卷煙工業企業公用工程系統運行能效指標研究與應用

　　摘要：空調系統、蒸汽鍋爐系統和除塵系統是卷煙工業企業公用工程系統的主要能源消耗系統，國家、行業標準對以上系統制定了一些系統能效指標，卷煙企業的三級能耗定額管理也有相應的系統能效指標，但是這些指標均存在一定的問題。按照能效指標制定的原則，指出了現有能效指標的優缺點，提出了適用于運行階段評價的系統能效指標。

　　關鍵詞：卷煙行業;公用工程系統;空調系統;蒸汽鍋爐系統;除塵系統;系統能效;運行效率

　　0引言

　　卷煙工業企業初步建立了能源管理制度，形成了能源管理考評機制，如三級能耗定額管理體系、能耗對標與績效考核制度等。其中三級能耗定額管理體系可以分為企業級、車間(或部門)級和設備級。企業級即綜合能耗定額，根據卷煙行業標準YC280—2008《煙草工業企業能源消耗》，常見的能耗指標有單位產量綜合能耗、單位產量生產能耗和單位產值綜合能耗。車間級能耗定額按照卷包車間、制絲車間和動力車間劃分，比如卷包車間的能耗定額有單箱卷煙耗電、耗壓縮空氣、耗柴油等;設備級能耗即為動力車間中主要設備的能耗，通常通過能效比來表達設備能耗的效率，常見的有鍋爐電汽比、氣汽比、水汽比、制冷機能效比。在取得了一定工作成績的同時，也還存在一定的問題，其中突出的是能耗考核指標不夠科學完善，多數指標適用范圍有限，且缺乏可比性[1]。

　　本文主要針對動力車間三級能耗定額管理中空調系統、鍋爐系統和除塵系統的能效進行研究與梳理，分析各個能效指標的優點與不足，針對尚不能滿足目前使用需求的能效指標提出改善建議，以完善三級能耗定額管理的能效指標。

　　1公用工程系統主要設備類型

　　卷煙企業的公用工程系統主要包含空調系統、供暖加濕系統、照明系統、空壓系統、除塵系統、真空系統、給排水系統及其他系統，其中空調、供暖加濕和除塵系統是公用工程系統中主要的能源消耗系統。以某公司下轄8個企業(A～H)為例，其中A～F為卷煙生產企業，G為煙草薄片生產企業，H為濾嘴棒生產加工企業。空調系統的主要設備為離心式冷水機組，供暖加濕系統的主要設備為燃氣蒸汽鍋爐，除塵系統的主要設備為袋式除塵器。

　　2國家和行業標準采用的系統能效指標

　　目前，國家和行業對于卷煙行業使用的空調冷源系統和鍋爐系統的能效有一些標準規范，對除塵系統目前尚沒有規范。

　　2.1空調冷源系統能效

　　GB51245—2017《工業建筑節能設計統一標準》在設計階段對空調冷源系統的效率采用空調系統冷源綜合制冷性能系數(SCOP)進行衡量。SCOP是指整個空調冷源系統(包含冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔或風冷式的風機)在名義工況下的額定制冷量與其凈輸入能量之比[2]。

　　2.2蒸汽鍋爐系統能效

　　TSGG0003—2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》(以下簡稱TSGG0003)中蒸汽鍋爐系統能效指標有3個，分別是系統單位蒸發量的燃料消耗量、系統單位蒸發量消耗電量和系統單位蒸發量消耗水量[3]。

　　系統單位蒸發量的燃料消耗量為鍋爐入爐燃料累計總熱量與蒸汽鍋爐系統累計蒸發量的比值。Bxpj，D=Qrx，lj29308Dx，lj(1)式中Bxpj，D為考核周期內鍋爐系統單位蒸發量平均消耗燃料折算成的標準煤量，kg/kg;Qrx，lj為考核周期內鍋爐系統入爐燃料累計總熱量，MJ;Dx，lj為考核周期內鍋爐系統累計蒸發量，kg。系統單位蒸發量消耗電量為鍋爐系統所配備主要輔機、輔助設備總耗電量與蒸汽鍋爐系統累計蒸發量的比值。

　　Expj，D=Ex，ljDx，lj(2)式中Expj，D為考核周期內鍋爐系統單位蒸發量平均消耗電量，kW·h/kg;Ex，lj為考核周期內鍋爐系統輔機、輔助設備累計總耗電量，kW·h。系統單位蒸發量消耗水量為蒸汽鍋爐系統給水量與蒸汽鍋爐系統累計蒸發量的比值。Dxpj，D=Dxgs，ljDx，lj(3)式中Dxpj，D為考核周期內鍋爐系統單位蒸發量平均消耗水量，kg/kg;Dxgs，lj為考核周期內鍋爐系統給水量，kg。

　　3卷煙企業采用的能效指標

　　3.1空調冷源系統能效

　　卷煙企業對空調冷源系統能效沒有考核指標，而是采用制冷機能效比進行近似評價。制冷機能效比與制冷性能系數(COP)的概念類似，為累計制冷量與制冷機耗電量的比值。EERYH=QYHWYH(4)式中EERYH為制冷機能效比;QYH為制冷機在統計期內提供冷量的累計值，kW·h;WYH為制冷機在統計期內耗電量的累計值，kW·h。

　　3.2蒸汽鍋爐系統能效

　　對于蒸汽鍋爐系統，卷煙企業一般不采用TSGG0003中的能效指標，而是采用鍋爐電汽比、氣汽比(或產汽率)、水汽比作為日常管理與考核指標。比如前面提到的F企業(卷煙生產企業)采用產汽率作為評價指標，H企業(濾嘴棒生產加工企業)采用氣汽比作為評價指標。參考國內其他卷煙廠，較多采用氣汽比作為鍋爐系統的評價指標[45]。

　　氣汽比，即鍋爐每產生1t蒸汽需要消耗多少天然氣;電汽比，即鍋爐每產生1t蒸汽需要消耗多少電量;水汽比，即鍋爐每產生1t蒸汽需要消耗多少水量。以上能效指標是鍋爐實際運行使用過程中，能夠快速、直觀地反映出鍋爐能源消耗效率的指標。產汽率為氣汽比的倒數。

　　電汽比用下式計算：ESRH-sys=QEmS(5)式中ESRH-sys為蒸汽鍋爐系統電汽比，kW·h/t;QE為在統計期內消耗電量的累計值，kW·h;mS為在統計期內飽和蒸汽產量的累計值，t。

　　氣汽比用下式計算：GSRH-sys=VGmS(6)式中GSRH-sys為蒸汽鍋爐系統氣汽比，m3/t;VG為標準工況下在統計期內消耗天然氣的累計值，m3。水汽比用下式計算：WSRH-sys=QWmS(7)式中WSRH-sys為蒸汽鍋爐系統水汽比，m3/t;QW為在統計期內消耗水量的累計值，m3。

　　電汽比、水汽比與行業標準TSGG0003中的系統單位蒸發量消耗電量和系統單位蒸發量消耗水量相同，氣汽比(或產汽率)與系統單位蒸發量燃料消耗量略有不同。

　　除了鍋爐電汽比、氣汽比(或產汽率)、水汽比之外，卷煙企業還有萬支卷煙燃氣鍋爐總能耗，按照下式計算[6]：Q1=0.2571T+0.4040W+1.33LQ(8)式中Q1為萬支卷煙燃氣鍋爐總能耗(標準煤)，kg/萬支;T為統計期內所消耗的水總量，m3或t;W為統計期內所消耗的電量總量，kW·h;L為統計期內所消耗的天然氣總量，m3;Q為統計期內所完成卷煙總量，萬支。

　　3.3除塵系統能效

　　由于國家和行業沒有制定除塵系統能效指標，卷煙行業也在探索是否可以采用萬支卷煙除塵系統能耗作為能效指標。萬支卷煙除塵系統能耗即為除塵系統能耗與卷煙產量的比值，按照下式計算：SEEDR-sys=WDR-sysQ(9)式中SEEDR-sys為除塵系統能效，kW·h/萬支;WDR-sys為統計期內除塵系統所消耗的總電量，kW·h。除塵系統能耗可以采用電力計量儀表進行周期性測量，卷煙產量為周期性的統計數據。

　　4現有能效指標匯總

　　5能效指標的原則在制定能效指標時，需按照以下原則：

　　1)目的性。即能效指標的目標，能效指標主要用于不同卷煙企業的公用工程系統能效評價。2)全面性。即能效指標應能反映系統的能源利用狀況和能效水平，能夠涵蓋主要的用能工序和環節，有助于評估能源利用方面的不足。3)可操作性。即能效指標中每一個指標數據的獲取必須是可操作的，必須能夠及時收集到準確的數據。4)可比性。即所構造的評價指標體系對卷煙行業不同卷煙廠的公用工程系統必須是公平的、可比的。5)科學性。即指標計算內容和計算方法須科學、合理、準確。

　　6現有能效指標的優缺點

　　從現有的能效指標可以看出，卷煙企業特別關注于運行條件下的系統能效，因為這是直接反映系統能源利用效率的指標。但是不同指標的優缺點也不盡相同。

　　6.1空調冷源系統能效

　　6.1.1冷源綜合制冷性能系數(SCOP)空調系統冷源綜合制冷性能系數(SCOP)指標的目的是在設計階段對冷源系統的能效作出限定，即在設備選型時對系統的冷水機組、冷卻水泵和冷卻塔設備功率進行約束。該能效指標的缺點是不能反映空調冷源系統實際運行能效，故無法在運行條件下使用。

　　6.1.2制冷機能效比制冷機能效比的優點是獲得儀表計量數據較為方便，制冷量與電量均有成熟可靠的計量方式，但是缺點也較為明顯，主要缺點如下：

　　1)是設備指標，不是系統指標，不能反映系統運行能效。通過對行業內79家卷煙工業企業的制冷系統能耗調研發現，冷卻水泵、冷水泵和冷卻塔的能耗約占冷源系統的20%～30%，占比較高。當冷卻水泵、冷水泵采用變頻措施時能耗降低，可接近于制冷機能耗的30%;但是當冷卻水泵、冷水泵未采取變頻措施，同時冷水機組低負荷率運行時，制冷系統處于“大馬拉小車”的狀態，供回水溫差減小，冷卻水泵、冷水泵能耗接近于制冷機能耗的50%。因此，需要重視空調系統中冷卻水泵、冷水泵和冷卻塔的能耗，制冷機能效比無法反映空調冷源系統的運行能效。

　　2)無法消除不同系統之間固有特征帶來的差異。對于不同企業來說，地理位置、生產環節、生產工藝等影響因素可能存在較大差異，但是企業建成后，這些因素對制冷系統的影響基本不會再發生變化。以上影響因素會對制冷系統的室外環境、室內工況、運行策略造成影響，可以視為不同制冷系統的固有特征，并對制冷機能效比產生決定性的影響。

　　不同企業的運行條件不同，可能會出現冷水機組的性能系數(COP)較高，但是由于系統負荷率較低或者供回水溫度較低等因素影響，造成制冷機能效比相對較低，反而較低性能系數(COP)的冷水機組通過合理地運行，制冷機能效比會相對較高。由于這些固有特征的影響，造成了不同企業的制冷機能效比難以建立統一的標準進行比較。

　　3)無法消除系統不穩定運行時系統能效的變化。通常在檢測設備能效時，要求設備在穩定的、接近滿負荷的狀態下運行，通過若干次讀取瞬時數據進行計算，這對檢測條件提出了較高要求，并且設備和系統在實際運行時，大部分時間并不是在接 近滿負荷的條件下運行。當檢測數據的計量以月、季、年為周期時，包含了系統在各個負荷率下的運行數據，即包含了設備未達到或者超過額定工況時系統能效的降低，以及開停機等不穩定工況運行時造成的額外能源消耗。

　　6.2蒸汽鍋爐系統能效

　　6.2.1系統單位蒸發量的燃料消耗量、系統單位

　　蒸發量消耗電量和系統單位蒸發量消耗水量行業標準TSGG0003中系統單位蒸發量的燃料消耗量、系統單位蒸發量消耗電量和系統單位蒸發量消耗水量的優點是獲得儀表計量數據較為方便，燃氣消耗量、耗電量和耗水量均有成熟可靠的計量方式。其缺點與制冷機能效比有相同的地方，即無法消除系統固有特征帶來的差異，也無法消除系統不穩定運行時系統能效的變化。此外，以上能效指標均以單位蒸發量為分母，在相同鍋爐熱效率的前提下，當鍋爐飽和壓力不同時，鍋爐的蒸發量不同。各卷煙企業的鍋爐供給壓力并不完全相同，因此行業標準TSGG0003的評價指標缺乏不同卷煙企業之間的可比性。

　　6.2.2電汽比、氣汽比(或產汽率)、水汽比

　　卷煙企業使用的電汽比和水汽比基本等同于行業標準TSGG0003中系統單位蒸發量消耗電量和系統單位蒸發量消耗水量，所以其優缺點也相同。氣汽比(或產汽率)的優缺點基本與系統單位蒸發量的燃料消耗量相同，但是還存在一個明顯缺點，燃氣消耗量以燃氣體積計量，燃氣熱值與卷煙企業當地燃氣公司提供的天然氣有關，所以無法消除不同企業之間燃氣熱值不同的影響，不同卷煙企業之間缺乏可比性。

　　6.2.3萬支卷煙燃氣鍋爐總能耗

　　萬支卷煙燃氣鍋爐總能耗與鍋爐電汽比、氣汽比(或產汽率)、水汽比3個能效指標較為類似，分子是電力、天然氣、水的消耗量，分母由蒸發量改為卷煙生產量。當采用卷煙生產量作為指標參數時，其缺點是卷煙生產量與系統能耗不完全對等，YC/T280—2008《煙草工業企業能源消耗》規定“按檢驗合格入庫的產量數量確定工業總產量”，即無法消除產品不合格率對指標的影響。

　　換句話說，即使相同的能源消耗加工了相同質量的煙葉，但是由于生產工藝等原因造成煙葉合格率不同，合格率低的煙葉質量也較低，造成萬支卷煙燃氣鍋爐總能耗較高，這與降低卷煙生產能耗指標的初衷相違背。綜合能耗一般以年為統計周期，公用工程系統能效則以月、季、年為統計周期，統計周期越短，產品不合格率對其的影響越大。

　　6.3除塵系統能效萬支卷煙除塵系統能耗與萬支卷煙鍋爐總能耗的優缺點相同。

　　6.4系統能效優缺點分析通過對各個系統能效指標的優缺點進行匯總，可以看出：

　　1)冷源綜合制冷性能系數(SCOP)是設計階段的評價指標，不適合用于運行階段評價。

　　2)由于計量周期采用月、季、年為周期，系統固有特征帶來的差異和系統不穩定運行時系統能效的變化這2個缺點無法從能效指標定義中克服，可以在能效指標評價時予以考慮。

　　3)不同企業之間的可比性和不合格率對指標的影響，可以通過能效指標的定義進行克服。

　　7系統能效指標的建議

　　7.1空調冷源系統能效的定義綜合現有國家、行業和卷煙企業采用的冷源綜合制冷性能系數(SCOP)和制冷機能效比均不能體現空調冷源系統運行階段的能效，因此本文提出新的空調冷源系統能效定義。

　　7.1.1范圍邊界綜合考慮空調冷源系統能效指標的科學性及對冷源綜合制冷性能系數(SCOP)的延續性，空調冷源系統能效指標的范圍邊界定義為冷水機組、冷卻水泵和冷卻塔。

　　7.1.2系統能效的定義將空調冷源系統能效定義為制冷量之和與冷源耗電量之和的比值。

　　7.2.1范圍邊界燃氣型蒸汽鍋爐系統的主要設備包括燃燒器、給水泵、水處理裝置等。

　　7.2.2系統能效的定義1)系統單位燃料消耗量的蒸汽熱量。系統單位燃料消耗量的蒸汽熱量是蒸汽鍋爐系統累計輸出蒸汽的熱量與入爐燃料累計總熱量的比值。

　　7.2.3計量內容與計量方式

　　在計算鍋爐系統能效時，計量參數與計量方式如下。1)蒸汽量。蒸汽流量表、水表，計量周期為以下間隔較短的周期：①以月、季、年的周期;②系統穩定運行工況周期。2)耗電量。電能表，計量周期為以下間隔較短的周期：①以月、季、年的周期;②系統穩定運行工況周期。3)耗水量。水表，計量周期為以下間隔較短的周期：①以月、季、年的周期;②系統穩定運行工況周期。

　　4)燃氣消耗量。燃氣表，計量周期為以下間隔較短的周期：①以月、季、年的周期;②系統穩定運行工況周期。5)壓力。壓力表，采用蒸汽鍋爐系統穩定運行工況下的平均壓力，計量周期為系統穩定運行工況周期。6)溫度。溫度計，采用蒸汽鍋爐系統穩定運行工況下的平均溫度，計量周期為系統穩定運行工況周期。

　　7.3.1范圍邊界除塵系統的主要設備是袋式除塵器。

　　7.3.2系統能效的定義

　　1)系統單位消耗電量的處理風量。袋式除塵系統的能源輸入為電，輸出為風量，因此，除塵系統單位消耗電量的處理風量定義為除塵系統風量與除塵系統耗電量的比值。

　　7.3.3計量內容與計量方式

　　除塵系統能效的計量內容包含了電量、風量和除塵量，均可以通過相應的計量儀表進行計量。電量、風量和除塵量可以月、季、年為計量周期。

　　8系統能效指標的應用

　　8.1蒸汽鍋爐系統能效指標的應用A、B、C、F、H企業的蒸汽鍋爐系統的蒸汽用量和天然氣用量統計數據較為全面，收集各企業的逐月相關數據信息，按照式(11)計算系統單位燃料消耗量的蒸汽熱量。

　　8.2除塵系統能效指標的應用E企業關于除塵系統的統計數據較為全面，2019年的統計數據可以滿足除塵系統能效指標的計算要求，按照式(16)計算得到系統單位消耗電量的除塵量為8.1kg/(kW·h)。

　　9建議

　　1)卷煙行業能效指標并不健全，有待完善。卷煙行業的綜合能耗指標較為完善，可以作為評估卷煙企業能源利用水平的重要手段。但是系統能效指標和設備能效指標較為薄弱，無法指導企業開展系統和設備的節能評價工作。因此，建議針對卷煙企業的系統能效和設備能效，結合卷煙企業的實際生產情況開展調研與研究工作，完善指標體系。

　　2)加強對系統能效的研究與推廣。綜合能耗指標較為宏觀，范圍邊界是企業的能源利用效率;設備效率較為狹窄，范圍邊界僅局限 于設備。系統能效是銜接綜合能耗指標和設備指標的關鍵點，但是目前要么是缺少相關系統能效指標，要么是已有能效指標但是缺少可操作性、科學性，無法起到中間的橋梁作用。

　　10結語

　　綜上所述，本文在現有卷煙企業公用工程系統能效指標的基礎上，為系統地、全面地反映卷煙企業公用工程系統能源利用狀況，并且使能效指標具備目的性、全面性、可操作性、可比性和科學性，做到方便數據采集、公平合理，將理論與實際相結合，提出了空調冷源系統、蒸汽鍋爐系統和除塵系統適用于運行階段評價的系統能效指標。

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　　作者：馬學兵1☆黃毓欽1余震安1李飛文1劉杰斌2△郝軍3李天陽4

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