导热油型太阳能烟叶醇化实验库设计

2015-09-13明文虎张鹤松阮正学李晓丹

制造业自动化 2015年19期

明文虎，张鹤松，阮正学，李晓丹

（1. 红云红河烟草（集团）有限责任公司，昆明 650231；2.云南昆船电子设备有限公司，昆明 650236）

0 引言

成熟采收的烟叶，调制后其品质虽得到一定改善，但仍存在青杂气较重、吸味粗糙、刺激性较大等缺陷。因此，需要经过储藏醇化来进一步改善烟叶品质和工业可用性[1]，目前，烟叶发酵过程一般分为自然醇化和人工发酵两种，尽管人工发酵可以大大缩短发酵时间,然而自然醇化则能更有效地提升烟叶品质，效果较人工发酵更好，但同时也存在醇化周期长、成本高的问题[2]。国内烟草企业和相关研究所对烟叶醇化进行一系列的研究，重点是如何能让烟叶醇化时间缩短且品质不受太大负面影响[3]，尤其是利用人工辅助设备控制烟叶醇化环境的研究居多，大多以人工模拟自然醇化[4]。自然醇化方式下烟叶残酷的温度应该控制在20℃～30℃，高温高湿季节温度要控制在35℃以下。烟叶仓库的相对湿度应该控制在55%～65%[5]。21世纪能源危机的当今，太阳能热利用是保证可持续发展的一条重要途径，其按温度范围可以分为低温应用系统（＜80℃）、中温工业应用系统（80℃～250℃）和高温热发电系统（＞250℃）。我国太阳能低温利用行业生产规模巨大，而中高温热利用方面还处在起步阶段，相对缺少大系统的设计、建设和运行经验[6]，结合导热油特性，设计最高工作温度在300℃～320℃[7]之间的导热油型烟叶醇化实验库,使用清洁环保的能源达到又好又快的进行烟叶醇化。

1 系统结构及技术实现

1.1 系统结构

太阳能醇化库分为太阳能集热系统、空气源热泵辅助加热系统、风柜风机盘管供热系统、控制系统、控湿系统、新风系统和太阳能追踪系统。各个部分相对独立，可单独运行，又相互关联，由控制系统集中控制。各循环采用钢管连接，由耐高温齿轮泵驱动。太阳能集热系统完成太阳能的光热转换，采用真空管收集热能，并存储于储热油箱中。供热系统连接储热油箱和末端供热设备风柜、风机盘管和散热器，当库房需要加热时，高温导热油经过末端换热，将热量输送至库房，同时形成库房内空气循环，防止局部受热。控湿系统由控制系统控制智能加湿机，对库房的湿度进行调控。新风系统主要为库房内补充新风，提供烟叶醇化所必须的氧气。

醇化库对现有自然醇化库房进行改造，设计先对库房采暖热负荷进行计算，根据围护结构的基本耗热量进行计算[8～10]，然后根据系统热负荷确定储热油箱和集热器的数量[11]。实验库房选取18m2，层高3.6m的库房，设计使用10组中低温槽式太阳能集热器和2.4m3的储热油箱。系统采暖原理如图1所示。

图1 系统采暖原理图

集热循环由高温齿轮泵驱动。带自动追踪功能。集热器通过光热转换，将导热油加热。在集热器组出口处设有温度传感器，当导热油温度达到所需加热温度后，太阳能齿轮泵启动，将高温油泵入储热油罐的上部，同时将油罐底部温度较低的导热油吸入集热器，实现对油罐内的导热油进行循环加热，积蓄热量。为充分发挥太阳能供热功效，系统配置的储热系统应具有一定热量存储能力，储热油箱选用不锈钢自制，内填充聚氨酯保温隔热层。储热油箱采用双层不锈钢箱体，保温层采用岩棉制作，厚度大于100mm。储热油箱可同时替代膨胀箱的功能。

供热系统主要控制系统末端换热设备，当库房需要加热时，齿轮泵将油罐上端的热油分别泵入风柜、风机盘管和散热器中，由风机将加热的空气鼓入库房，加热库内空气，库内空气从库房两侧的回风口回到风道中再次加热，由此使库房内空气进行强制循环，实现余热利用。风柜使热空气具有一定风速，能够到达库房底部，热空气逐步向上移动的过程中逐步散发热量，使整个库房内温度均衡。在风柜上设有新风风门，可以通过控制新风风门的开度控制库内含氧量及对库内进行降温。

配置计算机智能化全自动控制系统，使整个系统达到最佳节能运行效果。控制系统采用工控机控制，软件使用易控（INSPEC）2009组态I/O模块，为整个系统提供友好的人机交互界面，主要实现状态监控、参数设置、数据存储和分析、历史数据查询、报表打印和系统操作权限管理等功能。监控画面实时动态显示系统的运行状态，反应完整系统原理，画面美观大方[12]。控制系统架构如图2所示。电控系统设计采用集中管理，分散控制的方式。对整个系统的数据统一实时监控，对成熟稳定的部件进行分散控制，数据采集选用通用可靠I/O模块和通用的Modbus协议传输，方便灵活的模块化、参数化方法进行设计。控制系统主要由动力配电和控制程序组成，二者通过I/O模块相互关联，模块与主控器件工业计算机之间采用稳定可靠的RS485通讯，进行实时数据交互。人机界面使用组态软件编制，管路上温度传感器采用稳定、宽限的PT100温度温度传感器，库内温度传感器采用带数显的无线温度传感器。

图2 控制系统架构图

控制系统采用工控计算机和软件组态，考虑到杀虫剂对器件的腐蚀，传感器端使用无线网由数据采集器和串口通讯，形成以无线数据采集模块为中心的无线Zigbee网络[13]，并通过Modbus串行接口，数据统一由组态软件组态和监控，不能使用无线的传感器或无线网络不能覆盖的区域的数据，采用支持标准Modbus协议的模拟量模块组态。整个系统基于组态软件开发，适应醇化库系统功能。主控系统网络拓扑图如3所示。

图3 控制系统网络拓扑图

1.2 技术实现

主控系统完成整个系统内所有设备的监控，控制范围包括太阳能循环泵、追踪系统、储热油箱温度监视、热泵辅助加热系统、供热循环泵、风柜、风机盘管、热量调节阀、新风风门、加湿器、库内温湿度及含氧量监视等。其主要控制库内环境，其余各项控制均为库内环境控制服务，库内环境控制分为温度控制、湿度控制、含氧量控制。库内人工环境的控制流程如图4所示。

图4 主控系统控制流程图

太阳能集热系统的合理控制，直接影响着集热系统的集热效率，系统在集热器组出口处设有温度传感器，当阳关被反光板聚焦于集热真空管上，完成光热转换，集热器内的导热油被持续加热，温度升高，按照设计经验，当导热油温度升高到100℃左右时，循环泵启动，将以加热的导热油泵入到储热油箱上部，同时将储热油箱底部的低温导热油吸入到集热器内完成下一次加热。循环泵启动温度100℃为经验值，也可在系统设置页面进行设置。热泵式系统的辅助热源，在太阳能不足时提供系统用热，热泵的耗电功率较大，合理的使用热泵可增加系统的经济性，只有储热油箱的温度特别低时，才启用热泵机组。热泵机组的启动温度值，也可根据系统经济性设置。

系统控制程序是系统各执行器件动作的指挥官，也是人为控制思想在计算机上的体现。导热油型太阳能烟叶醇化实验库采用易控软件架构，编程语言采用的是C#，开发环境集成了硬件编程控件，程序编辑器内关联了系统变量列表，可直接调用已经组态的硬件地址和系统变量，方便开发人员使用[14]。整个系统进行模块化编程，程序段可设定程序段相应的执行频率，系统程序按设备进行模块划分，程序块内按照设备需要的逻辑进行编程，以达到设备本身设计所需求的效果和目的，以太阳能循环泵的启停为例，根据太阳能循环泵的动作逻辑，C#语言程序实现代码如下。

//太阳能循环泵////////////////////////////////////////

float 温差;

温差=工程值.太阳能板温度-工程值.灌底温度;

if (工程值.太阳能板温度＞设定值.太能能板温度设定值&&温差＞设定值.太阳能循环泵温差启动设定值)

{数字量输出.太阳能循环泵启停=true;}

else

{数字量输出.太阳能循环泵启停=false;}

if(工程值.室内含氧量＜设定值.室内氧含量设定值)

{

数字量输出.新风阀关=false;

数字量输出.新风阀开=true;

}

控制程序对所有系统内设备的控制模块进行统一调用，并自动循环执行，组成控制系统，完成整个系统的集中调用和控制。另外，组态软件还提供人机交互界面，系统数据存储等功能。

2 试验验证及应用效果

导热油型太阳能烟叶醇化实验库经过样机试制和测试，太阳能集热端正常工作温度在100℃～180℃，最高温度可达到300℃，可为烟叶醇化提供足够多的高温热源，实验库内温度控制范围在20℃～40℃，最高温度能升高至45℃，湿度控制范围5%～90%，能满足烟叶醇化所需的各种条件，是烟叶醇化能更好更快的完成。

3 结束语

目前，我国工业能源消耗日益增加，卷烟生产能耗也颇为显著。卷烟企业承担着节能减排的重要责任，对其能源利用现状进行科学分析是促进节能工作的基础，是实现增强可持续发展能力，建设资源节约型、环境友好型企业具体要求的有效途径[15]。导热油型太阳能烟叶醇化库的设计本着高效、节能的出发点，既可以提高卷烟企业的经济效益，又可以为国家可持续发展做贡献。

导热油型太阳能烟叶醇化实验库系统是一项太阳能热源使用的典范，可以扩展应用到有热源需求的各个领域和场所，例如工业采暖、医疗、烘烤等行业，也可在设备现有技术的基础上，增加吸收型冷水机组，将太阳能用于制冷，开发应用成为太阳能空调等。总之，导热油型太阳能以其高温太阳能的优势，有着广阔的开发应用前景。

[1] 于建军.卷烟工艺学[M].北京：中国农业出版社,2003.

[2] 颜克亮,武怡,曾晓鹰,等.基于提质减害的烟叶醇化技术研究进展[J].湖北农业科学,2011(3)：450-453.

[3] 程昌新,王超,杨应明.储藏醇化措施对烤烟烟包内温湿度及烟叶品质的影响[J].烟草科技,2015(2)：17-20.

[4] 张敏.人工模拟自然醇化的库房设施建设与应用[J].背景农业2012(6)：99-102.

[5] 刘强,朱列书.不同温湿度对片烟自然醇化过程中主要化学成分的影响[J].湖南农业科学,2012(15)：99-102.

[6] 李石栋,原郭丰,付向东.导热油在太阳能中高温热利用中的研究现状[J].材料导报,2013(9)：10-13.

[7] 中华人民共和国国家标准.GB 23971—2009有机热载体[S].2009.

[8] 陈宏振,汤延庆.供热工程[M].武汉理工大学出版社,2008.

[9] 陈耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.中国建筑工业出版社,2008.

[10]邬田华,王晓墨.工程传热学[M].华中科技大学出版社,2011.

[11]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].化学工业出版社,2007.