基于生产驱动的空调智能联控系统实施与节能效果分析

刘剑敏，胡小虎，余 数，朱明山，王小欢，孔 磊，张建利

(1.浙江中烟工业有限公司 宁波卷烟厂，浙江 宁波 315000；2.机械工业第六设计研究院有限公司 第四工程院，河南 郑州 450007)

现代社会经济发展受资源环境制约的问题越来越突出，国家烟草专卖局印发的烟草行业“十三五”节能减排工作方案，明确了行业节能减排总体目标，要求行业内各单位结合工作实际，采取切实可行措施，落实各项工作部署，以确保减排任务的完成[1-2].因此，节能减排、建设资源节约型工厂已成为宁波卷烟厂迁至奉化江畔的紧要工作[3].2017年，宁波卷烟厂耗电为3 675万kWh，天然气用量为441万Nm3.这两项共折合9 923 t标准煤.其中空调系统消耗3 027 t标准煤，占全厂能耗的30%以上.因此，空调系统的节能问题在整个节能减排工作中占有十分重要的位置[4-5].通常空调系统按天气最热、负荷最大进行设计，且预留了10%～20%的设计余量，而其实际运行中并不会达到满负荷，存在较大的富余[6].同时，空调系统启停和生产设备启停未进行联动控制.为确保生产的温湿度环境符合工艺要求，工作时间内空调系统一直处于开启状态，而生产设备工作时间内启停存在不确定性，当部分或全部生产线停机时，开启的空调系统能耗几乎照常.因此，空调系统的节能潜力巨大.

“十二五”异地技改后，宁波卷烟厂已经建立的动力实时监控系统和能源管理系统，主要用于对前端制冷机组、空调机组进行控制，并对生产末端温湿度环境进行监视，但缺少对生产全局的监控，且空调系统启停与生产设备无关联、不对接，无法对制丝和卷包等生产区域的空调终端服务进行精准性、合理性和节能性管控，易造成空调系统冷量过早供给，过度供给，导致产品的整体能耗偏高[7-8].2017年1月，该厂单箱能源消耗曾高达3.46 kgce/万支(ce指标准煤)，处于行业生产运行能耗较高水平.基于这一情况，宁波卷烟厂动力车间创新团队以高度负责的态度，开展过程控制，加强全局监控，采用自主开发模式，结合MES(Manufacturing Execution System)和集中监控系统进行研发，对各设备的运行参数进行实时处理，并根据生产动态对空调系统进行实时控制，以实现基于生产驱动的空调智能联控，打造空调供应 “运行作业”管控信息命运共同体.

1 实施空调智能联控的技术准备

1.1 加热阀过程控制

在空调系统开启阶段，尤其是冬季，蒸汽管道由冷态投入运行，如果蒸汽加热阀开启过快，则会引起水击现象，并伴有振动和响声，严重情况下会导致换热器破裂.安全起见，加热阀通常由操作人员手动缓慢打开.动力车间创新团队经过研究，设计了一套新的更符合实际需求的加热阀控制方法，即在原PLC程序控制的基础上，对加热阀进行PID控制.

加热阀输出开度为：

式中：t1为开机后累积运行时间；t2为限制时间；V1为加热阀初始开度.

当Vout小于原PLC程序算出的加热阀开度时，控制系统按照Vout输出；当Vout大于原PLC程序算出的加热阀开度时，控制系统按照原PLC程序算出的加热阀开度输出.

由于采用该控制方法时加热阀是缓慢打开的，因此避免了水击现象的发生.对加热阀的过程控制为空调智能联控创造了条件.

1.2 生产全局监控

为了监控卷烟生产所有环节，及时将反映车间生产状况的数据传输到控制室，为空调智能联控提供技术支撑，动力车间创新团队开发了生产全局监控系统.生产全局监控系统利用iFIX平台和WEB软件接收并显示数据.该系统的制丝线动能供应监控画面如图1所示.

生产全局监控系统可实现以下功能：①其监控画面能显示所有生产工艺流程、工艺设备的启停状态及贮柜内存料的数量等；②其监控画面上可实时显示生产线上产品牌号、当前各工段的状况和生产进度；③通过该系统，生产动能供应情况(包括空调出风口温湿度、除尘/排潮的电机工作频率、压缩空气和蒸汽供应量等信息)可显示在监控画面上.

2 空调智能联控系统

基于生产驱动的空调智能联控系统是动力车间创新团队自主开发的一套空调设备集成控制系统.该系统的控制区域覆盖制丝车间和卷包车间.它针对制丝车间不规律且不连续的作业模式，通过对接MES来实现厂内各区域的数据通信，并对全厂信息进行有效整合.此外，它通过实时采集生产线作业信息，能提前发出相应区域空调设备的启停信号，而且可根据空调负荷及时调整空调设备的运行台数及运行频率，实现空调负荷的自我调节[9].

空调智能联控系统的集中显示界面如图2所示.

通过空调智能联控系统，在保证满足生产现场温湿度要求的同时，可降低空调系统的能耗，以最少的投入满足生产需求，也可有效解决空调设备因分布区域广而难以管理的问题，实现全厂空调系统的智能控制.

3 实施空调智能联控的节能效果分析

为说明基于生产驱动的空调智能联控系统在运行经济性、节能减排方面的优势，本文对该系统实施前(2017年7月)和实施后(2018年7月)的空调系统电耗和气耗数据进行对比分析(图3).2017年7月空调系统耗电为164.4 万kWh，耗汽为591.6 t，两项折合标准煤为256.1 t；2018年7月空调系统耗电为162.5 万kWh，耗汽为656.5 t，两项折合标准煤为259.7 t.从表面上看，2018年7月比2017年7月的空调系统耗能多.但根据空调智能联控系统实施前后空调系统日均电耗、气耗对比(图4)可知，2017年7月生产时间为19 d，2018年7月生产时间为22 d，以工作日为基准，通过实施空调智能联控，2018年7月份空调系统日均电耗减少12 663 kWh，同比下降14.6%，汽耗减少1.3 t，同比下降4.2%，两项折合每天节约标准煤1 675 kg， 节能降耗效果明显.

图3 实施空调智能联控前后两个7月份的电耗、汽耗对比曲线

图4 空调智能联控系统实施前后空调系统日均电耗、汽耗对比

减少空调系统运行电耗和汽耗，意味着降低电厂燃煤所产生的SO2、NOx和CO2的排放[10]，达到节能减排的目的.宁波卷烟厂实施空调智能联控后，以每年生产运行250 d计，节约能耗折合标准煤418.8 t ，减少投资272.6万元；同时减少1 115.55 t CO2、9.38 t SO2和3.77 t NOx的排放，减排效果显著(表1).

表1 实施空调智能联控的减排效果 t/年

4 结 论

基于生产驱动的空调智能联控系统，能够提高空调系统的自动化程度，减轻操作人员的工作负担；使空调系统与生产工艺无缝对接，彻底解决空调系统冷量过早供给、过度供给的难题；降低空调系统的运行费用；减少SO2、NOx以及CO2等污染物的排放.