昆明卷烟厂常年供冷车间供冷模式的经济比较

吴 敏 ，杨 浩

(1.重庆太和空调自控有限公司，重庆400025；2.红塔烟草(集团)有限责任公司，云南玉溪623100)

1 冷却塔供冷

南方地区卷烟厂联合厂房各车间的冷负荷特性是不同的，通常由于工艺设备较多，卷接包车间、膨胀烟丝车间、滤棒成型车间等发热量较大，需常年供冷，而储丝房、成品库、辅料库、贮叶房等冷负荷较小，需夏季供冷、冬季加热。同时，卷烟生产和输送过程中，烟丝往往从周围空气中吸收水份，造成车间湿负荷接近于0，因此，卷烟厂常年供冷车间热湿比呈现+∞的趋势。常年供冷车间室内温度设计范围为22(冬)～25(夏)±2℃，相对湿度设计范围为60(全年)±5%。

根据室内设计状态点和ε=+∞的热湿比,由焓湿图可知对应夏季室内状态点的最低送风温度为18℃,对应冬季室内状态点的送风温度为15℃。考虑到制冷时室内温度升高有利于节能，全年建议用夏季室内状态点，现以18℃作为冬季送风温度进行分析。根据空调机表冷盘管的换热特性，对应18℃送风温度的冷水供水温度应在13℃左右。

一般而言，额定工况下冷却塔的出水温度比空气湿球温度高5℃左右。如采用冷却塔直接供冷，对应的冷水温度为13℃，空气湿球温度为8℃。由于此种方式冷水为开式循环，容易造成空调机表冷器铜管氧腐蚀及结垢，故一般采用板式换热器间接供冷，冷却塔出水由冷却水泵压进板换一次侧再流回冷却塔，空调机表冷器出水由冷水泵压进板换二次侧再流回空调机表冷器。这样可避免空调机铜管腐蚀及结垢，但由于板换传热存在2℃的温差，因此板换二次侧出水温度为13℃，冷却塔出水温度为11℃，空气湿球温度为6℃。根据文献[2]昆明市标准年气象参数据库中“昆明市标准年空气湿球温度全年变化趋势图”和“昆明市标准年各级湿球温度频数统计图”，可知昆明市全年室外空气湿球温度小于6℃的时间1 080 h计45 d(图1、图2)。

图1 昆明市标准年空气湿球温度全年变化趋势

图2 昆明市标准年各级湿球温度频数统计

昆明卷烟厂动力中心冷站配4台双效蒸汽型吸收冷水机组，总装机容量为4×4 069 kW。昆明卷烟厂冬季常年供冷车间空调系统所需冷量的为动力中心冷站总装机容量的30%左右(据不完全统计，南方地区卷烟厂各季常年供冷车间空调系统所需的冷量为动力中心冷站总装机容量的15%～30%左右)。因此，动力中心二台吸收冷水机各配置1台板换及对应的旁通管路系统。系统进入冬季运行工况，由控制器判断室外空气湿球温度是否小于或等于6℃,满足时,由常规冷水机供冷模式切换到冷却塔供冷模式,并开启和关闭对应管路上的季节切换电动阀。

1.1 冷却塔冬季供冷工况热工计算及系统运行分析

动力中心制冷站二台溴化锂冷水机组备配置一台板式热交换器及对应的管路系统。每台板式热交换器一次侧与二次侧设计温差为8℃，换热量按一台冷水机组相同的制冷量进行设计，即4 069 kW。二次侧(冷水)流量为700 m3/h,一次侧(冷却水)流量为1 302/2 m3/h,冷却塔冬季供冷运行工况的冷却水出水温度按11℃设计，板式换热器二次侧至空调机的供水温度按13℃设计，回水温度按18℃设计。

冷却塔一般按夏季工况下为冷水机组散热进行的设备选型，夏季工况下冷却水进出水设计温度为37.5℃/32℃，昆明市夏季空调设计干球温度为25.8℃,湿球温度为19.9℃。当冷却塔用于冬季供冷时,其出水温度按上述分析为11℃,冬季冷却塔供冷运行模式下仍然利用现有的冷却塔和冷水泵、冷却水泵,因此冷却水流量和冷却塔风量保持不变。

冷却塔运行时,水—空气在冷却塔内部进行换热,并满足如下能量平衡式:

Qw=LwCw(tw1-tw2)

(1)

QA=G(i2-i1)

(2)

Qw=QA

(3)

式中:QW为循环水在冷却塔中被冷却的热量,即冷却塔从循环冷却水中带走的热量(kcal/h)；QA为空气在冷却塔被加热,加湿带走的热量(kcal/h)；LW为冷却塔循环水量(m3/h)；GW为水的定压比热(1kcal/kg℃)；tw1、tw2为冷却塔循环水进出水温度；G为冷却塔通风量(kg/h)；i2、il为冷却塔空气进出口焓值(kcal/kg干)。

1.2 冬夏两季供冷工况

下述分析假定空气经过冷却塔的出风达到最佳热交换下的状态点，即相对湿度为80%，出风干球温度为冷却水的进水温度，以此来判断现有冷却塔是否能满足冬季供冷工况的换热能力。冬季冷却塔进风参数采用昆明地区3月份的月平均干球温度14.9℃和月平均湿球温度8.4℃。

1.2.1 夏季供冷工况

冷却塔进风温度为25.8℃,进风湿球温度为19.9℃,进风焓i1=67.5 kcal/kg干。

冷却塔冷却水进水温度37.5℃,冷却水出水温度32℃,冷却塔出风温度37.5℃,冷却塔出风相对湿度80%,冷却塔出风焓i2=147 kcal/kg干。

1.2.2 冬季供冷工况

冷却塔进风温度14.9℃,进风湿球温度8.4℃,进风焓i3=30kcal/kg干。

假定冬季冷却塔冷却水流量为夏季的50%,根据公式(1)计算，即：

4069×860=1302/2×1000(tw1-11)

冷却塔冷却水进水温度tw1：

冷却塔出风温度为16.4℃,冷却塔出风相对湿度80%,冷却塔出风焓i2=46.4 kcal/kg干。

冷却塔冷却水出水温度:tw2=11℃。

按夏季工况:冷却水流量1 302 m3/h,冷却塔冷却水进出水温差5.5℃.冷却水进水温度37.5℃,冷却水出水温度32℃,大气湿球温度27℃,查上海金日冷却塔样本,选择1组横流式冷却塔,型号为KSD-N2000,为4个500RT的横流式冷却塔,体积风量为796 800 m3/h,质量风量为772 896 kg/h,冷却水额定流量1 468.8 m3/h,电机功率5.5 kW×8。

冬季冷却塔总风侧散热量QA=G(i2-il)=772896×(46.4-30)=12675494 kcal/h=14 739 kW

1.3 冬季冷却塔运行选择

冬季运行2个500RT横流式冷却塔(对应1台制冷量为4 069 kW的板换)，总风侧散热量7 369 kW，总水侧冷却水流量1 302/2 m3/h,冷却塔冷却水进水温度16.4℃，冷却塔冷却水出水温度11℃，电机功率4×5.5 kW。

(1)板式换热器选择。

一次侧(冷却塔冷却水回路):板换进水温度11℃,板换出水温度16.4℃,冷却水流量1 302/2 m3/h。

二次侧(空调机冷水回路):板换进水温度18℃,板换出水温度13℃,冷水流量700 m3/h。

计算算术平均温差

(2)确定传感器热系数K。

假定二次侧冷水流速vc=0.2 m/s,则一次侧冷却水流速vh=0.2×1.08=0.22 m/s(二次侧冷水温差Δt=18-13=5℃,一次侧冷却水温差Δt=16.4-11=5.4℃,则5.4/5=1.08),查图4.4-12(文献[1] P201),得：

K=3100 W/m2·℃

(3)所需换热面积F。

换热量Q=(1302/2)×1000×1×(16.4-11)=3515400 kcal/h=4 088 kw符合要求。

验算传热系数K:

板换换热面积为732.6 m2,总片数1 017片,型号BR70。

(4)一、二次水侧阻力。

一次侧冷却水平均温度13.7℃(冷侧),二次侧冷水平均温度15.5℃(热侧)，查图4.4-13(文献[1] P201),根据冷侧冷却水流速0.19 m/s,热侧冷水速度0.21 m/s,查得一次冷却水侧阻力为0.001 8 MPa(0.18 mH2O)，二次冷水侧阻力为0.0018 MPa(0.18 mH2O)。

冬季总换热量为4 882 kW,考虑板换易结垢,不易清洗,选择换热量为4 069 kW/台换热面积732.6 m2/台,总片数1 017片/台,型号BR70/台,2台板换。

(5)季节切换电动开关蝶阀选择。

溴化锂吸收冷水机组冷却水进水管DN450电动开关蝶阀1个,冷水出水管DN450电动开关蝶阀1个。

板换:一次侧(冷却水)板换进水管DN450电动开关蝶阀1个,二次侧(冷水)板换进水管DN450电动开关蝶阀1个。

共2台板换,2台溴化锂吸收冷水机,故共8个DN450电动开关蝶阀。

综上所述,考虑板换易结垢影响换热，应考虑适当放大传热面积，冷却塔冬季供冷运行情况如下：

一组冷却塔(4个500RT横流式冷却塔)。

冷却水流量1 302 m3/h。冷却水进水温度16.4℃,冷却水出水温度11℃,冷却水出水温度11℃,电机功率8×5.5 kW。

2台板式换热器(换热量4 069 kW/台)。

1台冷却水泵,冷却水流量1302 m3/h,电机功率160 kW。

2台冷水泵,总冷水流量1 400 m3/h,电机功率2×110 kW。

(6)冬季运行能耗分析如表1。

表1 冷却塔冬季运行能耗分析

上述节能效果分析假定冷站溴化锂冷水机组在冬季工况时采用变水温节能运行,冷水供水温度为13℃,和额定工况(冷水供水温度7℃)相比,每提高1℃节能3.5%。利用冷却塔供冷时,在设计管路系统应注意冷却塔、冷却水泵、冷水泵、冷水机组均应并联。冷却塔供冷由于增加了2台板换,季节切换电动阀、旁通管路等，初投资增加440万元。

2 空调机新风供冷

全年室内状态点为温度25℃,相对湿度60%,对应的送风状态点为温度18℃,焓值为48kg/kg干,绝对含湿量为12g/kg干,相对湿度为95%。当新风焓小于表冷器露点焓(与送风点焓相同)时进行新风供冷、蒸汽加湿,新风焓大于或等于表冷器露点焓(48kg/kg干),进行冷水供冷、蒸汽加热。

2.1 一次混和点绝对含湿量

式中:G1为回风风量(kg/h)；Gw为新风风量(kg/h)；G为送风风量(kg/h)；dNo为室内设计状态绝对含湿量(g/kg干)。按室内温度25℃,相对湿度60%,查焓湿图知dNo=12 g/kg干；dw为昆明地区1月、2月、3月、4月1日～4月13日、11月13日～11月16日、12月18日～12月31日的室外日平均含湿量dw=5.8g/kg干,新风比变化为0.2～1。

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

g/kg干

一次混和点绝对含湿量平均值为:

=8.28 g/kg干

冷却塔供冷模式:

平均含湿量差Δd=dNO-dc=12-10.76=

1.24 g/kg干

全新风供冷模式:

平均含湿量差Δd=dNO-dw=12-5.8=6.2 g/kg干

新风线性增加供冷模式:

根据上述参数作常年供冷车间蒸汽加湿量计算如表2。

表2 常年供冷车间蒸汽加湿量

2.2 新风供冷运行时间

由上述可知卷烟厂常年供冷车间空调机送风点温度18℃, 送风相对湿度95%,送风湿球温度17℃,当室外新风为全新风,新风湿球温度为17℃,新风供冷结束,转为冷水机组供冷。查“昆明市标准年空气湿球温度全年变化趋势图”知新风湿球温度小于17℃的时间为270 d,由于空调设备运行时间为每天18 h,故新风供冷运行时间为4 860 h,其余时间各种模式运行,方式相同(冷水机组供冷,新风比m=0.2)，故只比较4 860 h的运行成本。所有模式空调机风机电耗相同,故不计空调机风机运行成本。

溴化锂冷水机组供冷模式在4 860 h运行有810 h需开冷水机组,冷水供水温度为13℃，新风比m=0.2。其余4 050 h采用新风线性增加供冷,新风比m由0.2线性增加到1,不开冷水机组。

冷却塔供冷模式在4 860 h运行时有810 h无需制冷机,只由冷却塔供冷,冷水供水温度为13℃,新风比m=0.2。其余4 050 h采用新风线性增加供冷,新风比m由0.2线性增加到1,不开冷水机组。

新风线性增加供冷模式在4 860 h运行时,无需制冷机,新风比新风比m由0.2线性增加到1。

全新风供冷模式在4 860 h运行时,无需制冷机,新风比m=1。

3 常年供冷车间全年运行费用

(1)溴化锂冷水机组供冷运行成本L1。

L1=470841+2.867×810×110+8.6×4050×110=455.759万元

(2)冷却塔供冷运行成本L2。

L2=171720+2.867×810×110+8.6×4050×110=425.847万元

(3)全新风供冷运行成本L3。

L3=14.334×4860×110=766.296万元

(4)新风线性增加供冷运行成本L4。

L4=8.6×4860×110=459.756万元

由上述分析可知:昆明卷烟厂常年供冷车间全年运行费用由低到高依次为冷却塔供冷、溴化锂冷水机组供冷、新风线性增加供冷、全新风供冷。冬季冷却塔供冷模式比溴化锂冷水机组供冷模式每年可节约29.91万元,冷却塔供冷模式需增加220万元初投资，投资回收期为7.36年。冷却塔供冷初投资主要为板换的费用，如板换的使用年限低于7.36年,冬季采用冷却塔供冷就不合理。反之,则合理。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社出版，2008

[2] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社,2005