卷煙廠綜合熱源節能熱水系統應用

喬建國，張 冊

（江蘇中煙工業有限責任公司徐州卷煙廠，江蘇徐州 221005）

0 引言

卷煙廠熱水系統傳統應用于洗浴和采暖，大多為孤立系統，因卷煙制造工藝需要用到蒸汽，熱水系統一般也采用蒸汽作為熱源，存在熱水應用面窄、熱源單一、耗能較大、系統分散、蒸汽上游生產環境污染嚴重等弊端。拓展熱源采集和熱水應用領域，構建卷煙廠在熱水系統節能建設和改造升級過程中的全局思路，探索開發卷煙廠綜合熱源節能熱水系統具有重要意義。

1 系統設計原則及目標

綜合熱源節能熱水系統首先要解決卷煙廠熱水供應熱源單一問題，其次要重點解決系統分散孤立，無法實現熱量綜合互補、熱水統籌利用，產生能源浪費等問題，為此將系統的設計原則和目標確定如下。

（1）最大限度綜合利用可再生資源。作為熱水系統熱源，傳統蒸汽具有供應穩定、供熱均勻等優點，但也存在耗能大、上游生產環境污染嚴重等問題，為此在綜合熱源系統中要盡可能利用可再生資源，如太陽能[1]、風能、空氣能、地熱能和水熱能等，發揮可再生資源循環再生、取之不盡、用之不竭、清潔環保的優勢，除此之外還須考慮盡可能利用卷煙廠現有工藝系統余熱，降低綜合能耗。

（2）確保熱水供應穩定。卷煙廠的核心業務是要能實現穩定的生產和運營，系統設計中要考慮采用蒸汽或電能等可控熱源作為有效補充，確保企業生產、生活熱水供應穩定。

（3）實現熱水系統綜合供應管理。解決當前卷煙廠眾多熱水系統分散孤立問題，建立以熱水為介質的統一熱量存儲、交換中心，將多種熱源采集到的熱量統一存儲，統籌供應到洗浴、采暖、空調、清洗等不同的應用領域，實現熱量統籌利用、綜合互補，提高能源利用效率，避免浪費。

（4）實現系統精益運行。系統包含多熱源采集和多領域供熱。多熱源采集方面，須按照熱源能耗、品質、穩定性等綜合評定后設定采集優先級，在熱水應用負荷低時，優先應用能耗低、品質優、穩定性高的熱源供熱，少用或停用低優先級熱源，在熱水負荷上升時逐級補充。多領域供熱方面，須根據重要性進行分級，如在熱量不足時，優先保證洗浴，其次保證生產用中央空調，最后保證采暖和清洗等。系統設備選型按照能力大小梯級配置，運行模式根據企業需求設定多種策略[2]，實現系統精益運行。

（5）具備可擴展性。采用模塊化設計的原則，既要保證系統中多熱源、多應用模塊的獨立性，也要確保留有標準的接口，具備后續熱源增補和應用拓展的可行性。

2 多熱源選擇

通過對當前建設工程市場較為成熟的熱水生產節能技術調研，結合行業內多家卷煙廠熱水系統熱源應用實際，從熱源的采集原理、技術成熟度、性能特點和經濟性進行綜合分析（表1），確定卷煙廠綜合熱源節能熱水系統中的熱源選擇。

通過表1 對比分析，卷煙廠熱水系統在熱源選擇上，應優先選擇使用太陽能，同時利用好工藝設備余熱，在資金、當地環境等條件允許情況下盡可能的通過熱泵技術，增加空氣能、地熱能、水熱能等較為穩定、清潔的可再生熱源應用，最后還應綜合考慮生產、生活熱水負荷穩定性的需求，以卷煙生產中常備蒸汽作為備用熱源，按照太陽能—工藝余熱—可再生低品位熱源—蒸汽進行熱源優先級設定。對于不同的工藝余熱類型之間，以及條件允許情況下同時配備的空氣能、地熱能、水熱能之間的熱源優先級，可根據卷煙廠具體情況進行細分。

表1 多熱源綜合對比分析

3 卷煙廠綜合熱源節能熱水系統

卷煙廠綜合熱源節能熱水系統主要包括補水系統、綜合蓄熱保溫水箱[2]、主熱源采集、備用熱源采集、供熱循環系統、熱水應用和全過程監控系統等（圖1）。

圖1 綜合熱源節能熱水系統架構

3.1 補水系統

選用自來水作為補水水源，在進入熱水系統前，設置相應容量的水處理設備對自來水進行過濾、軟化處理，降低整個熱水系統結垢、堵塞風險。水處理設備可采用離子交換工藝或反滲透膜過濾工藝，一般來說離子交換工藝設備占地較大，投資較低，反滲透膜過濾工藝系統簡潔，但投資較高，卷煙廠可根據需要選擇配置。若廠區有統一的水處理設備，也可直接采用處理后的軟水作為補水水源。

3.2 主熱源采集

卷煙廠內各單體建筑較多，其中聯合工房、庫房、辦公樓等建筑頂面均有大面積空置區域，在廠房建設之初預留空置頂面載荷，布置真空式或平板式太陽能集熱裝置，采集太陽輻射熱作為熱水系統主熱源；工藝設備余熱采集，是指在工藝設備熱量介質（煙氣或蒸汽）排放尾部或運行冷卻系統中安裝節能器，通過換熱系統采集余熱，同時實現高溫煙氣或工藝余汽降溫排放，以及設備冷卻；凝結水余熱采集，是指工藝設備產生的高溫凝結水余熱在匯集點通過水水換熱器采集，同時實現凝結水低溫回收或排放。可再生低品位熱源（空氣能、地熱能、水熱能等）采集須因地、因時制宜，根據卷煙廠所在地的氣候、區域、地質和水源情況擇優獨立或混合配置，一般來說地源熱泵系統[4]具有較寬應用面，可作為卷煙廠熱水系統太陽能、工藝余熱不足時的主熱源。

3.3 備用熱源采集

卷煙廠因工藝生產需要，均通過鍋爐自產或外購方式常備飽和蒸汽，且考慮到電加熱制備熱水裝置存在功率大、容量小等缺點，故選擇蒸汽作為備用熱源。蒸汽換熱器應根據負荷需求梯級配置，通過可控閥組在主熱源供熱量不足時逐級串入供熱循環系統輔助供熱。目前市場上蒸汽換熱裝置有列管式、螺旋板式、波紋管式、渦流熱膜等多種形式，其中板式換熱器具有換熱效率高、維護簡易、價格低廉等優點，多為卷煙廠采用。

3.4 綜合蓄熱保溫水箱

核算卷煙廠熱水總負荷，在聯合工房中距離各熱源和應用終端距離均較近的位置，預留房間配置綜合蓄熱保溫水箱，作為綜合熱源采集熱量的中間存儲設施。蓄熱水箱要做好水箱保溫防護，預留各熱源和應用系統供回水管口，當總負荷較大時，可考慮采用多個水箱分設、通聯方式配置。

3.5 供熱循環系統

供熱循環系統是聯系綜合蓄熱水箱和熱水應用終端的紐帶，供應恒溫恒壓熱水，熱水供應壓力保持在0.2 MPa 為宜，溫度保持在60 ℃為宜，可根卷煙廠熱水負荷實際需求微調。循環系統具體包括管路、可控閥組、泵組等，泵組根據熱水負荷梯級配置，管路形式可統一設置母管，在不同應用末端采用并聯方式分供，也可以直接根據不同應用，設置專用的泵組和供回水管網，獨立循環供應。

3.6 熱水應用

卷煙廠作為綜合性生產制造企業，熱水系統有較多用途，具體包括洗浴、清洗、采暖、中央空調加熱、加濕等。特別是在中央空調應用方面，大部分地區卷煙廠均采用蒸汽和冷水來調節送風溫濕度，耗能較高，近年來部分卷煙廠節能改造，輔以高壓微霧系統作為蒸汽加濕補充，以降低蒸汽消耗。本系統熱水供應穩定充足，可對中央空調進行改造，采用熱水代替蒸汽加熱，同時在春秋過渡季節以常溫水作為微霧水源，既加濕又降溫，而在冬季以熱水作為微霧水源，既加濕又升溫，從而進一步降低空調蒸汽消耗，達到節能目的。

3.7 全過程監控系統

全過程監控系統是將各層級熱源采集系統、蓄熱水箱、供熱循環系統、末端應用系統統籌運行的橋梁，采用PLC 控制底層接口單元——工業網絡總線——數據庫——客戶端組件平臺——Web 前端頁面等自下而上的工業自動控制技術架構，通過設置在系統各節點位置的溫度傳感器、液位計、獨立設備狀態采集器、可控閥組、泵組等進行狀態采集和運行控制，并根據不同季節、工況以及應用領域，設置多種運行模式[5]，實現卷煙廠綜合熱源節能熱水系統精益、安全運行。

4 應用效果

卷煙廠綜合熱源節能熱水系統配置具有較大靈活性，不同卷煙廠可根據實際需求因地、因時在上述架構中減少或增加相應熱源采集和末端應用。徐州卷煙廠新廠區應用此架構在聯合生產工房建立了綜合熱源節能熱水洗浴系統，采用太陽能和工藝余熱作為主熱源，蒸汽作為輔助熱源，現已投入運行。監控流程和真空管型太陽能集熱器現場分別如圖2 和圖3 所示。

經2018 年實際運行數據統計，系統年用汽約1283 t，用水約13 400 t。徐州地區全年常溫水平均溫度約為15 ℃，系統供應熱水溫度為60 ℃，備用加熱蒸汽為0.3 MPa（表壓）飽和蒸汽，板式換熱器后蒸汽冷凝為0.1 MPa（表壓）汽水混合物。經計算1 t 水若全部采用蒸汽加熱所需蒸汽量約為0.181 45 t。故本系統全年可節約蒸汽約為1148 t，按每噸0.3 MPa（表壓）蒸汽折標煤94.286 kg 計，系統年節能約為108.24 t 標煤，節能效果優。

圖2 監控流程

圖3 真空管型太陽能集熱器現場

徐州卷煙廠采用天然氣為燃料生產蒸汽，每噸蒸汽成本約為350 元人民幣（含燃料成本和運行成本），故系統全年可節約蒸汽費用約為40.18 萬元人民幣，經濟效益顯著。

5 結語

卷煙廠綜合熱源節能熱水系統不僅配置模式靈活，可解決熱源采集和應用孤立分散問題，還具有較強的環保、節能、經濟優勢，能為卷煙廠熱水系統節能建設和改造提供全局思路。下一步，將根據以上架構，積極拓展熱源和應用組合模式，進一步驗證系統的實效性。