卷烟厂工艺空调热媒水替代蒸汽的节能研究

高宪君，王守强

（河南中烟工业公司黄金叶生产制造中心，河南郑州 450016）

0 引言

在卷烟厂工艺空调运行中，需要消耗蒸汽、电能和水，其中蒸汽消耗对工艺空调综合能耗影响最大，某卷烟厂2019 年蒸汽消耗量占到工艺空调能耗的71.58%，降低蒸汽消耗量就能取得显著的节能效果[1]。卷包、制丝车间等有大功率发热源（烙铁、电机等）的区域，全年空调机组几乎不需要利用蒸汽进行加热[2]。储物间、原辅材料平衡区，由于没有大功率发热源，为维持恒温恒湿的环境温湿度需求，全年空调机组都需要采用蒸汽进行加热，而这些空调机组占到全厂空调机组的近1/2。

通往制丝车间的锅炉蒸汽对烟叶加工，做功后的冷凝水（汽水混合）经过闪蒸罐降压，闪蒸汽压力0.2 MPa、温度120 ℃，凝结水温度110 ℃，之前该热能用于锅炉除氧器对锅炉进水进行加热[3]。但是在全年春、秋、夏季（除了12 月份—次年2 月份）期间，闪蒸汽和高温冷凝水的热能不能被除氧器全部利用，多余的热量需要对空排放，特别是在夏季，形成大量的能源浪费。

夏季需要热源加热的机理主要为：中原地区7—8 月份进入高温、高湿天气时段，为维持车间的恒温、恒湿的环境，需要利用7～12 ℃的冷媒水对空调器的混风（车间回风加适量新风）降温，降至车间设定温湿度所对应的露点温度（约18 ℃）以析出冷凝水强行除湿，此时混风温度已降至18 ℃。制丝车间和卷包车间有大功率发热体释放热能，仅需用少量蒸汽或勿需蒸汽再加热即可满足保供，但是贮丝房、储叶房及卷烟材料区等无大功率发热源的区域，需要用蒸汽对表冷后的空气再加热至28～32 ℃。

为达到完全使用余热的目的，设想利用闪蒸汽和冷凝水的热能制取热媒水，作为工艺空调器加热源取代传统蒸汽热源，如果还有剩余则可为锅炉除氧器加热。

1 可行性分析

该方案为，利用闪蒸汽和高温冷凝水制取60 ℃的热媒水，用于中央工艺空调的加热源，替代原来135 ℃的热蒸汽。为了论证方案是否可行，下面将从实际运行的加热阀门开启量数据来进行分析。

（1）工艺空调以蒸汽作为热源，利用的是其潜热值，查阅相关资料可知，0.3 MPa 蒸汽的潜热值为2 163.63 kJ/kg。

（2）如果以60 ℃的热媒水作为热源，则利用的是其显热。由于热媒水的显热远小于蒸汽潜热，为达到额定加热量，则需用更多的热媒水。以K26 空调机组为例，其额定加热量是278 kW，蒸汽管道直径DN100，冷凝水回水管道直径DN50，因此需要计算DN50 管径下的热媒水能否达到流量要求。

根据流速与管径及流量关系，查相关数据表可知，DN50 管径推荐流速取值为1.5 m/s，保守取值1.2 m/s，可以计算得出正常流量：

式中 m——流体质量，kg/h

ρ——密度，kg/m3

V——体积，m3

s——流速，m/s

热媒水进出温差取8 ℃，则热媒水每小时释放出的热量为：

式中 Q——热能，J/h

C——水的比热容，J/（kg·℃）

Δt——温升，℃

则Q 为4.18×103×8.48×1000×8=283.57×106J/h=78.77 kW。

统计2019 年和2018 年能源管理系统记录，K26空调器蒸汽加热阀平均开度情况见表1。

表1 2019 年和2018 年K26 空调器蒸汽加热阀平均开度情况统计 %

从表1 可以看出，加热阀平均开度超过28.3%的有2 个月，超过20%的有4 个月，集中在12 月份至次年3 月份。在K26 空调器数据的基础上，验证了其他多台机器，结果与此类似。为实现安全保供的安全裕量，当加热阀开度大于20%或接近20%的，就认为是不适合热媒水做热源的月份。经分析认为，每年的5—10 月份适合热媒水替代蒸汽。

2 热能供给与需求测算

2.1 闪蒸汽所含热能估算

2019 年锅炉12 月1 日—20 日、20 d 内的生产蒸气总量为5665 t。锅炉所生产的蒸汽用水包括软化水、纯水和除铁后的高温冷凝水。其中，高温冷凝水的压力为0.05 MPa，温度99～110 ℃；纯水、软水合计用量2696 t，平均用水量每天至少每小时为=5 616.66 kg；除氧器的进水温度平均为14 ℃，经闪蒸汽加热后温度升高90 ℃、升温至104 ℃。

根据式（2），则闪蒸汽每小时释放热量QS=4.18×5 616.66×90=2 112 987.5 kJ/h。

2.2 冷凝水所含热能估算

制丝线闪蒸后，110 ℃的冷凝水总量为产蒸汽总量减去冷水量，即2969 t。按照60 ℃温差换热，其所含热量

2.3 闪蒸汽和冷凝水全部可用热能

全部可用热能为QS与QL之和，即2 112 987.5+1 551 302.5=3 664 290 kJ/h。

2.4 储物间等空调器所需热能估算

以贮丝房的K26 空调为例，与其他空调相比，该空调器的送风量最大、达120 000 m3/h，2019 年5 月10 日—20 日，平均送风温度和表冷后混风温度差值为1.5 ℃、平均运行频率为25 Hz。2020 年5 月14 日，设置风机频率为25 Hz 运行状态下，现场在风箱中取多个测试点，实测平均风速为1.9 m/s，空调箱体截面积为16 m2，气流密度取1.2 kg/m3，则空调器每小时需要的加热量QX=1.01×（16×1.9×1.2×3600）×1.5=198 962.0 kJ/h。

2.5 热能供给与需求分析

闪蒸汽和冷凝水全部可用热能3 664 290 kJ/h，最大送风量的空调器除湿季需求加热量198 962 kJ/h，则闪蒸汽和冷凝水夏季可满足空调器加热量的台数为3 664 290/198 962≈18.4 台。而全厂储物间空调器共20台，送风量有8000 m3/h、100 000 m3/h 和120 000 m3/h三种，加热需求量小于198 962 kJ/h。初步估算，闪蒸汽和冷凝水热能能满足储物间等20 台空调器的夏季每年5—10 月份加热需求。

3 方案设计与工程改造

空调机组热媒水替代蒸汽改造原理图如图1 所示，热媒水站工作原理如图2 所示。

图1 空调机组热媒水替代蒸汽改造原理

图2 热媒水站工作原理

3.1 热水泵选型

流量设计：设K26 空调器每小时需要的加热量为Q1、198 962.0 kJ/h，根据热量守恒定律等于热媒水供热Q2，设定温升10 ℃，根据式（2）有198 962.0=4.18M2×10，则M2=4753 kg。

按照K26 大风量空调器计算，20 台空调器每小时所需热水量20×4.753=95.06 t，综合考虑选取热水泵流量100 t/h。

扬程设计：地下管廊到二楼空调机组管道高度20 m，距离泵站最远的K43 空调管路总长1200 m，查表DN150 管子1000 m 阻力损失为9.7 m 水柱，以上总计31.64 m 水柱压头。因此设计运行压力35～40 m水柱，富裕10 m 水柱压头扩容备用，因此，热水泵扬程选型50 m 较合理。

3.2 热媒水温度调节

设计供水温度为60 ℃，当温度低于58 ℃时自动开启热媒水箱调节阀进入闪蒸气加热，同步关小或关闭去往除氧器调节阀，当水温达到60 ℃时，关小调节阀同时开启去往除氧器调节阀，两者互补比例调节，稳定热媒水温度（60±5）℃。

当水温低于55 ℃，闪蒸气加热阀100%开启，表明闪蒸气加热量不足，此时自动开启鲜蒸气加热阀补充加热，当长时间用鲜蒸气补充加热时，就需要手动开启高温冷凝水作为第三加热源。

3.3 热媒水泵变频控制

热媒水泵按照压力、水位和温度参数值进行变频控制。出水压力0.25～0.50 MPa，低水位保护限值50 cm，水位低于设定值时停止运行、高于高水位值时启动。

3.4 工程改造

（1）该项目改造工作量大，涉及热源的锅炉附属设施、给水排水管网、以太网联网，控制程序编制、热水管网铺设、与工艺空调原蒸汽管道的对接等。

（2）热媒水站建造两个6 m3水箱、两台100 m3变频热水泵（一用一备），24 h 不间断维持热媒水加热的供给。

（3）新铺设的热媒水管道不宜采用PVC 管，PVC管材通入60 ℃的热水后变软易造成接头泄漏，宜采用碳钢管道。

（4）1#～3#机房的蒸汽、热媒水管道汇集在1#机房，4#～8#机房的蒸汽、热媒水管道汇集在7#机房。

（5）联通每个机房的蒸汽管道，夏季利用原有蒸汽管道输送热媒水，通往蒸汽加热器升温。

（6）之前空调器有蒸汽作为热源时，空调冷凝水回水是常压重力回水方式。而现在改为而热媒水作为热源，其回水带有0.3～0.4 MPa 压力，如果用一般的三通对接汇入，回流的热媒水会倒流入空调机房，所以采用具有引射作用的文丘里三通对接。

4 节能效果

改造后，采用“竣工一段使用一段”的模式，中央工艺空调从2020 年5 月3 日开始用热媒水替代蒸汽热源，各卷烟生产区域在满足温湿度需求的前提下，取得明显的节能效果。根据能源管理系统，将2020 年、2019年5—10 月份的蒸汽和电能消耗进行对比（表2）。

表2 2020 年（使用热媒水）和2019 年（使用蒸汽）5—10 月份空调数据对比

从表2 可以看出，在卷烟产量增加的情况下，2020 年5—10 月份比2019 年的中央工艺空调蒸汽消耗量下降了58.46%，耗电量下降13.0%；折合到单箱卷烟所耗的标煤量，综合能耗下降43.9%，节能效果显著。

5 结束语

对于中原地区的卷烟企业而言，每年的5—10月份利用制丝车间回流的闪蒸汽和高温冷凝水制取热媒水，可以作为工艺空调器加热源替代传统的蒸汽热源，在满足生产区域温湿度要求的前提下，工艺空调节能效果显著。另外，该技术对卷烟企业中央工艺空调的节能降耗具有借鉴意义。