卷烟厂综合热源节能热水系统应用

乔建国，张 册

（江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂，江苏徐州 221005）

0 引言

卷烟厂热水系统传统应用于洗浴和采暖，大多为孤立系统，因卷烟制造工艺需要用到蒸汽，热水系统一般也采用蒸汽作为热源，存在热水应用面窄、热源单一、耗能较大、系统分散、蒸汽上游生产环境污染严重等弊端。拓展热源采集和热水应用领域，构建卷烟厂在热水系统节能建设和改造升级过程中的全局思路，探索开发卷烟厂综合热源节能热水系统具有重要意义。

1 系统设计原则及目标

综合热源节能热水系统首先要解决卷烟厂热水供应热源单一问题，其次要重点解决系统分散孤立，无法实现热量综合互补、热水统筹利用，产生能源浪费等问题，为此将系统的设计原则和目标确定如下。

（1）最大限度综合利用可再生资源。作为热水系统热源，传统蒸汽具有供应稳定、供热均匀等优点，但也存在耗能大、上游生产环境污染严重等问题，为此在综合热源系统中要尽可能利用可再生资源，如太阳能[1]、风能、空气能、地热能和水热能等，发挥可再生资源循环再生、取之不尽、用之不竭、清洁环保的优势，除此之外还须考虑尽可能利用卷烟厂现有工艺系统余热，降低综合能耗。

（2）确保热水供应稳定。卷烟厂的核心业务是要能实现稳定的生产和运营，系统设计中要考虑采用蒸汽或电能等可控热源作为有效补充，确保企业生产、生活热水供应稳定。

（3）实现热水系统综合供应管理。解决当前卷烟厂众多热水系统分散孤立问题，建立以热水为介质的统一热量存储、交换中心，将多种热源采集到的热量统一存储，统筹供应到洗浴、采暖、空调、清洗等不同的应用领域，实现热量统筹利用、综合互补，提高能源利用效率，避免浪费。

（4）实现系统精益运行。系统包含多热源采集和多领域供热。多热源采集方面，须按照热源能耗、品质、稳定性等综合评定后设定采集优先级，在热水应用负荷低时，优先应用能耗低、品质优、稳定性高的热源供热，少用或停用低优先级热源，在热水负荷上升时逐级补充。多领域供热方面，须根据重要性进行分级，如在热量不足时，优先保证洗浴，其次保证生产用中央空调，最后保证采暖和清洗等。系统设备选型按照能力大小梯级配置，运行模式根据企业需求设定多种策略[2]，实现系统精益运行。

（5）具备可扩展性。采用模块化设计的原则，既要保证系统中多热源、多应用模块的独立性，也要确保留有标准的接口，具备后续热源增补和应用拓展的可行性。

2 多热源选择

通过对当前建设工程市场较为成熟的热水生产节能技术调研，结合行业内多家卷烟厂热水系统热源应用实际，从热源的采集原理、技术成熟度、性能特点和经济性进行综合分析（表1），确定卷烟厂综合热源节能热水系统中的热源选择。

通过表1对比分析，卷烟厂热水系统在热源选择上，应优先选择使用太阳能，同时利用好工艺设备余热，在资金、当地环境等条件允许情况下尽可能的通过热泵技术，增加空气能、地热能、水热能等较为稳定、清洁的可再生热源应用，最后还应综合考虑生产、生活热水负荷稳定性的需求，以卷烟生产中常备蒸汽作为备用热源，按照太阳能—工艺余热—可再生低品位热源—蒸汽进行热源优先级设定。对于不同的工艺余热类型之间，以及条件允许情况下同时配备的空气能、地热能、水热能之间的热源优先级，可根据卷烟厂具体情况进行细分。

表1 多热源综合对比分析

3 卷烟厂综合热源节能热水系统

卷烟厂综合热源节能热水系统主要包括补水系统、综合蓄热保温水箱[2]、主热源采集、备用热源采集、供热循环系统、热水应用和全过程监控系统等（图1）。

图1 综合热源节能热水系统架构

3.1 补水系统

选用自来水作为补水水源，在进入热水系统前，设置相应容量的水处理设备对自来水进行过滤、软化处理，降低整个热水系统结垢、堵塞风险。水处理设备可采用离子交换工艺或反渗透膜过滤工艺，一般来说离子交换工艺设备占地较大，投资较低，反渗透膜过滤工艺系统简洁，但投资较高，卷烟厂可根据需要选择配置。若厂区有统一的水处理设备，也可直接采用处理后的软水作为补水水源。

3.2 主热源采集

卷烟厂内各单体建筑较多，其中联合工房、库房、办公楼等建筑顶面均有大面积空置区域，在厂房建设之初预留空置顶面载荷，布置真空式或平板式太阳能集热装置，采集太阳辐射热作为热水系统主热源；工艺设备余热采集，是指在工艺设备热量介质（烟气或蒸汽）排放尾部或运行冷却系统中安装节能器，通过换热系统采集余热，同时实现高温烟气或工艺余汽降温排放，以及设备冷却；凝结水余热采集，是指工艺设备产生的高温凝结水余热在汇集点通过水水换热器采集，同时实现凝结水低温回收或排放。可再生低品位热源（空气能、地热能、水热能等）采集须因地、因时制宜，根据卷烟厂所在地的气候、区域、地质和水源情况择优独立或混合配置，一般来说地源热泵系统[4]具有较宽应用面，可作为卷烟厂热水系统太阳能、工艺余热不足时的主热源。

3.3 备用热源采集

卷烟厂因工艺生产需要，均通过锅炉自产或外购方式常备饱和蒸汽，且考虑到电加热制备热水装置存在功率大、容量小等缺点，故选择蒸汽作为备用热源。蒸汽换热器应根据负荷需求梯级配置，通过可控阀组在主热源供热量不足时逐级串入供热循环系统辅助供热。目前市场上蒸汽换热装置有列管式、螺旋板式、波纹管式、涡流热膜等多种形式，其中板式换热器具有换热效率高、维护简易、价格低廉等优点，多为卷烟厂采用。

3.4 综合蓄热保温水箱

核算卷烟厂热水总负荷，在联合工房中距离各热源和应用终端距离均较近的位置，预留房间配置综合蓄热保温水箱，作为综合热源采集热量的中间存储设施。蓄热水箱要做好水箱保温防护，预留各热源和应用系统供回水管口，当总负荷较大时，可考虑采用多个水箱分设、通联方式配置。

3.5 供热循环系统

供热循环系统是联系综合蓄热水箱和热水应用终端的纽带，供应恒温恒压热水，热水供应压力保持在0.2 MPa为宜，温度保持在60℃为宜，可根卷烟厂热水负荷实际需求微调。循环系统具体包括管路、可控阀组、泵组等，泵组根据热水负荷梯级配置，管路形式可统一设置母管，在不同应用末端采用并联方式分供，也可以直接根据不同应用，设置专用的泵组和供回水管网，独立循环供应。

3.6 热水应用

卷烟厂作为综合性生产制造企业，热水系统有较多用途，具体包括洗浴、清洗、采暖、中央空调加热、加湿等。特别是在中央空调应用方面，大部分地区卷烟厂均采用蒸汽和冷水来调节送风温湿度，耗能较高，近年来部分卷烟厂节能改造，辅以高压微雾系统作为蒸汽加湿补充，以降低蒸汽消耗。本系统热水供应稳定充足，可对中央空调进行改造，采用热水代替蒸汽加热，同时在春秋过渡季节以常温水作为微雾水源，既加湿又降温，而在冬季以热水作为微雾水源，既加湿又升温，从而进一步降低空调蒸汽消耗，达到节能目的。

3.7 全过程监控系统

全过程监控系统是将各层级热源采集系统、蓄热水箱、供热循环系统、末端应用系统统筹运行的桥梁，采用PLC控制底层接口单元——工业网络总线——数据库——客户端组件平台——Web前端页面等自下而上的工业自动控制技术架构，通过设置在系统各节点位置的温度传感器、液位计、独立设备状态采集器、可控阀组、泵组等进行状态采集和运行控制，并根据不同季节、工况以及应用领域，设置多种运行模式[5]，实现卷烟厂综合热源节能热水系统精益、安全运行。

4 应用效果

卷烟厂综合热源节能热水系统配置具有较大灵活性，不同卷烟厂可根据实际需求因地、因时在上述架构中减少或增加相应热源采集和末端应用。徐州卷烟厂新厂区应用此架构在联合生产工房建立了综合热源节能热水洗浴系统，采用太阳能和工艺余热作为主热源，蒸汽作为辅助热源，现已投入运行。监控流程和真空管型太阳能集热器现场分别如图2和图3所示。

经2018年实际运行数据统计，系统年用汽约1283 t，用水约13 400 t。徐州地区全年常温水平均温度约为15℃，系统供应热水温度为60℃，备用加热蒸汽为0.3 MPa（表压）饱和蒸汽，板式换热器后蒸汽冷凝为0.1 MPa（表压）汽水混合物。经计算1 t水若全部采用蒸汽加热所需蒸汽量约为0.181 45 t。故本系统全年可节约蒸汽约为1148 t，按每吨0.3 MPa（表压）蒸汽折标煤94.286 kg计，系统年节能约为108.24 t标煤，节能效果优。

图2 监控流程

图3 真空管型太阳能集热器现场

徐州卷烟厂采用天然气为燃料生产蒸汽，每吨蒸汽成本约为350元人民币（含燃料成本和运行成本），故系统全年可节约蒸汽费用约为40.18万元人民币，经济效益显著。

5 结语

卷烟厂综合热源节能热水系统不仅配置模式灵活，可解决热源采集和应用孤立分散问题，还具有较强的环保、节能、经济优势，能为卷烟厂热水系统节能建设和改造提供全局思路。下一步，将根据以上架构，积极拓展热源和应用组合模式，进一步验证系统的实效性。