃和50%~77%，卷接包车间为［（22～27）±2］℃和（60±5）%。结合卷烟生产工艺特点及对多个卷烟厂的调研结果发现，卷烟厂生产车间面积大，人员密度小，车间设备发热量大，室内负荷以显热为主。其中卷接包车间除湿负荷主要来源于工作人员，热湿比接近+∞［5］；制丝车间由于存在喷蒸气的环节，车间存在一定的除湿负荷，随着卷烟工艺的不断改进，进入车间的蒸气量越来越少，绝大部分被工艺排风系统带走，因此车间热湿比达到104甚至更高。以贵阳卷烟厂为例，分别对热湿比为+∞及104两种工况进行分析。该厂卷接包车间设定温度为（23±2）℃，湿度为（60±5）%，制丝车间满足人员舒适性要求即可。因此，以卷接包车间为研究对象，在提高供水温度后，如卷接包车间温湿度参数能够得到保证，则其他车间温湿度也能满足要求。室内温湿度设定为23℃和60%，当热湿比为+∞时，对应机器露点温度约为16.5℃；当热湿比为104时，对应机器露点温度约为15℃。如图1所示，其露点温度远高于现行7℃的供水温度，根据表冷器的换热原理及室外气象参数，可考虑提高冷冻水的供水温度。在过渡季节或冬季，各车间的冷负荷逐渐减小，且无除湿负荷时，可对空气进行干冷却，再进行等温加湿处理。因此在过渡季节或冬季需供冷时，冷冻水供水温度可进一步提高，甚至可以关闭冷机采用冷却塔供冷［6-7］，从而减少冷机的开启时间，降低空调系统能耗。

2实验方案

贵阳卷烟厂动力中心制冷站共有3台离心式冷水机组，单台制冷量为4571kW，冷机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔均为一对一关系。末端共有42台空调箱，57台风机（送风机42台，回风机15台），额定总送风量397万m3/h，总装机功率3610kW。实验中选取卷接包车间的一台空调箱，在车间稳定生产的情况下，对其夏季工况进行了测试。所测试空调箱的额定参数为：风量12万m3/h，冷量510kW，热量220kW，加湿量530kg/h，送风机全压1600Pa，回风机全压450Pa，表冷器采用4排铜管穿亲水铝片，型号为LTTL-4-3500×1064。测试时间为2011年7月，调节参数和测量参数分别为：（1）调节参数。冷冻水供水温度：依次将冷水机组冷冻水温度设定为9，10，11，12℃。由于每次调节冷冻水温度后，水系统需要一定时间才能稳定，故实验中每次调节时间间隔不小于1h。表冷器阀门开度：在相应的冷冻水温度下，为保证末端的温湿度处理需求，依次调节表冷阀开度为80%，60%和40%。（2）测量及记录参数。空调箱主要功能段空气的温度及相对湿度、表冷阀开度、加热阀开度；表冷器冷冻水供回水温度及流量；冷水机组冷冻水供回水温度及流量、冷却水供回水温度及流量；车间内空气温度和相对湿度。通过测定不同冷冻水供水温度下的送风温湿度参数、车间内温湿度参数，从而验证提高供水温度是否可行。根据实验数据，对空调箱内空气热湿处理过程以及冷水机组的性能进行分析，从而得出提高冷冻水供水温度后空调系统的节能效果。

3实验结果

3.1空调箱测试结果当冷机设定温度从9℃依次提高到12℃时，系统稳定后所测空调箱内的相关参数及室内平均温湿度见表1。可见，在提高供水温度时，表冷器阀门开度为40%仍可满足末端需求，因此以下均取表冷阀开度为40%的工况进行分析。不同冷冻水供水温度下实测送风和室内参数见表2。可以看出，即使冷冻水供水温度提高到12℃，室内温湿度参数也在要求范围内。随着供水温度的提高，送风温度变化不大，送风和表冷后空气的温差减小，加热阀的开度也不断减小，可见降低了再热量。由于受实际条件的限制，没有进一步提高冷冻水供水温度。

3.2冷水机组测试结果水系统的测试结果见表3。从表冷器侧分析，提高冷冻水供水温度后，在表冷器流量不变的情况下，表冷器进出口冷水温差随进口温度的提高而降低，如进口温度9℃时，表冷器进出口冷水温差为4.8℃；进口温度11.9℃时，进出口冷水温差降低到4.2℃，可见表冷器供给空气的冷量在下降。表冷器侧的冷量下降，最终导致制冷站总供冷量下降，如冷冻水供水温度7℃时，制冷站总供冷量为4491kW，提高到9℃时，总供冷量降低了4%，提高到11℃时降低了20%。因此，冷冻水温度提高时，在满足空气侧需求的前提下，表冷器侧供给空气的冷量下降，从而减少了对制冷站冷量的需求。从制冷站看，冷冻水供水温度提高时，供回水温差降低，如供水温度9℃时，冷站供回水温差为4.9℃，而供水温度12℃时，供回水温差为3.4℃。由于供回水温差减小，即使在制冷量下降情况下，冷冻水流量随供水温度的提高仍有少量增加。不同供水温度下冷却水侧工况较为接近，因此在分析中可认为冷却水侧工况一致，不必考虑其变化对冷机的影响。根据不同冷冻水温度的测试结果及冷机实际运行在7℃时的监测数据，得到冷水机组各工况点的制冷量、耗电量、负荷率以及COP能效比，从而得到不同冷冻水温度下冷机COP与负荷率的关系，见图3。当负荷率一定时，随着冷冻水温度的提高，冷机COP升高，如负荷率为60%时，冷冻水供水温度从7℃到9℃，冷机COP由6提高到6.6，到11℃时冷机COP达到7.1。由冷冻水供水温度7℃的实际运行结果可知，当冷冻水温度一定时，冷机负荷率在70%～100%之间性能最好；当负荷率低于50%时，冷机COP会急剧下降，因此在实际运行中应尽量避免冷机负荷率低于50%。

4节能分析

4.1提高冷冻水供水温度的节能效果不同供水温度下各冷机的性能参数及制冷站能耗见表4。由表4可见，制冷站总功耗除供水温度11℃时较低外，其他温度下并无明显变化。结合3.1和3.2节的分析，随着冷冻水供水温度的提高，制冷站总制冷量下降，且冷机在负荷率低于50%时COP急剧下降。对不同供水温度下的冷机负荷率分析发现，供水温度7℃时，两台冷机的负荷率分别为57%和41%，随着供水温度的提高，冷机负荷率不断下降，如提高到9℃和9℃以上时，冷机的负荷率均低于50%，从而导致冷机COP下降。因此，即使制冷站总供冷量下降，最终制冷站总功耗无明显下降趋势。以空调箱为对象进行能耗计算，包括表冷段、加热段和风机3部分能耗。其中，表冷段能耗采用表冷前后空气焓差与制冷站COP计算，加热段能耗采用加热蒸气折算成电耗计算，测试过程中风机频率不变，能耗不变。不同冷冻水供水温度下空调箱的各段能耗及节能到最高。冷机优化运行后，制冷站能耗较优化前在供水温度12℃时可降低24.7%，而与冷冻水供水温度恒定在7℃相比，制冷站可节能27.7%，有效降低了制冷站的能耗。从空调箱侧进行分析，冷机优化运行前后，不同温度下空调箱的总能耗及节能率对比见表7。可以看出，随着冷机优化运行后制冷站总COP的提高，节能效果显著，如供水温度12℃时，节能率由优化前的28.2%提高到36.1%。因此，提高冷机的冷冻水供水温度运行时，应与冷机部分负荷下的性能相结合，并对冷机运行进行优化。贵阳卷烟厂在冷机负荷率低于50%时，冷机COP急剧下降，节能效果不明显，而在负荷率为70%~100%时，冷机COP处于高效率下运行，提高供水温度后，使得冷机负荷率仍运行在该范围内，可达到最佳节能效果。

5小结

（1）将贵阳卷烟厂的冷机供水温度由7℃逐步提高到12℃的实验结果证明，冷机供水温度提高到12℃时末端仍能满足要求。（2）在相同负荷率下，冷机COP随着供水温度的提高而上升。供水温度的提高，使得系统制冷量下降，冷机负荷率降低，COP下降，制冷站节能效果不明显。（3）从空调箱侧分析，由于表冷器冷量下降明显，再热量明显降低，因此供水温度由7℃提高到12℃，可节能28%。（4）结合冷机部分负荷下的特性，即冷机COP在负荷率为70%～100%时效率最高，低于50%时急剧下降，在供水温度提高到9℃及9℃以上时，冷机COP均低于50%，可将运行2台冷机改为1台，使冷机运行在高效率区。冷机优化运行后，供水温度12℃时，优化后较优化前制冷站可节能24%，与供水温度7℃时相比，可节能28%。从空调箱侧分析，供水温度12℃时节能效果最显著，达到36%，有效降低了空调系统能耗。