冷卻塔直供冷技術在昆明卷煙廠工藝性空調系統中的應用

0 引言
昆明及其鄰近的玉溪、曲靖、楚雄、大理等地區均屬于溫和地區中區, 全年氣候特點類似, 且上述地區均有生產規模較大的卷煙廠, 本文僅以昆明地區為例, 探討冷卻塔直供冷技術在卷煙廠工藝性空調系統中的應用。
昆明地區夏季空調室外計算干球溫度為26.2℃, 冬季空調室外計算溫度為0.9℃, 全年平均溫度為14.9℃, 極端最高溫度為30.4℃, 極端最低溫度為-7.8℃。生產工藝以及氣候特點決定了該地區卷煙廠空調負荷以顯熱負荷為主, 空調系統全年基本都是制冷過程。卷煙廠空調系統能耗在全年生產能耗中所占比例較大, 結合昆明地區冬季及過渡季室外空氣溫度適宜、相對濕度不大的特點, 采用合理的技術手段降低卷煙廠空調系統的能耗, 在卷煙廠暖通空調設計中具有節能減排與經濟合理雙贏的重要意義。
1 生產工藝要求、空調負荷特點以及生產班次
1.1 生產工藝要求
根據YC/T 9—2015《卷煙廠設計規范》第11.1.2條規定:各主要車 (房) 間空氣溫濕度要求詳見表1。
1.2 空調負荷特點
卷煙廠的現代化生產水平很高, 儲葉房和儲絲房內平時均無人員, 卷包車間和濾棒成型車間也只有較少人員巡視檢查, 且卷包工藝生產設備密封性較好。室內冷負荷主要由設備發熱、原材料傳熱、無功損耗等顯熱負荷所致。設備發熱主要來自電動、電熱設備;原材料傳熱主要為高溫煙葉、煙絲通過設備及管道外壁傳熱;無功損耗主要由用電設備及元器件產生。這樣就形成了卷煙廠的空調特點:室內冷負荷大, 且基本上都是顯熱負荷, 室內余濕量小, 熱濕比接近正無限大, 送風比焓差小, 系統風量大。在焓濕圖上, 室內設計溫度在22~27℃之間, 熱濕比接近正無限大, 采用露點送風的方式, 送風狀態點與室內設計狀態點之間的比焓差近似相等, 系統風量變化不大。
表1 各車 (房) 間空氣溫濕度[1]     下載原表
表1 各車 (房) 間空氣溫濕度[1]
溫和中區的昆明等地, 按各生產車間室內設計參數計算出的冬季圍護結構耗熱量均小于室內設備、照明等設備的散熱量, 故在生產工藝設備正常運行期間, 昆明地區卷煙廠的空調系統全年運行工況均為制冷工況。
1.3 生產班次
卷煙廠生產工作一般為全天24h四班制, 一周生產5d, 周六、周日正常休息。每個工作日只在04:00—06:00期間生產工藝設備停產檢修, 但空調系統需持續運行, 維持室內溫濕度的要求。
2 空調室內設計參數以及冷卻塔直供冷設計參數的確定
2.1 室內設計參數
由表1可知, 卷煙廠各生產車間室內溫度在22~27℃之間, 相對濕度約為60%。夏季工況:室內設計溫度為27℃, 相對濕度為60%;冬季工況:室內設計溫度為22℃, 相對濕度為60%。在全年不同季節按不同的室內設計參數運行有利于空調系統的節能, 但昆明地區夏季空調室外計算干球溫度 (twg=26.2℃) 比室內設計溫度還低;冬季圍護結構耗熱量經計算后也比室內產熱設備等散熱量小, 基本上全年都是室內向室外的傳熱過程, 空調系統全年運行工況均為制冷工況 (只有在冬季生產車間正式生產之前需對車間進行預熱) 。故冬季室內設計溫度不宜按照規范采用冬季工況, 應盡量提高室內設計溫度, 實際上昆明地區卷煙廠內部生產管理部門以夏季工況設計參數作為全年空調系統運行的設計參數。本文以夏季工況作為計算依據。
由昆明地區焓濕圖可知, 室內狀態點N (室內溫度27℃, 相對濕度60%) 對應的露點 (相對濕度95%) 的干球溫度tg=19.4℃, 濕球溫度ts=18.8℃。
2.2 表冷器運行工況的模擬
在表冷器選型軟件中模擬了在特定冷水供回水溫度工況下表冷器處理后的最低溫度。模擬條件:組合式空氣處理機組 (額定風量80 000m3/h) , 表冷器進風溫度27℃, 相對濕度60%。
1) 模擬工況1 (供回水溫度為10℃/15℃) :①表冷器4排管, 處理后的最低溫度為16.72℃;②表冷器6排管, 處理后的最低溫度為14.08℃;③表冷器8排管, 處理后的最低溫度為12.91℃;④表冷器10排管, 處理后的最低溫度為11.88℃。
2) 模擬工況2 (供回水溫度為15℃/20℃) :①表冷器4排管, 處理后的最低溫度為19.91℃;②表冷器6排管, 處理后的最低溫度為18.08℃;③表冷器8排管, 處理后的最低溫度為17.45℃;④表冷器10排管, 處理后的最低溫度為16.87℃。
由上述模擬可看出表冷器在常用排數盤管 (6排管和8排管) 下空氣側出風溫度與冷水側供水溫度間的換熱溫差為3~4℃。本文以4℃作為表冷器空氣側出風溫度與冷水側供水溫度間的換熱溫差。
2.3 冷卻塔的配置余量
冷卻塔的標準設計工況為:濕球溫度28℃, 冷卻水供回水溫度32℃/37℃。昆明地區夏季空調室外計算濕球溫度為20℃, 當冷卻水供回水溫度為32℃/37℃時, 用選型軟件可計算出實際冷卻水量僅為標準工況下的75%左右;以制冷性能系數為5.7的2 110kW離心式水冷冷水機組 (冷水及冷卻水溫差均為5℃) 為例, 冷水量約為冷卻水量的85%;根據卷煙廠空調系統的備用要求, 冷卻塔的實際配置容量均為設計工況下的1.20~1.35倍;雖然卷煙廠全年負荷以室內顯熱負荷為主, 但冬季及過渡季室內空調負荷將隨著室外溫度的降低而有所減少, 冷水量也隨之降低。
綜上所述, 卷煙廠空調系統冷卻塔的實際配置容量 (以冷卻水量計) 選取為夏季空調計算負荷對應冷水流量的2倍左右。
2.4 冷卻塔的冷卻幅高
冷卻塔的冷卻過程中輻射傳熱量非常小, 可以忽略不計, 主要為蒸發散熱和接觸散熱。從冷卻塔工作原理可以看出, 冷卻塔能將水溫降低的原因在于水在蒸發過程中吸收熱量從而使沒有蒸發的水的溫度降低, 水溫降低的程度取決于蒸發水量, 蒸發水量取決于空氣的飽和程度。當空氣達到飽和狀態后, 沒有水的蒸發, 只有空氣和水的顯熱交換就很難再降低水的溫度, 當水溫接近濕球溫度時, 比焓差將很小, 散熱過程很慢。
在冷卻塔設計中, 標準工況下冷卻幅高一般為3~5℃, 但由于冷卻水溫度的降低, 冷卻塔的冷卻能力將進一步下降。經冷卻塔選型軟件的選型計算:當室外濕球溫度為10℃、冷卻水供回水溫度為20℃/15℃時, 冷卻塔的流量將會是標準工況下流量的1.8倍;當室外濕球溫度為5℃、冷卻水供回水溫度為20℃/15℃時, 冷卻塔的流量將會是標準工況下流量的1.25倍。結合卷煙廠冷卻塔配置余量的分析可知, 冷卻塔直供冷技術在冬季或過渡季取5℃作為冷卻塔冷卻幅高的計算參數是合理的。
2.5 冷卻塔直供冷技術應用的轉換溫度
綜上所述, 由室內設計參數的確定以及表冷器、冷卻塔運行工況的模擬, 冷卻塔直供冷技術在昆明地區卷煙廠空調系統中能夠正常應用時應保證冷水供水溫度t≤15.4℃, 再考慮冷卻塔的實際配置以及冷卻幅高的影響, 最終確定室外空氣濕球溫度ts=10℃時作為冷卻塔直供冷技術應用時的轉換溫度。
3 典型氣象年冷卻塔直供冷技術應用時間的統計
昆明地區典型氣象年全年逐時參數中, 濕球溫度ts≤10℃的總時間為3 363h[2], 但為了考慮冷卻塔直供冷技術在空調系統上能持續使用, 對于間歇短時出現濕球溫度ts≤10℃的時刻予以剔除。
由全年1—12月逐時濕球溫度曲線圖可知, 11月9日左右至次年3月26日左右長時間連續出現室外空氣濕球溫度ts≤10℃, 可認為11月初至次年3月末是冷卻塔直供冷技術可持續運行的時段。這里以典型氣象年11月9日至次年3月26日作為計算時段, 冷卻塔直供冷技術應用累計時間約為3 288h, 扣除放假、休息日的空調系統運行時間約為2 332h, 在此時段以外, 供冷還是由制冷站冷水機組提供冷水, 供熱由廠區的供熱鍋爐提供熱水。冷卻塔直供冷技術的應用具有很大的節能潛力。
由文獻[2]中的典型氣象年逐時參數中的濕球溫度ts≤10℃的統計時間與全年1—12月逐時濕球溫度曲線圖分析出的時間近似相等, 可知昆明地區濕球溫度ts≤10℃的時間較連續, 有利于冷卻塔直供冷技術的應用。
4 冷卻塔直供冷技術在昆明地區卷煙廠恒溫恒濕空調系統設計中應用分析
4.1 卷煙廠各生產車間室內設計參數的確定
YC/T 9—2015《卷煙廠設計規范》中規定的室內設計參數標準適用于全國所有氣候區的卷煙廠, 昆明地區卷煙廠各生產車間室內設計參數應根據昆明地區當地氣候特點、空調負荷特點、冬季圍護結構耗熱量、生產情況等因素綜合確定。由于室內散熱量較大, 且均大于冬季圍護結構耗熱量, 昆明地區卷煙廠各生產車間室內設計溫度全年宜取規范允許值的上限值。
4.2 圍護結構材料的選擇
由于卷煙廠各生產車間室內設計溫度 (27℃) 比昆明地區夏季空調室外計算干球溫度 (26.2℃) 都高, 冬季圍護結構耗熱量經計算后也比室內產熱設備等散熱量小, 故可看出:基本上全年都是室內向室外的傳熱過程, 昆明地區卷煙廠圍護結構宜采用導熱系數大的材料;由于室內有恒溫恒濕的要求, 圍護結構宜采用蓄熱系數大的材料。即在圍護結構厚度相同的條件下, 選擇熱惰性系數較大的材料。但由于昆明地區太陽輻射較強, 圍護結構外部 (包括屋頂) 應采用建筑外遮陽, 降低太陽輻射得熱。
4.3 組合式空氣處理機組表冷器的設計與校核
常規組合式空氣處理機組表冷器的銘牌冷量均為標準工況 (冷水供回水溫度為7℃/12℃) 下的冷量, 但由于冷卻塔直供冷技術提供的冷水的溫度會出現高于標準工況的情況, 需根據實際冷水溫度對表冷器的選型進行復核計算。經與設備生產廠家的選型軟件對實際工況的模擬分析, 為了最大限度地利用冷卻塔直供冷技術為空調系統提供冷水, 必須適量增大表冷器的盤管數量, 以降低表冷器空氣側出風溫度與冷水側供水溫度間的換熱溫差。經初步模擬分析, 冷卻塔直供冷技術應用表冷器的盤管數宜為6排管或8排管。
4.4 冷卻塔直供冷技術的系統形式選擇
冷卻塔直供冷技術應用分為直接供冷與間接供冷, 直接供冷常用組合為“開式冷卻塔+過濾器+水處理”, 即經過開式冷卻塔冷卻后的冷水經過濾器、水處理設備處理過濾后, 通過水泵直接輸送至空氣處理機組的表冷器, 經表冷器與空氣進行換熱后再回到冷卻塔冷卻 (見圖1) 。間接供冷常用組合為“閉式冷卻塔或開式冷卻塔+板式換熱器”。從節約投資以及最大限度降低運行費用的角度出發, 以直接供冷效果最好, 周邊環境的供水、空氣質量等條件允許時應優先采用。但由于直接供冷采用開式冷卻塔, 系統中的溶解氧較多, 管網和設備易腐蝕;需要增加克服靜水壓力的額外能耗, 水系統輸送能耗增加。因此, 當采用直接供冷方式時, 應設置相應的水處理設備, 降低水中的溶解氧, 減少對管路及設備的腐蝕, 并盡量減小開式冷卻塔布水管與積水盤之間的高差, 降低空調水系統管路的設置高度。
卷煙廠空調冷水機組常用冷卻塔為開式逆流冷卻塔, 冷水及冷卻水管路均設置全自動自清洗過濾器 (如AMIAD的CTF-E15, 過濾等級達到了150~200目) , 水質穩定處理按GB 50050—2007《工業循環水處理設計規范》[5]的要求, 設置了普遍有效的化學法水質穩定處理控制裝置, 為冷卻塔采用直供冷的方式提供了必要條件。
4.5 冷卻塔的設計與校核
冷卻塔在設計選型時, 是以夏季冷負荷、夏季室外計算濕球溫度為計算依據的。設計選型完成后, 還應結合全年空調負荷的變化情況, 對其在冷卻塔直供冷模式下的供冷能力進行校核計算。考慮到在特定室外濕球溫度和負荷下冷卻塔冷卻幅高隨冷卻塔填料尺寸和冷卻水量的增大而減小, 對于多臺冷卻塔系統可采用串聯冷卻塔的方法來增加冷卻效果, 提高冷卻塔供冷模式的室外轉換溫度, 從而增加直接供冷時間。
5 結論
1) 各生產車間室內設計參數的選擇應根據當地氣候特點、空調負荷特點、冬季圍護結構耗熱量、生產情況等因素綜合確定。
2) 生產廠房圍護結構宜選擇熱惰性系數較大的材料, 并應采用建筑外遮陽。
3) 冷卻塔直供冷技術宜優先選用“開式冷卻塔+過濾器+水處理”的方式。
4) 冷卻塔供水溫度要盡可能高, 這樣便能增加系統供冷時間, 最大程度地利用“免費”冷源。
5) 冷卻塔直供冷技術應用的轉換溫度要根據當地氣候特點、系統形式、冷卻塔的配置容量、空氣處理流程、室內設計參數等因素綜合確定。
6) 組合式空調機組表冷器、冷卻塔的選型計算需根據應用工況的不同分別進行校核計算。