卷包车间空调机组控制策略改造研究与应用

中国城市发展规划设计咨询有限公司 刘 敏 曾 巍 陈晓春 郝 军厦门烟草工业有限责任公司 蔡蓝燕 曾 静 徐建燎

目前烟草行业的能源消耗主要由工艺生产设备、空调系统、除尘系统、空气压缩及真空系统等产生，其中空调系统具有控制精度高、风量大、能耗高、制冷机组全年运行周期长等特点[1-3]，其能耗通常能达到总能耗的30%～50%[4]，是卷烟企业节能工作的重要环节。实际调研发现，卷烟企业空调系统运行时主要存在空调参数控制精度过高、设备装机容量过大、部分负荷调节能力差、空调机组的设置和控制与工艺设备运行不匹配等问题。

本文结合实际案例，基于卷包车间实际生产模式，将卷包车间人为划分为不同空调区域，并在现有风管布置条件下，进一步优化空调机组的运行控制方式，实现空调运行与卷包生产相适应，同时根据实际要求调整室内空调参数控制精度，从而降低卷包车间空调运行能耗。

该项目卷包车间建筑面积为11 102 m2，车间高度为15.9 m，为检修方便，在高度6.05 m处设置铝合金针孔板吸声吊顶，吊顶上方为金属格栅顶，所有的空调、工艺及动力管线全部安装在钢格栅上方。卷包车间设计温湿度为：夏季(26±2)℃、(58±5)%；
冬季(24±2)℃、(58±5)%。设计送风温差为5.5 ℃。气流组织方式为上送上回，送风口选用旋流风口，回风口为百叶风口。

卷包车间设置8台组合式空调机组(kj1～kj8)，空调机组参数见表1。工艺设备布局为矩形分布，以图1中走廊为界分为高速机区域(走廊下方FB1～FB7)、中速机区域(中间走廊上方EB1、EB2、EB4～EB10)。

表1 卷包车间空调机组参数

图1 卷包车间工艺设备布局与空调机组划分区域示意图

1) 通过现场调研、数据监测等手段收集卷包车间建筑概况、室内热扰及设备作息、室内温湿度监测数据、空调机组各阀门开度、风机运行频率和功率等信息，判断空调机组运行中存在的问题。

2) 分析空调温度波动范围、湿度波动范围对空调能耗的影响，得出温湿度参数及精度控制与空调能耗的关系。

3) 在满足工艺温湿度要求的前提下，当各空调机组服务范围内卷包机组部分开启时，关闭停运机台上方的送风口阀门，确定空调送风量的范围，作为制定空调控制策略的依据。

4) 提出卷包车间空调机组节能优化改造方案。

3.1 空调温湿度精度控制过度

根据该厂技术中心对卷包车间温湿度的要求，温度控制精度为±2 ℃，相对湿度控制精度为±5%，但由于生产操作问题，卷包车间的实际控制过程中温度波动范围为(25.57±0.6)℃，相对湿度为(58±1.65)%。相比卷包车间设计温度控制精度±2 ℃、相对湿度控制精度±5%，实际空调机组的温湿度精度控制过度，导致空调能耗升高，以及蒸汽、冷水阀的频繁动作。卷包车间室内温度、相对湿度逐时变化情况见图2、3。

图2 卷包车间室内温度逐时变化情况

图3 卷包车间室内相对湿度逐时变化情况

建立不同方案下卷包车间能耗分析测算模型，计算节能量，如表2所示。相比实际控制精度，设计温湿度控制精度下，每年可节约电能10.9万kW·h及蒸汽293 t，节能率为5.5%。

表2 不同控制精度下空调能耗

3.2 空调运行与生产不匹配

从工艺设备布置和空调机组的对应关系分析，存在以下问题：

1) 空调机组所覆盖的区域，设备布置数量及发热源存在分布不均匀的情况，但是空调机组均采用统一的设备型号及送风状态控制方式。

2) 根据车间的工艺生产班制及设备开启情况分析，不同的卷包机组开启率有较大差别，其中靠车间北侧的中速机组开启率相对较低，南侧的高速机组开启率较高。而空调机组仍保持均匀的送风控制方式，存在空调能耗浪费的情况。

3) 部分空调机组如kj1和kj8覆盖区域有部分区域空置，该区域空调仍运行，无法实现单独控制。

3.3 送风节能分析

考虑计算的可行性和准确性，各空调区域单独进行分析，即计算某个空调区域负荷时，只建立该区域内的送回风模型及其服务的卷包机组模型。由于与相邻空调区域之间的热流边界条件无法获知，因此，将单个空调区域置于2种极端环境下：第一类环境是在典型夏季工况下，将单个空调区域置于整个卷包车间进行计算，此时得到的送风量为最大可能送风量Gmax；
第二类环境是在典型夏季工况下，将单个空调区域置于周边绝热的环境进行计算，此时得到的送风量为最小可能送风量Gmin。预测出的空调送风量介于最大可能送风量Gmax和最小可能送风量Gmin之间，作为制定空调控制策略的依据。

3.3.1边界条件设置

1) 卷包设备发热量。

卷包设备散热量Qs与卷包设备安装功率N、除尘系统排风带走的热量Qp、生产冷水带走的热量Qc(高速卷包机组需要供应冷水)等有关，具体关系如下：

Qs=φ1φ2(N-Qp-Qc)

(1)

式中 φ1为卷包设备的有效作业率，反映单台设备生产水平的高低；
φ2为卷包设备的同时利用率，反映设备的同时使用情况。

设备的有效作业率指单位时间实际产出与生产设备的单位时间理论产出之比。当设备短暂停机或者低负荷运行甚至无法运转时，设备的散热量会相应地受到影响。卷包设备的综合系数取0.85[5]。

根据卷包机组生产计划，同时投入生产的机组最多为12台。目前卷包车间设有17台卷包机组，因此，卷包设备最大同时利用率为0.71。当仅考虑单台设备发热量时，同时利用率取1。

2) 卷包车间空气湿度。

卷包车间的散湿量主要为人员散湿，设备及其他散湿可忽略不计。因此，在空调送风湿度不发生变化的情况下，各区域人员按照生产规律进行工作，分别开启关闭对应区域的空调不会对其他区域的空气湿度产生较大的影响和波动。因此，本文重点分析各空调区域的温度和风速的变化情况。

3.3.2物理模型

考虑到模拟计算的可实现性，对卷包车间模型作如下简化：1) 卷包车间采取上送上回的送风方式，且吊顶封闭，因此只取卷包车间吊顶下空间为研究对象；
2) 卷包设备简化为长方体的多孔介质，孔隙率取0.5。三维计算模型如图4所示。

图4 三维计算模型

3.3.3结果分析

以空调机组kj4为例，当送风量为原设计风量的70%时，夏季工况1.8 m高度处温度范围为24.8～27.8 ℃，区域内风速在1.3 m/s以内，基本满足设计要求；
当送风量为设计风量的50%时，夏季工况1.8 m高度处温度范围为25.1～27.1 ℃，区域内风速在0.86 m/s以内，基本满足设计要求。因此，当卷包机组EB2关闭、其上方对应的送风口不送风时，预测夏季工况空调送风量为原设计送风量的20%～60%，即23 000～69 000 m3/h。计算结果见图5～8。卷包车间各空调机组风量调节范围见表3。

表3 卷包车间空调机组风量调节范围

图5 夏季工况kj4最大可能送风量模型1.8 m高度处温度场

图6 夏季工况kj4最大可能送风量模型1.8 m高度处速度场

图7 夏季工况kj4最小可能送风量模型1.8 m高度处温度场

图8 夏季工况kj4最小可能送风量模型1.8 m高度处速度场

4.1 调整空调参数控制精度

按设计要求的温湿度控制精度，重新设置温湿度传感器的控制参数，温度控制精度设为±2 ℃，相对湿度控制精度设为±5%。

4.2 部分负荷区域增设风量控制装置

在空调机组kj1～kj5、kj8服务区域(中速机EB1、EB2、EB4～EB10与高速机FB1～FB7)增加风量控制调节阀(见图9中圆点标注位置)，通过采集中速机(EB4～EB10)与高速机(FB1～FB7)的开机信号，判断风阀的动作方式，包括风阀的调节位置(全开/比例开启/关闭)。

图9 风量控制调节阀布置图

现场排查发现，kj8空调机组本身设置有风阀，但缺少电动执行装置，因此在原风阀基础上增加电动执行器(见图10中圆点标注位置)。通过采集中速机EB1与EB2的开机信号，判断风阀的动作方式，包括风阀的调节位置(全开/开启比例/关闭)。

图10 风阀电动执行器布置图

4.3 闲置设备区域关闭风口

在kj1覆盖的区域中南侧区域无生产设备，且无人员固定工作岗位，因此，关闭kj1覆盖的南侧区域内的14个送风口。

4.4 空调机组控制策略优化

根据CFD模拟分析结果，对kj1～kj5、kj8空调机组送回风机的频率、转速进行调整。当检测到某机组停机后延时30 min关闭相应区域送风阀，空调送回风机运行频率同步调整，范围为20～35 Hz；
当检测到某机组开机时，开启相应区域送风阀，空调送回风机运行频率同步调整，范围为30～48 Hz。卷包机组与空调机组对应关系见表4。

表4 卷包机组与空调机组对应关系

区域送风阀关闭后，对应区域的温湿度传感器不参与平均值计算，即空调控制系统在自动调节时将忽略对应区域的温湿度数值，反映实际生产区域的环境状况，进而更加准确地判断空调负荷。

4.5 改造效果验证

基于空调机组实际运行数据，对改造前后的经济效益进行分析。运行数据选取改造前1—10月和改造后1—10月，从制冷耗电量、风机耗电量和蒸汽消耗量3个方面进行比较，空调机组节能改造后节能率为28.9%(见表5)。蒸汽价格取273元/t，电价取0.95元/(kW·h)，则改造后减少运行费用76.2万元。

表5 卷包车间空调机组改造前后能源消耗量对比

1) 在保证卷烟质量的前提下，根据实际工艺要求调整卷包车间空调参数控制精度。同时，通过增设风量控制调节阀和电动执行器，关闭闲置设备区域上方的风口，优化空调机组控制策略等措施，实现了空调机组布置和送风调节与设备生产良好匹配。监测数据显示空调机组节能率达到28.9%。

2) 设计时应充分调研和考虑投产后的生产班制安排、工艺设备开启规律及有效作业率，在此基础上细分空调区域。

3) 运行管理阶段应按卷烟技术要求设置温湿度控制值，不应过分追求空调精度，且当工艺设备长期闲置时，及时关闭对应区域的温湿度传感器。