纸机干燥部能源效率在线监测与评价方法研究

2020-10-27陈晓彬郑启富董云渊占正奉李继庚陈学萍

中国造纸学报 2020年3期

陈晓彬郑启富董云渊占正奉李继庚陈学萍刘媛

（1.衢州学院化学与材料工程学院，浙江衢州，324000；2.山鹰国际控股股份公司博士后工作站，安徽马鞍山，243000；3.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；4.广东省绿色化学产品技术重点实验室，广东广州，510640）

据IEA（International Energy Agency，国际能源署）调查资料，造纸工业是世界第四大能耗工业，约占世界工业用能的5%［1］。在我国，造纸行业也是重点高能耗行业之一，根据国家统计局最新数据，2017年我国造纸行业能源消费总量为4304.31万t标煤，约占整个制造业总能源消耗的1.8%［2］。根据国家环保部最新统计数据，2015年我国参与统计的4180家造纸和纸制品企业，用水总量118.35亿t，其中新鲜水用量为28.98亿t，占全国工业新鲜水总用量的7.5%，废水排放量为23.67亿t，占全国工业废水总排放量的13.0%［3］。随着能源、环境的约束日益增强，造纸工业将面临越来越严格的环保制度，坚持可持续发展战略，建设资源节约型、环境友好型生态造纸工业势在必行［4］。

干燥是造纸过程中能耗最高的工序，约占纸机总能耗的60%［5-6］，是造纸行业节能减排工作的重点领域。纸机干燥部是一个涉及多物料、多过程相互耦合的复杂系统［7-9］，想要高效管理必需对其运行状态实行全面监控。然而，当下造纸企业的信息系统只实现了干燥部部分监测功能，集中体现在保障生产稳定运行和监管成品纸张质量两方面，如集散控制系统（Distributed Control System，DCS）能监测干燥部蒸汽状态、气罩通排风状态等信息，质量控制系统（Quality Control System，QCS）能监测纸张离开干燥部时的定量和水分信息。除极个别拥有能源管理系统（Energy Management System，EMS）的企业外，绝大部分造纸企业现有的信息系统都未涉及干燥部能源效率的监测管理，因此造纸行业内干燥部的能效管理水平普遍偏低，有较大的节能潜力，干燥部已然成为造纸节能研究的热点。

众多学者研究了干燥部能源效率监测与评价问题，但基本都集中在能源效率测试诊断与分析方面。Smook［10-11］提出一种干燥部运行性能测试评价方法，通过专家到现场调研测量纸张温度、烘缸表面温度、袋区空气温湿度、烘缸冷凝水负荷、气罩空气流速等过程工艺参数，分析评价干燥部能源效率。Eskelinen等［12-18］也研究过通过现场调研和测试诊断提升造纸过程能效的方法。TAPPI［19］总结众多学者的研究成果，制定了干燥部能源效率测试诊断与分析的标准流程。Romppainen等［20-28］在企业实践能源效率测试诊断方法，助力企业挖掘节能潜力，并收获了较好的效果。

能源效率测试诊断通过测量过程关键工艺参数，结合专家经验诊断能效问题并制定相应节能措施，确实可提高企业能源效率，但该做法可持续性较差。关键工艺参数测量和专家参与诊断是临时性的，而生产是连续的，且专家测试诊断具有一定的时效性，不能满足持续监管干燥部能源效率的需求。为解决该问题，本研究探索干燥部能源效率在线监测与评价方法，为持续监管干燥部能源效率提供可行的技术方案。

1 能源效率指标

能源效率一般是指能源投入量和能源服务产出量之间的关系。能源效率指标可分为两大类：单要素能源效率（Partial-Factor Energy Efficiency，PFEE）和全要素能源效率（Total-Factor Energy Efficiency，TFEE）。单要素能源效率指标通常表示为一个经济体的有效产出和能源投入的比值，不考虑其他生产要素。常用的单要素能源效率指标有能源强度和能源生产效率，能源强度表示能源投入量与能源服务产出量之比，能源生产效率表示能源服务产出量与能源投入量之比，二者互为倒数，所表示的能源效率实质一样。全要素能源效率考虑了各种投入要素的相互作用，表示目标能源投入和实际能源投入的比值，比单要素能源效率指标更为全面，是近年来研究的热点。

能源效率指标只是笼统定义了能源投入量和能源服务产出量2个概念，对于二者的核算单位没有过多说明，以至于不同领域、不同学者在计算能源效率时，会采用不同的核算单位。Patterson［29］对这个问题进行过总结，将能源效率指标分为热力学指标、物理-热力学指标、经济-热力学指标以及经济学指标四大类。热力学指标是指以热量度量能源投入量和能源服务产出量；物理-热力学指标是指能源投入量和能源服务产出量中一个使用热量度量，一个使用物理单位度量，如产品产量等；经济-热力学指标指能源投入量和能源服务产出量中一个使用热量度量，一个使用货币价格度量；经济学指标指能源投入量和能源服务产出量都使用货币价格度量。

2 纸机干燥部能耗分析

纸机干燥部由一个主要过程（即纸张干燥过程）、两个辅助系统（蒸汽冷凝水子系统和通风与余热回收子系统）构成，如图1所示。

图1 纸机干燥部工艺简图

蒸汽冷凝水子系统是干燥部热能供给系统，由烘缸、汽水分离器、蒸汽管道和连接阀门等部件构成。蒸汽在烘缸内表面冷凝释放热能，热量传导透过烘缸壁被贴在烘缸表面的纸张吸收，用于蒸发水分。通风与余热回收子系统由气罩、送风机、排风机、余热回收装置、空气加热装置等构成，主要作用则是将纸张蒸发出的水分带出气罩，通过连续的送风和排风将气罩内空气湿度维持在合理的水平，给纸张水分蒸发提供足够动力。排出的湿热空气温度一般仍然较高，可以用来预热新鲜空气，回收部分余热，经过余热回收后的空气往往还达不到送风的温度工艺要求，所以还需空气加热装置，将空气加热到满足工艺要求。

纸张干燥过程是能源密集型的复杂过程，主要使用两种能源：热能和电能。电能大部分用于干燥部烘缸的传动，还有少部分用于通风与余热回收子系统的风机，其中干燥部烘缸传动消耗的电能是必要的，节能空间较小。热能的使用分2部分，大部分被用于蒸汽冷凝水子系统，给纸张水分蒸发提供热源，少部分被用于通风与余热回收子系统，将经过余热回收后的空气加热到送风温度。热能的高效利用是干燥部能源效率的关键，节能潜力最大。

通过以上能耗分析，干燥部能源效率在线监测可以从以下3方面考虑：

（1）干燥部的热能消耗；

（2）干燥部通风与余热回收子系统的电能消耗；

（3）干燥部通风与余热回收子系统热回收效率情况。

具体的在线监测指标包括：干燥部蒸汽单耗、干燥部热效率、通风与余热回收子系统电单耗、通风与余热回收子系统热回收效率。

3 干燥部能源效率在线监测指标及其计算模型

3.1干燥部蒸汽单耗

干燥部蒸汽单耗的测度从生产产品和蒸发水分两个维度考虑，包括2个指标，即单位产品汽耗（SSCp，kg/kg）和蒸发单位水分汽耗（SSCw，kg/kg）。

单位产品汽耗SSCp的在线监测，需采集蒸汽冷凝水子系统消耗的蒸汽量（ṁs，SCS，kg/s）和通风与余热回收子系统中空气加热装置中消耗的蒸汽量（ṁs，AH，kg/s）及纸机车速（V，m/s）和成纸定量（BWo，kg/m2）数据。通过式（1）可实时计算干燥部单位产品汽耗：

式中，ṁp表示产品实时产量，kg/s，Ly表示纸机卷取幅宽，m。

蒸发单位水分汽耗SSCw的在线监测可在完成监测单位产品汽耗SSCp的基础上通过式（2）实时计算：

式中，EL表示蒸发负荷，即生产单位质量产品需要在干燥部蒸发水分的质量，kg/kg；Do表示纸张离开干燥部时的干度，可从纸机QCS系统中在线采集；Di表示纸张进干燥部时的干度，现阶段大多数纸机没有安装在线测量Di的传感器，其可通过加装在线测量传感器获取，或采用经验数据或离线测量数据近似代替Di。

3.2干燥部热效率

干燥部热效率（HEE，%）是根据过程工艺状态估算得到的，表示干燥部用于蒸发水分消耗的热能与干燥部消耗的总热能之比，属于全要素能源效率指标。以蒸发单位质量水分（1 kg）为计算单元，干燥过程用于蒸发水分消耗的热量包含3个部分：①把水分加热到蒸发温度（Tev，可近似为纸张干燥过程中的平均温度，℃）所消耗的热量（Q1）；②用于蒸发过程的蒸发热消耗（Q2）；③将蒸发出来的水蒸气加热或者冷却到气罩排风温度（Ta，exh）所消耗的热量（Q3）。

式中，Cp，w表示水的比热，常压下可近似为常数，Cp，w=4.2×103J/(kg∙℃)；Cp，v表示水蒸气的比热，常压下可近似为常数，Cp，v=1.88×103J/(kg∙℃)；Tp，i表示进干燥部纸张温度，℃；ΔHev表示水分的蒸发热，J/kg，可近似为水分在蒸发温度Tev下的汽化潜热（ΔHlat）。值得注意的是在干燥后期，特别是纸张干度超过80%，纸张干燥水分不能自由扩散到表面，此时纸张内部水分蒸发需要消耗更多的热量，称为吸附热，此估算方法忽略了吸附热的影响。常压下，水分的汽化潜热ΔHlat仅跟温度有关，可通过物性数据拟合式（4）估算：

干燥部热效率HEE的在线监测，还需采集蒸汽冷凝水子系统消耗蒸汽流量（ṁs，SCS，kg/s）和压力（Ps，SCS，Pa）、通风与余热回收子系统中加热送风消耗的蒸汽流量（ṁs，AH，kg/s）和压力（Ps，AH，Pa）、结合实时计算出来的产品实时产量（ṁp，kg/s）和蒸发负荷（EL，kg/kg）数据。可通过式（5）实时计算干燥部热效率HEE，实现对干燥部热效率HEE的在线监测：

式中，Hs，SCS和Hs，AH分别表示蒸汽冷凝水子系统消耗蒸汽的焓和通风与余热回收子系统消耗蒸汽的焓，J/kg；可通过水蒸气物性数据拟合的式（6）估算；Ps表示蒸汽压力，Pa。

3.3通风与余热回收子系统电单耗

通风与余热回收子系统电单耗（SP Cp，VHRS，(kWh)/kg）主要是指通风与余热回收子系统中，生产单位产品（1 kg）时，各个送风机和排风机消耗的电能总和。通风与余热回收子系统电单耗的在线监测，需要采集各个通风与余热回收装置中送风机的实际功率（esup，j，kW），和排风机的实际功率（eexh，j，kW），结合计算出来的实时产量ṁp数据，可实时计算干燥部通风与余热回收子系统的电单耗SPCp，VHRS，实现对干燥部通风与余热回收子系统电单耗SPCp，VHRS的在线监测：

式中，j表示通风与余热回收装置编号；M表示通风与余热回收装置套数。

3.4通风与余热回收子系统热回收效率

通风与余热回收子系统热回收效率的测度包括2个指标，即单套热回收装置的热回收效率（HR Ej，%）和通风与余热回收子系统总热回收效率（HRE，%）。HREj和HRE的在线监测，需采集通风与余热回收子系统中空气经过热回收后的温度（Ta，Pha，℃）、送风风量（ṁa，sup，j，kg/s）、送风口环境温度（Ta，atm，℃）和湿度（AHa，atm，kg/kg）、排风风量（ṁa，exh，j，kg/s）、排风温度（Ta，exh，j，℃）和湿度（AHa，exh，j，kg/kg）。可通过式（8）实时计算通风与余热回收子系统总热回收效率HRE和单套热回收装置的热回收效率HREj：

式中，HREj表示第j套通风与余热回收装置的热回收效率，%；Ha，atm、Ha，Pha，j和Ha，exh，j分别表示第j套通风与余热回收装置前送风湿空气的焓、通风与余热回收装置后送风湿空气的焓和气罩排风湿空气的焓，J/kg；湿空气的焓（Ha，J/kg）可由湿空气的温度（Ta，℃）和湿度（AHa，kg/kg）估算，见式（9）。

4 干燥部能效评价方法

目前，造纸行业常用能效对标方法进行干燥部能效评价，通过比对国内外同行业先进企业能效指标，找出节能潜力，再通过管理和技术措施，达到标杆或更高能效水平。本研究在能效对标方法的基础上，增加能效等级评价，探索一种干燥部能源效率在线评价方法，从能效对标和能效等级2个维度评价干燥部能效水平。干燥部能效在线评价方法的工作流程如图2所示，包括以下6个主要步骤。

图2 干燥部能效在线评价方法工作流程示意图

（1）数据采集：在线采集干燥部生产过程主要操作参数、能耗数据等基础数据，以便在线分析干燥部能源利用状况。

（2）计算能效指标：利用采集的基础数据，计算干燥部能效指标，充分掌握干燥部各类能效指标客观、详实的基本情况。

（3）选定标杆数据：以国内外先进水平为导向，综合考虑企业自身实际，选定标杆数据，如可在已记录的历史生产数据中，选择最佳实践数据作为标杆数据，也可以参照国内外先进水平制定标杆数据。标杆数据应当包括能效指标数据和主要操作参数数据，而先进水平的操作参数数据获取比较困难，所以通常情况下企业会选择从自身生产历史数据中挖掘最佳实践数据作为其能效对标的标杆数据。

（4）能效对标：比对能效指标数据和主要操作参数数据。若当前能效状况优于标杆数据，则用当前数据迭代标杆数据；若当前能效状况比标杆数据差，则估算节能潜力，并比对操作参数制定可执行的优化调整方案。

（5）能效等级评价：以干燥部产量和汽耗为考核指标，使用泰勒展开法［30］（Taylor Series Expansion，TSE）绘制能效坐标图的形式，通过计算当前运行数据与标杆数据之间的偏差，在能效坐标图中确定其位置，可定性描述干燥部能效所处的能效水平（优、良、中、差）。具体实施步骤如下。

①用变量A和B分别表示干燥部产品产量和蒸汽消耗量当前数据和标杆数据的偏差：