论文部分内容阅读
[摘 要]M5高速卷烟机在卷烟生产过程中会产生一定的发热量，需要一直有冷却水进行冷却，否则会造成M5高速卷烟机停机。目前全国大部分烟厂是采用专用风冷冷水机组提供冷却水，而北京卷烟厂按照经济、科学、节能、有效的原则，根据现场情况和北京的气候情况采用了一种新型的供冷卻水方式，即冷却塔与制冷机联合供冷却水系统。系统在冷却塔供冷却水模式下采用室外冷却塔提供冷却水，在制冷机供冷却水模式下采用离心制冷机提供冷却水。
[关键词]M5高速卷烟机 冷却水 节能环保
中图分类号：M72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0226-02
北京卷烟厂卷包车间购置了两台M5高速卷烟机组（后期会增加至5台），M5高速卷烟机的生产能力为12000支/分钟。M5与卷包车间其它卷烟机主要不同之处在于其在生产时存在较大的发热量，需要一直有低温的冷却水进行冷却。具体参数如下表：
目前全国大部分烟厂采用的是专用风冷冷水机组提供冷却水，风冷冷水机组是根据卷烟厂KDF2、KDF3、KDF4等滤棒成型机和M5、M8、ZB47等高速卷烟机以及制丝线光电异物剔除设备等烟草线主要设备进行专题开发和研究的产品，其内部主要包括压缩机、蒸发器、轴流风机、水泵等设备和传感器、变送器、调节器、控制器、保护器等元器件。目前北京卷烟厂制丝车间白肋烟烘焙机的冷却干燥室采用的是风冷冷水机组提供冷却水，经过四年的运行发现，风冷冷水机组存在以下问题。
（1） 内部所包括的设备和控制元件较多，一旦出现故障时非专业人员很难及时处理，容易影响车间生产。
（2） 需要安装在空旷、通风良好的环境下，否则容易导致排气温度高而造成停机；另外设备噪音大，对职工健康有害。
（3） 在能够满足5台高速卷烟机使用的情况下，前期的采购成本和后期的维护费用高，每年需要专业的技术人员对其进行维护保养。
（4） 采用涡旋压缩机制冷和R22制冷剂（即将淘汰的制冷剂），不但设备能耗大，对环境也有害，相比冷却塔与制冷机联合供冷系统既不节能又不环保。
北京卷烟厂根据北京地区的气候特点和现场情况，创新性的设计出了冷却塔与制冷机联合供冷却水系统，系统分为冷却塔供冷却水模式和制冷机供冷却水模式。系统包括水箱、板式换热器、循环水泵、冷却塔、电动调节阀、流量计等设备及零部件。该系统初步设计能够供5台高速卷烟机组使用，相比风冷冷水机组供冷却水具有以下优点：
（1） 系统采用一用一备模式，所包括的设备和零部件简单，出现故障时维修人员能够及时处理，不会影响车间生产。
（2） 系统中的循环泵采用变频控制，冷却塔供冷却水模式下没有压缩机等高耗能设备，即环保又节能。
（3） 在能够满足5台高速卷烟机使用的情况下，新系统的前期采购安装成本低，后期也不需要专业的技术人员对其进行维护保养，节省资金。
（4） 系统安装与运行不受外界环境影响，只要有空间就可以进行安装，系统运行稳定，而且噪音小，对职工健康无影响。
目前北京卷烟厂卷包车间暂时有两台M5高速卷烟机组，后期会增加至5台，因此设计中考虑了节能的因素，系统中的循环泵均采用变频控制。冷却塔与制冷机联合供冷却水系统图如下：
系统中的冷却塔供冷却水模式采用了冷却塔供冷技术，冷却塔供冷技术是国外近年来发展较快的技术，因其具有显著的经济性而日益得到人们的广泛关注，并已成为国外设备厂家推荐的系统形式。冷却塔供冷技术又叫做免费供冷技术，即当室外湿球温度低至某个值以下时，利用室外大气作冷源，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接的向其它系统供冷，以达到节能的目的。我们知道冷却塔是利用部分冷却水蒸发吸热来降低冷却水温度的。冷却水理论上能够降低到的极限温度为当时室外空气的湿球温度，因此只要冷却水的温度能够降低到高速卷烟机组的要求供水温度（12—18℃）范围内，冷却塔供冷却水就能够应用在M5高速卷烟机组上。近几年北京地区的气象参数见下表：
从以上数据能够看出每年的1-4月份，10-12月份（共7个月份）的湿球温度明显低于M5高速卷烟机组的供水温度（12—18℃），即一年中有7个月份可以使用冷却塔供冷却水模式。
冷却塔供冷却水系统分为直接供冷却水和间接供冷却水。直接供冷却水即将流经冷却塔降温后的冷却水直接供给高速卷烟机组，系统中没有板式换热器；间接供冷却水即循环冷却水（板式换热器的一次侧介质）经过室外冷却塔降温之后，通过板式换热器与高速卷烟机组的冷却水回水（板式换热器的二次侧介质）进行换热，从而得到低温的高速卷烟机组冷却水供水。因为冷却塔供冷却水技术采用的是开式冷却塔，冷却水容易受外界环境的影响，从而导致冷却水水质较差。如果直接供给高速卷烟机组使用，会造成系统和高速卷烟机组内腐蚀或结垢，不但会缩短系统使用寿命，也会影响系统运行的稳定性，导致高速卷烟机组停机。而间接供冷却水采用了板式换热器，一次侧和二次侧介质相互不接触，即二次侧介质不受外界环境影响，不会导致系统和高速卷烟机组腐蚀或结垢，保证了系统运行的稳定性，因此本系统中采用间接供冷却水。
冷却塔供冷却水模式中参与运行的设备有一次侧循环泵、一次侧冷却塔和二次侧循环泵。冷却塔供冷却水模式中采用了以下节能方式：
（1） 一次侧和二次侧的循环泵运行频率根据二次侧的冷却水供水温度调节，即二次侧的供水温度较高（>16℃）时，一次侧和二次侧的循环泵会自动增加运行频率，相应的系统中的介质流量增大，换热量增大，二次侧的供水温度会随即降低。
（2） 一次侧的冷却塔运行与否根据一次侧的出水温度调节，即一次侧的出水温度较低（<15℃）时，冷却塔会自动停止运行。
经过2012年的运行情况来看，当室外湿球温度低于8℃时，即每年中的1-3月份，11-12月份，冷却塔均处于停止状态，即一次侧的冷却水通过与室外大气接触之后的冷量就能够满足高速卷烟机组的冷却水所需温度。另外当室外湿球温度相对较低时，一次侧和二次侧的循环泵会自动降低频率，系统中的介质流量降低，进而换热量降低，以保证二次侧的冷却水供水温度在要求的温度范围内。根据往年的运行记录，冷却塔供冷却水模式下的平均运行数据如下： 从以上数据能够算出，冷却塔供冷却水模式下系统运行总功率为7KW，而能够供两台高速卷烟机组使用的风冷冷水机组的制冷量为80KW，运行总功率（包含压缩机、水泵、风机）为35KW。因此在冷却塔供冷却水模式下，系統相比风冷冷水机组每年节省电量67200度，节省资金6.4万元。
每年的5-9月份期间，随着室外湿球温度的升高，通过冷却塔已不能够将冷却水降到高速卷烟机组的所需要求范围内，此时需要将冷却塔供冷却水模式切换到制冷机供冷却水模式。本系统中的制冷机供冷却水模式即每年的5-9月份期间，将联合工房就近的冷冻水作为板式换热器一次侧的介质，经过板式换热器换热之后，得到低温的二次侧高速卷烟机冷却水。本系统一次侧的联合工房冷冻水来自动力中心离心制冷机的冷冻水，离心制冷机的制冷量为3868KW，总装机功率为695KW，通常离心制冷机的冷冻水供水温度为7～12℃，如果直接将此冷冻水供给高速卷烟机组使用，会造成高速卷烟机组停机或者机组内出现冷凝水。因此为了满足二次侧高速卷烟机组冷却水12-18℃的要求，在制冷机供冷却水模式下，一次侧的冷冻水管道上增加了电动调节阀，电动调节阀根据二次侧的冷却水供水温度调节开度大小，从而控制一次侧的介质流量，进而调节系统换热量。
动力中心离心制冷机的制冷量为3868KW，轴功率为660KW，即离心制冷机的COP（制冷性能系数）为5.86，风冷冷水机组的制冷量为80KW，轴功率为30KW，即风冷冷水机组的COP为2.67，因此离心制冷机的性能系数大于风冷冷水机组的性能系数。即在相同制冷量的情况下，离心制冷机的耗电量小于风冷冷水机组的耗电量。因此在本系统中的制冷机供冷却水模式下，可以算出系统所需制冷量消耗的功率占离心制冷机总功率的0.021，即系统所需制冷量消耗的功率为14KW。另外二次侧循环泵的功率为4KW，即在制冷机供冷却水模式下，系统的总功率为18KW。而风冷冷水机组的总功率为35KW，因此在制冷机供冷却水模式下，系统每年比风冷冷水机组节能电量27200度，节省资金2.6万，而且离心制冷机采用环保制冷剂R134a，相比风冷冷水机组采用的制冷剂R22更环保。
综上所述，本系统在冷却塔供冷却水模式下相比风冷冷水机组每年节省资金6.4万元，在制冷机供冷却水模式下，系统每年比风冷冷水机组节省资金2.6万，因此每年本系统在运行成本上比风冷冷水机组节约资金9万元。
根据北京地区的气候特点和北京卷烟厂生产车间的发热量，参照往年的运行记录表，每年联合工房的供冷时间在4月中旬到10月中旬，即动力中心离心制冷机的开启时间在4月中旬到10月中旬，从而本系统中的制冷机供冷却水模式可以在4月中旬到10月中旬之间运行。而冷却塔供冷却水模式的时间能够从上一年的9月下旬持续到第二年的5月上旬，因此本系统中冷却塔供冷却水模式和制冷机供冷却水模式能够连接上，全年没有间断的时候发生。但是为了更长时间的运行相对节能的冷却塔供冷却水模式，本系统每年有超过7个月的时间在运行冷却塔供冷却水模式。另外冷却塔供冷却水模式和制冷机供冷却水模式之间通过电动阀切换，简单易操作。 由于冷却塔供冷却水主要在过渡季节及冬季运行，而北京地区的冬季温度都可能在0℃以下，因而室外冷却塔一般会在温度最低的进风口处和填料处产生结冰（局部结冰不影响冷却塔正常使用）。但是对于不同类型的冷却塔，产生结冰的程度不同。各种冷却塔对比如下：
（1）横流塔：大面积填料暴露在进风处，且内部填料处于半干半湿状态，冷却塔相对容易结冰。
（2）逆流塔：除小面积进风口处外，填料基本处于有一定流速的水流包围中，相对横流塔不易结冰。因此本系统中采用不易结冰的逆流塔。
北京卷烟厂卷包车间引进高速卷烟机组时，为了配置供冷却水系统，技术人员曾咨询过风冷冷水机组厂家，每台风冷冷水机组（供两台高速卷烟机组使用）的初步投资为80万元，北京卷烟厂的高速卷烟机组后期增加至5台的话，初步投资就需要240万元。而本系统至少能够供给5台高速卷烟机组使用，初步投资为140万元，本系统从投资成本上能够节约100万元。另外风冷冷水机组每年需要专业技术人员维护，每年的维护费用为十几万元，而本系统简单易维修，不需要专业维护，机电维修人员就能够解决故障，因此不会有维护费用发生。
冷却塔与制冷机供冷却水系统在运行了近两年之后，一直运行稳定可靠，还没有出现过故障，导致高速卷烟机组停机的情况发生。因此建议与北京地区有相同气候特点的卷烟厂，当车间设备需用冷却水时，可以采用冷却塔与制冷机联合供冷却水系统。
参考文献：
[1] 电子工业部第十设计研究院主编《空气调节设计手册》 中国建筑工业出版社 1995年11月第二版。
[2] 陈跃宗、姜文源、胡鹤钧主编 王浩明主审《建筑给排水设计手册》中国建筑工业出版社 1992年12月第一版。
[关键词]M5高速卷烟机 冷却水 节能环保
中图分类号：M72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0226-02
北京卷烟厂卷包车间购置了两台M5高速卷烟机组（后期会增加至5台），M5高速卷烟机的生产能力为12000支/分钟。M5与卷包车间其它卷烟机主要不同之处在于其在生产时存在较大的发热量，需要一直有低温的冷却水进行冷却。具体参数如下表：
目前全国大部分烟厂采用的是专用风冷冷水机组提供冷却水，风冷冷水机组是根据卷烟厂KDF2、KDF3、KDF4等滤棒成型机和M5、M8、ZB47等高速卷烟机以及制丝线光电异物剔除设备等烟草线主要设备进行专题开发和研究的产品，其内部主要包括压缩机、蒸发器、轴流风机、水泵等设备和传感器、变送器、调节器、控制器、保护器等元器件。目前北京卷烟厂制丝车间白肋烟烘焙机的冷却干燥室采用的是风冷冷水机组提供冷却水，经过四年的运行发现，风冷冷水机组存在以下问题。
（1） 内部所包括的设备和控制元件较多，一旦出现故障时非专业人员很难及时处理，容易影响车间生产。
（2） 需要安装在空旷、通风良好的环境下，否则容易导致排气温度高而造成停机；另外设备噪音大，对职工健康有害。
（3） 在能够满足5台高速卷烟机使用的情况下，前期的采购成本和后期的维护费用高，每年需要专业的技术人员对其进行维护保养。
（4） 采用涡旋压缩机制冷和R22制冷剂（即将淘汰的制冷剂），不但设备能耗大，对环境也有害，相比冷却塔与制冷机联合供冷系统既不节能又不环保。
北京卷烟厂根据北京地区的气候特点和现场情况，创新性的设计出了冷却塔与制冷机联合供冷却水系统，系统分为冷却塔供冷却水模式和制冷机供冷却水模式。系统包括水箱、板式换热器、循环水泵、冷却塔、电动调节阀、流量计等设备及零部件。该系统初步设计能够供5台高速卷烟机组使用，相比风冷冷水机组供冷却水具有以下优点：
（1） 系统采用一用一备模式，所包括的设备和零部件简单，出现故障时维修人员能够及时处理，不会影响车间生产。
（2） 系统中的循环泵采用变频控制，冷却塔供冷却水模式下没有压缩机等高耗能设备，即环保又节能。
（3） 在能够满足5台高速卷烟机使用的情况下，新系统的前期采购安装成本低，后期也不需要专业的技术人员对其进行维护保养，节省资金。
（4） 系统安装与运行不受外界环境影响，只要有空间就可以进行安装，系统运行稳定，而且噪音小，对职工健康无影响。
目前北京卷烟厂卷包车间暂时有两台M5高速卷烟机组，后期会增加至5台，因此设计中考虑了节能的因素，系统中的循环泵均采用变频控制。冷却塔与制冷机联合供冷却水系统图如下：
系统中的冷却塔供冷却水模式采用了冷却塔供冷技术，冷却塔供冷技术是国外近年来发展较快的技术，因其具有显著的经济性而日益得到人们的广泛关注，并已成为国外设备厂家推荐的系统形式。冷却塔供冷技术又叫做免费供冷技术，即当室外湿球温度低至某个值以下时，利用室外大气作冷源，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接的向其它系统供冷，以达到节能的目的。我们知道冷却塔是利用部分冷却水蒸发吸热来降低冷却水温度的。冷却水理论上能够降低到的极限温度为当时室外空气的湿球温度，因此只要冷却水的温度能够降低到高速卷烟机组的要求供水温度（12—18℃）范围内，冷却塔供冷却水就能够应用在M5高速卷烟机组上。近几年北京地区的气象参数见下表：
从以上数据能够看出每年的1-4月份，10-12月份（共7个月份）的湿球温度明显低于M5高速卷烟机组的供水温度（12—18℃），即一年中有7个月份可以使用冷却塔供冷却水模式。
冷却塔供冷却水系统分为直接供冷却水和间接供冷却水。直接供冷却水即将流经冷却塔降温后的冷却水直接供给高速卷烟机组，系统中没有板式换热器；间接供冷却水即循环冷却水（板式换热器的一次侧介质）经过室外冷却塔降温之后，通过板式换热器与高速卷烟机组的冷却水回水（板式换热器的二次侧介质）进行换热，从而得到低温的高速卷烟机组冷却水供水。因为冷却塔供冷却水技术采用的是开式冷却塔，冷却水容易受外界环境的影响，从而导致冷却水水质较差。如果直接供给高速卷烟机组使用，会造成系统和高速卷烟机组内腐蚀或结垢，不但会缩短系统使用寿命，也会影响系统运行的稳定性，导致高速卷烟机组停机。而间接供冷却水采用了板式换热器，一次侧和二次侧介质相互不接触，即二次侧介质不受外界环境影响，不会导致系统和高速卷烟机组腐蚀或结垢，保证了系统运行的稳定性，因此本系统中采用间接供冷却水。
冷却塔供冷却水模式中参与运行的设备有一次侧循环泵、一次侧冷却塔和二次侧循环泵。冷却塔供冷却水模式中采用了以下节能方式：
（1） 一次侧和二次侧的循环泵运行频率根据二次侧的冷却水供水温度调节，即二次侧的供水温度较高（>16℃）时，一次侧和二次侧的循环泵会自动增加运行频率，相应的系统中的介质流量增大，换热量增大，二次侧的供水温度会随即降低。
（2） 一次侧的冷却塔运行与否根据一次侧的出水温度调节，即一次侧的出水温度较低（<15℃）时，冷却塔会自动停止运行。
经过2012年的运行情况来看，当室外湿球温度低于8℃时，即每年中的1-3月份，11-12月份，冷却塔均处于停止状态，即一次侧的冷却水通过与室外大气接触之后的冷量就能够满足高速卷烟机组的冷却水所需温度。另外当室外湿球温度相对较低时，一次侧和二次侧的循环泵会自动降低频率，系统中的介质流量降低，进而换热量降低，以保证二次侧的冷却水供水温度在要求的温度范围内。根据往年的运行记录，冷却塔供冷却水模式下的平均运行数据如下： 从以上数据能够算出，冷却塔供冷却水模式下系统运行总功率为7KW，而能够供两台高速卷烟机组使用的风冷冷水机组的制冷量为80KW，运行总功率（包含压缩机、水泵、风机）为35KW。因此在冷却塔供冷却水模式下，系統相比风冷冷水机组每年节省电量67200度，节省资金6.4万元。
每年的5-9月份期间，随着室外湿球温度的升高，通过冷却塔已不能够将冷却水降到高速卷烟机组的所需要求范围内，此时需要将冷却塔供冷却水模式切换到制冷机供冷却水模式。本系统中的制冷机供冷却水模式即每年的5-9月份期间，将联合工房就近的冷冻水作为板式换热器一次侧的介质，经过板式换热器换热之后，得到低温的二次侧高速卷烟机冷却水。本系统一次侧的联合工房冷冻水来自动力中心离心制冷机的冷冻水，离心制冷机的制冷量为3868KW，总装机功率为695KW，通常离心制冷机的冷冻水供水温度为7～12℃，如果直接将此冷冻水供给高速卷烟机组使用，会造成高速卷烟机组停机或者机组内出现冷凝水。因此为了满足二次侧高速卷烟机组冷却水12-18℃的要求，在制冷机供冷却水模式下，一次侧的冷冻水管道上增加了电动调节阀，电动调节阀根据二次侧的冷却水供水温度调节开度大小，从而控制一次侧的介质流量，进而调节系统换热量。
动力中心离心制冷机的制冷量为3868KW，轴功率为660KW，即离心制冷机的COP（制冷性能系数）为5.86，风冷冷水机组的制冷量为80KW，轴功率为30KW，即风冷冷水机组的COP为2.67，因此离心制冷机的性能系数大于风冷冷水机组的性能系数。即在相同制冷量的情况下，离心制冷机的耗电量小于风冷冷水机组的耗电量。因此在本系统中的制冷机供冷却水模式下，可以算出系统所需制冷量消耗的功率占离心制冷机总功率的0.021，即系统所需制冷量消耗的功率为14KW。另外二次侧循环泵的功率为4KW，即在制冷机供冷却水模式下，系统的总功率为18KW。而风冷冷水机组的总功率为35KW，因此在制冷机供冷却水模式下，系统每年比风冷冷水机组节能电量27200度，节省资金2.6万，而且离心制冷机采用环保制冷剂R134a，相比风冷冷水机组采用的制冷剂R22更环保。
综上所述，本系统在冷却塔供冷却水模式下相比风冷冷水机组每年节省资金6.4万元，在制冷机供冷却水模式下，系统每年比风冷冷水机组节省资金2.6万，因此每年本系统在运行成本上比风冷冷水机组节约资金9万元。
根据北京地区的气候特点和北京卷烟厂生产车间的发热量，参照往年的运行记录表，每年联合工房的供冷时间在4月中旬到10月中旬，即动力中心离心制冷机的开启时间在4月中旬到10月中旬，从而本系统中的制冷机供冷却水模式可以在4月中旬到10月中旬之间运行。而冷却塔供冷却水模式的时间能够从上一年的9月下旬持续到第二年的5月上旬，因此本系统中冷却塔供冷却水模式和制冷机供冷却水模式能够连接上，全年没有间断的时候发生。但是为了更长时间的运行相对节能的冷却塔供冷却水模式，本系统每年有超过7个月的时间在运行冷却塔供冷却水模式。另外冷却塔供冷却水模式和制冷机供冷却水模式之间通过电动阀切换，简单易操作。 由于冷却塔供冷却水主要在过渡季节及冬季运行，而北京地区的冬季温度都可能在0℃以下，因而室外冷却塔一般会在温度最低的进风口处和填料处产生结冰（局部结冰不影响冷却塔正常使用）。但是对于不同类型的冷却塔，产生结冰的程度不同。各种冷却塔对比如下：
（1）横流塔：大面积填料暴露在进风处，且内部填料处于半干半湿状态，冷却塔相对容易结冰。
（2）逆流塔：除小面积进风口处外，填料基本处于有一定流速的水流包围中，相对横流塔不易结冰。因此本系统中采用不易结冰的逆流塔。
北京卷烟厂卷包车间引进高速卷烟机组时，为了配置供冷却水系统，技术人员曾咨询过风冷冷水机组厂家，每台风冷冷水机组（供两台高速卷烟机组使用）的初步投资为80万元，北京卷烟厂的高速卷烟机组后期增加至5台的话，初步投资就需要240万元。而本系统至少能够供给5台高速卷烟机组使用，初步投资为140万元，本系统从投资成本上能够节约100万元。另外风冷冷水机组每年需要专业技术人员维护，每年的维护费用为十几万元，而本系统简单易维修，不需要专业维护，机电维修人员就能够解决故障，因此不会有维护费用发生。
冷却塔与制冷机供冷却水系统在运行了近两年之后，一直运行稳定可靠，还没有出现过故障，导致高速卷烟机组停机的情况发生。因此建议与北京地区有相同气候特点的卷烟厂，当车间设备需用冷却水时，可以采用冷却塔与制冷机联合供冷却水系统。
参考文献：
[1] 电子工业部第十设计研究院主编《空气调节设计手册》 中国建筑工业出版社 1995年11月第二版。
[2] 陈跃宗、姜文源、胡鹤钧主编 王浩明主审《建筑给排水设计手册》中国建筑工业出版社 1992年12月第一版。