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杭州卷烟厂全年多工况Multizone

  • 项目概况及系统组成介绍

         为加快企业技术升级和创建知名品牌,浙江中烟杭州卷烟厂于2009年5月启动 “十一五”易地技术改造,2011年4月竣工投产,设计规模年产卷烟100万箱。新建联合厂房各区域生产工艺需要高精度的温湿度环境,需要配备中央通风空调系统和配套的自动控制系统,其中制丝工段26台工艺恒温恒湿空调机组、全厂58台套空调自控及能源监控系统均选用了北京康孚科技公司提供的恒温恒湿节能空气处理机组和全年多工况Multizone监控系统的产品。   

         杭州卷烟厂位于风景秀丽的旅游城市-杭州市,新建厂区建筑面积约60多万平方米,包括现代化的联合工房、科研办公大楼、仓储物流中心、动力中心等各类配套设施。  

    新建的联合工房采用混合结构建筑,主体建筑为单层,局部为二、三层,单层部分主要为网架结构,多层部分为框架结构。联合工房东西长445.8m,南北宽375.4m。新建联合工房包括片烟配方入库区、真空回潮间、糖料厨房、预配储叶房、制丝车间、贮叶房、掺兑区、掺配叶丝高架库、成品烟丝高架库、残烟处理间、喂丝间、卷接包车间、成品周转高架库、辅料周转高架库、成品库、滤棒成型发射间、成品出库区、辅料搭配区、分拣码垛区、办公生活辅助间以及空调、除尘等动力设备辅助用房等。  

    联合工房各生产区域采用全空气中央通风空调系统,共配备58台工艺性组合式空调机组,包括双风机变频空调机组和单风机变频空调机组。双风机变频空调机组,其功能段一般包括回风机段、中高效滤筒过滤段、新排回风段、初效过滤段、表冷段、加热段、干蒸汽加湿段和送风机段,单风机变频空调机组,其功能段一般包括新回风混合段、中高效滤筒过滤段、表冷段、中间段、加热段、干蒸汽加湿段和送风机段。空调总风量达514万m3/h,总装机功率达4689kW。空调系统配置PLC自动控制系统,以保证各生产区域的恒温恒湿工艺要求和空调系统的节能运行。空调系统的冷源由动力中心集中制冷站提供,夏季冷冻供回水温度的额定工况为7/12℃;冬季采用冷却塔供冷,供回水工况为12/16℃。空调系统热源来自动力中心锅炉房饱和蒸汽,在空调机房减压后至0.2~0.4MPa。   

    全年多工况Multizone监控系统采用3套GEiFIX中央监控系统,监控设备包括联合工房58台工艺性组合式空调机组、58套(65台)排烟风机、52台辅房新风和柜式空调机组、3台真空泵、冷却塔及制冷设备等。    

    监控系统(能源系统集成)采用三层网络结构,即由信息管理层(中央监控层)、过程控制管理层和末端设备管理层组成,末端设备采用中央处理器CPU315-2DP(SIEMENS)的产品,总监控点:AI,2515点;AO,567点;DI,1095点;DO,214点,另外检测新、送、回风风量的44套EBTRON风量计采用ModBus-RTU 通讯,179台套变频风机、触摸屏采用ProfiBus-DP 通讯。监控系统(能源系统集成)的网络结构如下图所示:


    卷烟厂空调自控系统的复杂性及成功的解决方案

         卷烟厂的生产工艺和产品质量需要高精度的温湿度环境,同时车间温湿度控制精度又是动力车间的重要考核指标,空调自控系统已成为现代化卷烟厂运营必不可少的支撑设备。然而,卷烟厂中央空调系统为满足车间全年的温湿度精度指标,配备了众多的热湿处理设备,常见的有表冷器、加热器、干蒸汽加湿器、高压喷雾、新风/回风/排风阀、风机变频等。同时空调系统的温度、相对湿度是两个相互关联并对立的参数,卷烟厂各车间需要将两者均恒定在一定精度的范围内。因此和其它行业相比,烟厂空调自控系统在技术上更为复杂,自控系统应根据室外季节气候条件和车间热湿负荷变化来优化空调热湿处理设备的各种组合,找准各种室内外工况条件下的最佳温湿度控制回路的执行机构,否则不仅达不到车间所需的温湿度精度,而且造成能源的巨大浪费。  

         北京康孚科技股份有限公司凭借自身在空调和自动化技术两方面的优势,发扬“诚信、创新、严谨、共赢”的康孚精神,经过十多年烟草行业空调自控项目的实践、研究和总结,开发的Multizone空调全年多工况恒温恒湿节能控制系统,有效地解决了卷烟厂空调系统热湿处理过程的复杂性,为卷烟厂车间恒温恒湿控制和空调系统的节能运行提供了全套的专业化解决方案。全套的专业化解决方案包括康孚科技Multizone多工况恒温恒湿节能控制软件、当地室外气象参数数据库前馈控制、PID自适应控制、分程调节、送风参数串级控制、空调变风量节能控制、变水温节能控制等多种技术。   

         有关Multizone多工况节能控制技术的精髓之一,就是找准各工况的分区界限,合理调节新回风的风量比例,当空气的混合点经过空调功能段热湿处理时,可以消耗最少的制冷量、加热量或加湿量,就可以满足车间温湿度的精度要求。请看下图,康孚Multizone多工况节能控制与常规控制的区别。    


    全年多工况分区节能控制技术

         针对浙江省杭州地区的室外气象特点,本公司在实际编程应用时将杭州地区全年气候分为5各工况区域,每个工况区域制订最合理、最节能的温湿度控制模型,找准各工况区域的温湿度控制的执行机构。各工况区域的边界条件如下:      

         除湿与加湿分区边界:当新回风混合状态点(C)的含湿量大于或等于送风状态点(O)的含湿量,即dc≥dOS时,此季节工况对空气进行除湿,否则对空气进行加湿。       

         加热与冷却分区边界:当新回风混合状态点(C)的温度大于或等于送风状态点(O)的温度,即tc≥tOS时,此季节工况对空气进行冷却,否则对空气进行加热。          

         新风节能控制原则:除湿季节工况(dC≥dOS)时,若室外空气焓值大于或等于回风焓值,即iW≥iR时,采用最小新风;若iW<iR,采用最大新风。加湿季节工况(dC<dOS)时,有冷却塔供冷时,采用最小新风。否则调节新回风比保证送风温度,利用新风冷源。          

         下图为本项目空调全年多工况节能控制方案在工况1区、2区的控制策略示范。更详细资料可查阅文献《中央通风空调系统节能控制策略探讨[J]》(.北京:智能建筑,2008年第2、3、4期(连载),总第90、91、92期)     


    杭州卷烟厂空调全年多工况分区节能控制方案(部分)


    送风参数串级控制技术

         相对于常规中央空调系统,卷烟厂联合工房属于高大空间建筑,各生产区域车间面积大,吊顶高,室内工艺设备产热量大。比如本次技改项目联合工房的制丝车间面积20994m2,吊顶层高8.5m,卷包车间面积15400m2,吊顶层高6m。建筑特性和工艺发热设备布局导致了车间温湿度场在水平和垂直方向上均存在不均匀性,因此卷烟厂常依据室内温湿度传感器的平均值作为控制参考点。然而,在空调自控系统调节过程中,从执行机构(如表冷、加热、加湿阀)的动作发生变化到车间温湿度传感器感应出来,存在较大的滞后时间(约5~8分钟)。常规以室内温湿度传感器为控制参考点的单级控制回路,往往导致送风温湿度参数的超调现象,这样不仅会发生因送风湿度过饱和的“飘水”质量事故,而且车间温湿度参数波动较大,控制精度不高。     

         为解决常规控制方案的不足,本项目将空调系统的送风温湿度参数作为中间变量进行串级控制。自控系统先根据室内温湿度参数与设定值的偏差进行PI闭环运算,输出送风温湿度参数的需求值,以此需求值作为送风温湿度参数的设定值进行二次PI闭环运算,输出相应执行机构的控制信号。由于送风温湿度参数对空调的执行机构(如表冷、加热、加湿阀)的动作响应是迅速的,因此串级控制大大提高了自控系统的动态调节品质。控制原理如下图所示(以相对湿度控制回路为例):


    送风相对湿度串级控制原理图


         自控系统经调试投入运行后,空调系统的送风温湿度运行参数随室外温湿度参数作相应平稳波动,车间温湿度控制精度得到了大大提高。


    变风量节能控制技术

         空调系统风量一般是按夏季最大冷负荷设计选型的。卷烟厂夏季空调冷负荷中,工艺设备、照明发热量约占70%~80%,围护结构传热量约占20%~30%,后者随室外季节气象条件而变化。实际上最大冷负荷在全年出现的时间很短甚至不出现,当室外空气温度tw﹤室内设计温度tn时,通过围护结构的传热量是负值(如冬季工况)。当室内冷负荷变小时,如果空调定风量运行,一方面浪费风机电耗,另一方面空调机组在除湿季节会出现再热,造成冷热量抵消,浪费能源。由于空调风机功率与风量近似成三次方关系,降低空调运行风量,节能效果十分明显。     

         杭州烟厂联合工房58台工艺性空调机组的总装机功率4689kW,若采用定风量运行,每年电费约1000万元左右。为实现空调机组变风量节能运行,空调送回风机全部配置变频器。根据空调风量计算公式,同样空调负荷下,送风温差越大系统所需风量越小。本项目采用“最大送风温差法”对空调系统进行变风量节能控制。比如:针对卷接包车间的双风机空调系统,送回风机的变频控制方案如下:        

         送风机变频控制:夏季除湿工况,固定最低送风温度(接近于露点温度),保证最大送风温差,通过车间温度控制送风机的运行频率。送风温度通过调节表冷阀开度和加热阀开度(微调或不开)来保证。过渡季加湿工况,车间空调负荷逐渐减小,当空调风量调节到最低限值(如设计风量的75%)时,风机固定在最低频率下运行。此时自控系统改为变送风温度控制,直至冬季工况。      

         回风机变频控制:对于本项目部分空调装有回风风量计的系统,根据车间正压要求,制定送风量与回风量的合理差值范围。回风机频率按送回风量的合理差值跟随送风机频率进行调节(但不一定同频率调节)。对于没有回风量监测的系统,回风机频率与排风阀、新风阀进行联动控制,以保证新风口处的“零压”状态。       

         对于本项目部分车间采用的双风机空调系统,如下图所示,由于排风、新风、回(混)风集中在同一功能段,段长很短,在此功能段中空气压力分布从“正压”(排风)过渡到“负压”(新风),其中存在“零压”保证问题。由于设计的送回风机压头很难与风管实际阻力匹配,自控系统在对新风阀、排风阀、回风阀进行联动调节时,尤其对于变风量空调系统,很难保证准确的“零压”位置,经常发生新风从排风口发生“倒灌”、或新风口变成排风的现象,结果新风负荷或冷源不能被合理利用,造成能源浪费或车间正压无法保证现象。

    双风机空调机组内部压力分布及“零压”调节方案


         为此,本项目在空调机组的排风口、新风口处配置风向压差传感器,监测排风道、新风道内的压力与大气的压差。比如,对于排风道,若风道内压力与大气压差为正值(设定值为+30Pa),说明排风正常;若压差为负压,说明排风道内发生了“新风倒灌”现象。控制方案:若压差低于+30Pa时,自控系统对回风机的频率、排风阀、回风阀进行联动控制,并优先调节回风机频率,以保证新风、排风正常工作。


    变水温节能控制技术

         和常规建筑空调相比,卷烟厂各生产车间相对湿度的设定值较高,大部分车间在60%RH左右,有的车间(如制丝车间)要求70%RH左右。由于卷烟生产过程中工艺设备产热量远远大于产湿量,并且烟丝在输送过程中吸收周围空气中的水份,造成部分车间湿负荷为负值,因此烟厂大部分车间热湿比接近于+∞。以卷接包车间为例,当室内温湿度设定在25℃,60%RH时,从下图所示焓湿图上可看出,对应的“机器露点”温度为18℃;若室内设定在27℃,60%RH,对应的“机器露点”温度为20℃[2]。从空调表冷器换热角度考虑,与如此高的“机器露点”温度相匹配的最佳冷冻水供水温度为10℃和12℃(保守数据)。

    图:室内设定点对应的露点温度焓湿图分析


         因此,从空调末端角度考虑,即使在夏季除湿工况下制冷机也不需要在7℃额定供水工况下工作,可提高至9℃~10℃左右。对于杭州过渡季节,空调末端表冷器对冷冻供水温度需求可进一步提高。图7-4为本项目所选用TRANE离心式制冷机组在不同供水温度下的能耗特性曲线。从图中可以看出,冷冻供水温度每提高1℃,同样的制冷能力输出时制冷机组的消耗功率降低4%左右[2]。


    图: TRANE离心制冷机在不同水温下的能耗特性


         本项目通过对各车间空调露点温度需求计算和所有空调末端表冷阀开度监测进行综合分析、计算,判断空调末端系统对冷冻供水温度的需求状况,制定制冷机组冷冻供水温度设定值。自控系统则通过与制冷机组自带控制器通讯方式进行冷冻供水温度再设定,达到自动变冷冻供水温度功能。每次冷冻水温度变化步长设为±0.5℃,每次变冷冻供水温度设定后,制冷机组需运行30分钟后再进行下一次判断。下图为变水温节能控制程序流程框图。

    图:变冷冻水温度节能控制程序框图



    节能控制现场测试结果

         杭州烟厂空调系统投入运行后,由第三方(国家空调设备质量监督检验中心)于2012年7月~8月(夏季)对空调节能控制效果进行了现场测试。主要测试数据和结论如下,具体详见国家空调设备质量监督检验中心出具的《杭州卷烟厂联合工房恒温恒湿空调及自控系统节能测试报告》(北京:国空质检(委)字(2012)第GZA083号,2012.) 

      

       (1)卷接包车间温湿度控制精度及均匀性测试结果摘录:

         2012年7月25日19:00~7月26日19:00,卷包车间区域内所选5个测点的温湿度的变化曲线详见图7-8、图7-9所示。卷包车间K42空调机组送、回风温湿度的变化曲线如图7-10、图7-11所示,风量计显示的送、新风量的变化曲线如图7-12所示。测试时间段内,卷包车间控制区域所选5个测点的温度均控制在24±1℃,5个测点温度平均值为24.0℃,最高温度24.4℃,最低温度23.3℃;相对湿度均控制在58±5%,5个测点相对湿度平均值为60.2%,最高相对湿度62.2%,最低相对湿度57.8%。


       (2)风量计监测的风量值与实测值的偏差

         现场对卷包车间K42空调机组送风量、新风量实测值与风量计监测值进行了对比测试,结果显示送风量的监测精度达±2%以内。下表为新风量实测值与风量计监测值对比测试结果。从表中可以看出,尽管新风道的直管段很短,风量计的监测精度仍然保持在达±3%以内。

    下表:新风量实测值与风量计监测值测试结果


       (3)新风/排风/回风处“零压”点是否存在

         系统自动控制运行模式下,在送风机频率40.0Hz,回风机频率49.0Hz,新风阀开度14.4%,排风阀开度14.4%,混风阀开度86.2%的状态下测试,新风/排风的新回风混合阀附近存在“零压”点,其中排风管静压为20Pa,新风管静压为-160Pa。


       (4)定风量和变风量自控运行的空调能耗对比

         2012年7月30日9:50 - 2012年7月31日9:50,将卷包车间K42空调机组设定在定风量自控状态下运行;2012年7月31日9:50 - 2012年8月1日9:50,将该机组改在变风量自控状态下运行,对比两种状态下的空调运行能耗。测试期间,室外空气温湿度条件相近,变风量相对于定风量运行时,室外空气温度平均值升高0.7℃,相对湿度平均值上升3.3%。卷包车间生产设备均全部开启,生产负荷相近。测试期间,K42对应的卷包控制区域所选5个测点的温度均控制在24±1℃,相对湿度均控制在58±5%。       

         采用定风量和变风量自控运行时,测试时间段内K42空调机组送风温湿度的变化曲线如下表所示。可以看出,变风量自控运行状态下,空调送风温度明显比定风量状态下低,此时加热阀(再热)开度几乎为零,避免了冷热抵消现象。

    表: 定风量与变风量空调机组送风温湿度的测试记录

         采用定风量和变风量自控运行时,测试时间段内,K42空调机组用电量详见下表所示。采用定风量自控运行时,K42空调机组送、回风机累计耗电量为2485kWh,采用变风量自控运行时,K42空调机组送、回风机累计耗电量为875kWh,变风量自控运行相对于定风量自控运行,K42空调机组送回风机累计耗电量减少了64.8%。测试期间空调处于夏季除湿工况,加湿阀关闭,变风量自控状态下只调节表冷阀,定风量自控状态下除调节表冷阀外,还调节加热阀(再热)。两种状态下,表冷除湿焓降一样,变风量自控状态下风量较小,带走的冷量也较小,且不存在冷热抵消现象。因此,变风量自控状态下的空调机组的整体能耗节约率远高于风机的电耗节约率。

    表:K42空调机组在定风量和变风量自控状态下电耗测试记录








       


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