冷却塔直供冷技术在昆明卷烟厂工艺性空调系统中的应用

0 引言
昆明及其邻近的玉溪、曲靖、楚雄、大理等地区均属于温和地区中区, 全年气候特点类似, 且上述地区均有生产规模较大的卷烟厂, 本文仅以昆明地区为例, 探讨冷却塔直供冷技术在卷烟厂工艺性空调系统中的应用。
昆明地区夏季空调室外计算干球温度为26.2℃, 冬季空调室外计算温度为0.9℃, 全年平均温度为14.9℃, 极端最高温度为30.4℃, 极端最低温度为-7.8℃。生产工艺以及气候特点决定了该地区卷烟厂空调负荷以显热负荷为主, 空调系统全年基本都是制冷过程。卷烟厂空调系统能耗在全年生产能耗中所占比例较大, 结合昆明地区冬季及过渡季室外空气温度适宜、相对湿度不大的特点, 采用合理的技术手段降低卷烟厂空调系统的能耗, 在卷烟厂暖通空调设计中具有节能减排与经济合理双赢的重要意义。
1 生产工艺要求、空调负荷特点以及生产班次
1.1 生产工艺要求
根据YC/T 9—2015《卷烟厂设计规范》第11.1.2条规定:各主要车 (房) 间空气温湿度要求详见表1。
1.2 空调负荷特点
卷烟厂的现代化生产水平很高, 储叶房和储丝房内平时均无人员, 卷包车间和滤棒成型车间也只有较少人员巡视检查, 且卷包工艺生产设备密封性较好。室内冷负荷主要由设备发热、原材料传热、无功损耗等显热负荷所致。设备发热主要来自电动、电热设备;原材料传热主要为高温烟叶、烟丝通过设备及管道外壁传热;无功损耗主要由用电设备及元器件产生。这样就形成了卷烟厂的空调特点:室内冷负荷大, 且基本上都是显热负荷, 室内余湿量小, 热湿比接近正无限大, 送风比焓差小, 系统风量大。在焓湿图上, 室内设计温度在22~27℃之间, 热湿比接近正无限大, 采用露点送风的方式, 送风状态点与室内设计状态点之间的比焓差近似相等, 系统风量变化不大。
表1 各车 (房) 间空气温湿度[1]     下载原表
表1 各车 (房) 间空气温湿度[1]
温和中区的昆明等地, 按各生产车间室内设计参数计算出的冬季围护结构耗热量均小于室内设备、照明等设备的散热量, 故在生产工艺设备正常运行期间, 昆明地区卷烟厂的空调系统全年运行工况均为制冷工况。
1.3 生产班次
卷烟厂生产工作一般为全天24h四班制, 一周生产5d, 周六、周日正常休息。每个工作日只在04:00—06:00期间生产工艺设备停产检修, 但空调系统需持续运行, 维持室内温湿度的要求。
2 空调室内设计参数以及冷却塔直供冷设计参数的确定
2.1 室内设计参数
由表1可知, 卷烟厂各生产车间室内温度在22~27℃之间, 相对湿度约为60%。夏季工况:室内设计温度为27℃, 相对湿度为60%;冬季工况:室内设计温度为22℃, 相对湿度为60%。在全年不同季节按不同的室内设计参数运行有利于空调系统的节能, 但昆明地区夏季空调室外计算干球温度 (twg=26.2℃) 比室内设计温度还低;冬季围护结构耗热量经计算后也比室内产热设备等散热量小, 基本上全年都是室内向室外的传热过程, 空调系统全年运行工况均为制冷工况 (只有在冬季生产车间正式生产之前需对车间进行预热) 。故冬季室内设计温度不宜按照规范采用冬季工况, 应尽量提高室内设计温度, 实际上昆明地区卷烟厂内部生产管理部门以夏季工况设计参数作为全年空调系统运行的设计参数。本文以夏季工况作为计算依据。
由昆明地区焓湿图可知, 室内状态点N (室内温度27℃, 相对湿度60%) 对应的露点 (相对湿度95%) 的干球温度tg=19.4℃, 湿球温度ts=18.8℃。
2.2 表冷器运行工况的模拟
在表冷器选型软件中模拟了在特定冷水供回水温度工况下表冷器处理后的最低温度。模拟条件:组合式空气处理机组 (额定风量80 000m3/h) , 表冷器进风温度27℃, 相对湿度60%。
1) 模拟工况1 (供回水温度为10℃/15℃) :①表冷器4排管, 处理后的最低温度为16.72℃;②表冷器6排管, 处理后的最低温度为14.08℃;③表冷器8排管, 处理后的最低温度为12.91℃;④表冷器10排管, 处理后的最低温度为11.88℃。
2) 模拟工况2 (供回水温度为15℃/20℃) :①表冷器4排管, 处理后的最低温度为19.91℃;②表冷器6排管, 处理后的最低温度为18.08℃;③表冷器8排管, 处理后的最低温度为17.45℃;④表冷器10排管, 处理后的最低温度为16.87℃。
由上述模拟可看出表冷器在常用排数盘管 (6排管和8排管) 下空气侧出风温度与冷水侧供水温度间的换热温差为3~4℃。本文以4℃作为表冷器空气侧出风温度与冷水侧供水温度间的换热温差。
2.3 冷却塔的配置余量
冷却塔的标准设计工况为:湿球温度28℃, 冷却水供回水温度32℃/37℃。昆明地区夏季空调室外计算湿球温度为20℃, 当冷却水供回水温度为32℃/37℃时, 用选型软件可计算出实际冷却水量仅为标准工况下的75%左右;以制冷性能系数为5.7的2 110kW离心式水冷冷水机组 (冷水及冷却水温差均为5℃) 为例, 冷水量约为冷却水量的85%;根据卷烟厂空调系统的备用要求, 冷却塔的实际配置容量均为设计工况下的1.20~1.35倍;虽然卷烟厂全年负荷以室内显热负荷为主, 但冬季及过渡季室内空调负荷将随着室外温度的降低而有所减少, 冷水量也随之降低。
综上所述, 卷烟厂空调系统冷却塔的实际配置容量 (以冷却水量计) 选取为夏季空调计算负荷对应冷水流量的2倍左右。
2.4 冷却塔的冷却幅高
冷却塔的冷却过程中辐射传热量非常小, 可以忽略不计, 主要为蒸发散热和接触散热。从冷却塔工作原理可以看出, 冷却塔能将水温降低的原因在于水在蒸发过程中吸收热量从而使没有蒸发的水的温度降低, 水温降低的程度取决于蒸发水量, 蒸发水量取决于空气的饱和程度。当空气达到饱和状态后, 没有水的蒸发, 只有空气和水的显热交换就很难再降低水的温度, 当水温接近湿球温度时, 比焓差将很小, 散热过程很慢。
在冷却塔设计中, 标准工况下冷却幅高一般为3~5℃, 但由于冷却水温度的降低, 冷却塔的冷却能力将进一步下降。经冷却塔选型软件的选型计算:当室外湿球温度为10℃、冷却水供回水温度为20℃/15℃时, 冷却塔的流量将会是标准工况下流量的1.8倍;当室外湿球温度为5℃、冷却水供回水温度为20℃/15℃时, 冷却塔的流量将会是标准工况下流量的1.25倍。结合卷烟厂冷却塔配置余量的分析可知, 冷却塔直供冷技术在冬季或过渡季取5℃作为冷却塔冷却幅高的计算参数是合理的。
2.5 冷却塔直供冷技术应用的转换温度
综上所述, 由室内设计参数的确定以及表冷器、冷却塔运行工况的模拟, 冷却塔直供冷技术在昆明地区卷烟厂空调系统中能够正常应用时应保证冷水供水温度t≤15.4℃, 再考虑冷却塔的实际配置以及冷却幅高的影响, 最终确定室外空气湿球温度ts=10℃时作为冷却塔直供冷技术应用时的转换温度。
3 典型气象年冷却塔直供冷技术应用时间的统计
昆明地区典型气象年全年逐时参数中, 湿球温度ts≤10℃的总时间为3 363h[2], 但为了考虑冷却塔直供冷技术在空调系统上能持续使用, 对于间歇短时出现湿球温度ts≤10℃的时刻予以剔除。
由全年1—12月逐时湿球温度曲线图可知, 11月9日左右至次年3月26日左右长时间连续出现室外空气湿球温度ts≤10℃, 可认为11月初至次年3月末是冷却塔直供冷技术可持续运行的时段。这里以典型气象年11月9日至次年3月26日作为计算时段, 冷却塔直供冷技术应用累计时间约为3 288h, 扣除放假、休息日的空调系统运行时间约为2 332h, 在此时段以外, 供冷还是由制冷站冷水机组提供冷水, 供热由厂区的供热锅炉提供热水。冷却塔直供冷技术的应用具有很大的节能潜力。
由文献[2]中的典型气象年逐时参数中的湿球温度ts≤10℃的统计时间与全年1—12月逐时湿球温度曲线图分析出的时间近似相等, 可知昆明地区湿球温度ts≤10℃的时间较连续, 有利于冷却塔直供冷技术的应用。
4 冷却塔直供冷技术在昆明地区卷烟厂恒温恒湿空调系统设计中应用分析
4.1 卷烟厂各生产车间室内设计参数的确定
YC/T 9—2015《卷烟厂设计规范》中规定的室内设计参数标准适用于全国所有气候区的卷烟厂, 昆明地区卷烟厂各生产车间室内设计参数应根据昆明地区当地气候特点、空调负荷特点、冬季围护结构耗热量、生产情况等因素综合确定。由于室内散热量较大, 且均大于冬季围护结构耗热量, 昆明地区卷烟厂各生产车间室内设计温度全年宜取规范允许值的上限值。
4.2 围护结构材料的选择
由于卷烟厂各生产车间室内设计温度 (27℃) 比昆明地区夏季空调室外计算干球温度 (26.2℃) 都高, 冬季围护结构耗热量经计算后也比室内产热设备等散热量小, 故可看出:基本上全年都是室内向室外的传热过程, 昆明地区卷烟厂围护结构宜采用导热系数大的材料;由于室内有恒温恒湿的要求, 围护结构宜采用蓄热系数大的材料。即在围护结构厚度相同的条件下, 选择热惰性系数较大的材料。但由于昆明地区太阳辐射较强, 围护结构外部 (包括屋顶) 应采用建筑外遮阳, 降低太阳辐射得热。
4.3 组合式空气处理机组表冷器的设计与校核
常规组合式空气处理机组表冷器的铭牌冷量均为标准工况 (冷水供回水温度为7℃/12℃) 下的冷量, 但由于冷却塔直供冷技术提供的冷水的温度会出现高于标准工况的情况, 需根据实际冷水温度对表冷器的选型进行复核计算。经与设备生产厂家的选型软件对实际工况的模拟分析, 为了最大限度地利用冷却塔直供冷技术为空调系统提供冷水, 必须适量增大表冷器的盘管数量, 以降低表冷器空气侧出风温度与冷水侧供水温度间的换热温差。经初步模拟分析, 冷却塔直供冷技术应用表冷器的盘管数宜为6排管或8排管。
4.4 冷却塔直供冷技术的系统形式选择
冷却塔直供冷技术应用分为直接供冷与间接供冷, 直接供冷常用组合为“开式冷却塔+过滤器+水处理”, 即经过开式冷却塔冷却后的冷水经过滤器、水处理设备处理过滤后, 通过水泵直接输送至空气处理机组的表冷器, 经表冷器与空气进行换热后再回到冷却塔冷却 (见图1) 。间接供冷常用组合为“闭式冷却塔或开式冷却塔+板式换热器”。从节约投资以及最大限度降低运行费用的角度出发, 以直接供冷效果最好, 周边环境的供水、空气质量等条件允许时应优先采用。但由于直接供冷采用开式冷却塔, 系统中的溶解氧较多, 管网和设备易腐蚀;需要增加克服静水压力的额外能耗, 水系统输送能耗增加。因此, 当采用直接供冷方式时, 应设置相应的水处理设备, 降低水中的溶解氧, 减少对管路及设备的腐蚀, 并尽量减小开式冷却塔布水管与积水盘之间的高差, 降低空调水系统管路的设置高度。
卷烟厂空调冷水机组常用冷却塔为开式逆流冷却塔, 冷水及冷却水管路均设置全自动自清洗过滤器 (如AMIAD的CTF-E15, 过滤等级达到了150~200目) , 水质稳定处理按GB 50050—2007《工业循环水处理设计规范》[5]的要求, 设置了普遍有效的化学法水质稳定处理控制装置, 为冷却塔采用直供冷的方式提供了必要条件。
4.5 冷却塔的设计与校核
冷却塔在设计选型时, 是以夏季冷负荷、夏季室外计算湿球温度为计算依据的。设计选型完成后, 还应结合全年空调负荷的变化情况, 对其在冷却塔直供冷模式下的供冷能力进行校核计算。考虑到在特定室外湿球温度和负荷下冷却塔冷却幅高随冷却塔填料尺寸和冷却水量的增大而减小, 对于多台冷却塔系统可采用串联冷却塔的方法来增加冷却效果, 提高冷却塔供冷模式的室外转换温度, 从而增加直接供冷时间。
5 结论
1) 各生产车间室内设计参数的选择应根据当地气候特点、空调负荷特点、冬季围护结构耗热量、生产情况等因素综合确定。
2) 生产厂房围护结构宜选择热惰性系数较大的材料, 并应采用建筑外遮阳。
3) 冷却塔直供冷技术宜优先选用“开式冷却塔+过滤器+水处理”的方式。
4) 冷却塔供水温度要尽可能高, 这样便能增加系统供冷时间, 最大程度地利用“免费”冷源。
5) 冷却塔直供冷技术应用的转换温度要根据当地气候特点、系统形式、冷却塔的配置容量、空气处理流程、室内设计参数等因素综合确定。
6) 组合式空调机组表冷器、冷却塔的选型计算需根据应用工况的不同分别进行校核计算。