某大型車間冷源系統(tǒng)控制策略

文｜中國汽車工業(yè)工程公司自控工程院 張成禮 龐洛明

1 控制原則

某大型車間冷源系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)使用了井水、冷卻塔、冷水機組三種冷源，其中冷水機組是性能指數(shù)（COP）最低的冷源，所以應(yīng)該多用井水或冷卻塔，盡量少用冷水機組。

冷源系統(tǒng)主要設(shè)備包括冷水機組（壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器）、冷卻塔、水泵、換熱器等，各類設(shè)備均包含多臺設(shè)備并行運行。其控制的策略是根據(jù)負(fù)荷變化，增加或減少設(shè)備的運行臺數(shù)，達到節(jié)能的目的。

1.1 系統(tǒng)運行模式

（1）冷卻塔模式（模式1）

當(dāng)室外溫度低于8℃時（滯后量2℃），系統(tǒng)以冷卻塔模式運行，使用冷卻塔為冷源，控制換熱器HE3送出14℃的冷水。

滯后量的含義是：滿足條件的值與滯后量之和為不滿足條件的值。即如以溫度低于8℃為系統(tǒng)進入某運行模式的條件、滯后量為2℃，則當(dāng)室外溫度高于10℃時，系統(tǒng)退出該模式；如以溫度高于10℃為系統(tǒng)進入某運行模式的條件、滯后量為-2℃，則當(dāng)室外溫度低于8℃時，系統(tǒng)退出該模式。

（2）井水模式（模式2）

當(dāng)室外溫度高于10℃（滯后量-2℃），且同時滿足下列條件時，系統(tǒng)以井水模式運行，使用井水為冷源，控制換熱器HE1、HE2送出14℃～15.2℃的冷水：

◆ 室外溫度高于10℃（滯后量-2℃）；

◆ 溫差（TS5與TS1）大于3℃（滯后量-1℃）；

◆ 年井水使用量C3小于1000000m3；

◆ 溫度TS4低于14.8℃（滯后量0.4℃）。

（3）“井水+冷水機組”模式（模式3）

當(dāng)室外溫度高于10℃（滯后量-2℃），但在井水模式下溫度TS4不能滿足低于14.8℃的要求時，系統(tǒng)以“井水+冷水機組”模式運行，同時使用井水和冷水機組為冷源（前者預(yù)冷，后者深冷），先控制換熱器HE1、HE2預(yù)冷，再控制冷水機組RS1～RS4深冷，從而提供13℃的冷水。該模式運行條件如下：

◆ 室外溫度高于10℃（滯后量-2℃）；

◆ 溫差（TS5與TS1）大于3℃（滯后量-1℃）；

◆ 年井水使用量C3小于1000000m3；

◆ 溫度TS4高于15.2℃（滯后量-0.4℃）。

（4）冷水機組模式（模式4）

當(dāng)室外溫度高于10℃（滯后量-2℃），且下列任一條件滿足時，系統(tǒng)以冷水機組模式運行，以冷水機組為冷源：

◆ 溫差（TS5與TS1）小于2℃（滯后量1℃）；

◆ 年井水使用量C3大于1000000m3。

當(dāng)室外溫度低于8℃（滯后量2℃），但是換熱器HE3系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如冷卻泵PU16故障）時，冷源系統(tǒng)也以冷水機組模式運行。

各模式下開關(guān)閥的控制狀態(tài)如表1所示。

1.2 冷水機組低負(fù)荷控制

圖1 某大型車間冷源系統(tǒng)圖

運行負(fù)荷大于額定最小負(fù)荷時，冷水機組正常運行；小于額定最小負(fù)荷時，停止運行。

在模式3下，2℃的冷水機組進出水溫差是冷水機組低負(fù)荷控制比較合理的設(shè)定最小值，所以需要設(shè)定冷水機組出水溫度為13℃、進水溫度（即換熱器HE1、HE2出水溫度）高于15℃。

每臺冷水機組額定功率為1000kW，額定最小負(fù)荷為150kW（15%）。在冷水機組進出水溫差為設(shè)定最小值2℃時，額定最小負(fù)荷下的流量約為64m3/h。也就是說，流量C2大于64m3/h時，冷水機組可以正常運行；當(dāng)流量C2小于64m3/h時，系統(tǒng)在模式2下運行即可滿足要求。

表1 各模式下開關(guān)閥的控制狀態(tài)表

2 一次泵及二次泵控制

（1）連鎖控制

系統(tǒng)有5個二次泵（PU11～PU15，4用1備），根據(jù)負(fù)荷情況，啟動1～4個運行；有5個一次泵（PU6～PU10，4用1備），根據(jù)負(fù)荷情況，啟動1～4個運行。

一次泵和二次泵的運行是整個冷源系統(tǒng)運行的必要條件，它們與靜壓力PS1連鎖。若PS1正常（不低于0.5bar），系統(tǒng)可以啟動第一個一次泵和第一個二次泵；若PS1過低（低于0.4bar）且持續(xù)30s，則關(guān)停所有正在運行的一次泵和二次泵，并進行報警。

（2）二次側(cè)壓差控制

冷水用戶負(fù)荷的變化會引起冷水供回壓差DP1的波動；因此需要用PI比例積分方法控制二次泵的轉(zhuǎn)速和旁通閥RV8的開度，使供回壓差DP1維持在設(shè)定值（3.5bar）上。其控制方式如下：

◆ 當(dāng) PI值為 0～50%（即 0～0.5）時，控制旁通閥RV8開度為0～100%；

◆ 當(dāng)PI值為50%～100%時，控制二次泵的轉(zhuǎn)速為40%～100%。

若二次泵的轉(zhuǎn)速持續(xù)兩分鐘不低于98%，增加一個泵運行；當(dāng)多于一個泵運行時，若轉(zhuǎn)速持續(xù)兩分鐘低于60%，減少一個泵運行。

（3）一次側(cè)水量控制

采用PI控制將一次泵的運行頻率控制在40%～100%，使一次側(cè)水流量C2略大于二次測水流量C1（為C1的1.02倍）。

若一次泵的運行頻率持續(xù)兩分鐘不低于98%，增加一個泵運行；當(dāng)多于一個泵運行時，若運行頻率持續(xù)兩分鐘低于60%，減少一個泵運行。

（4）故障切換

當(dāng)一/二次泵出現(xiàn)故障（如變頻器故障、過載）時，立即切換到備用一/二次泵。

3 井水控制

在模式2或模式3下，系統(tǒng)使用井水作為冷源，通過控制五個井水泵PU1～PU5和兩個換熱器HE1、HE2送出冷水。換熱器HE1配有井水旁通閥BV1、井水調(diào)節(jié)閥RV1、冷水閥BV3、出水溫度傳感器TS2；換熱器HE2與之類似。

啟動換熱器時，相應(yīng)地打開冷水閥，以PI法控制井水調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉井水旁通閥。

關(guān)閉換熱器時，相應(yīng)地關(guān)閉冷水閥、井水調(diào)節(jié)閥，打開井水旁通閥。

（1）換熱器啟動控制

換熱器（HE1、HE2）的額定功率為1400kW，假定進水溫度為20℃，出水溫度為14℃，進出水溫差為6℃，則額定功率下的流量約為200m3/h。

進入模式2或模式3時，啟動第一個換熱器和第一組（第一個和第二個）井水泵。退出模式2或模式3時，關(guān)閉所有換熱器和井水泵。

當(dāng)一次側(cè)流量C2大于200m3/h時，啟動第二個換熱器和第二組（第三個和第四個）井水泵。

當(dāng)一次側(cè)流量C2小于180m3/h時，關(guān)閉第二個換熱器和第二組（第三個和第四個）井水泵。

（2）換熱器出水溫度控制

采用PI法控制換熱器的井水調(diào)節(jié)閥，使換熱器產(chǎn)生的冷水溫度達到設(shè)定值（14℃）。

當(dāng)控制井水調(diào)節(jié)閥的輸出值大于5%時，啟動相應(yīng)的井水泵。

當(dāng)控制井水調(diào)節(jié)閥的輸出值為零時，關(guān)閉相應(yīng)的井水泵。

（3）井水泵故障切換

在每個井水泵管路上安裝一個流量計。井水泵啟動180s后，若流量低于3m3/h，即進行報警并關(guān)閉泵。

當(dāng)任一泵發(fā)生故障(如過載或未接到反饋信號)時，切換到下一個可用泵。

4 冷水機組控制

在模式3或模式4下，系統(tǒng)使用冷水機組作為冷源，通過控制4臺冷水機組RS1～RS4和4臺冷卻塔RA1～RA4送出冷水。冷水機組RS1配有冷卻水泵PU17、冷卻水調(diào)節(jié)閥RV4、冷水閥BV10、冷卻水溫度傳感器TS9；冷水機組RS2～RS4與之類似。

啟動冷水機組時，在打開冷水閥，以PI法控制冷卻水調(diào)節(jié)閥之前，先啟動冷卻水泵。

關(guān)閉冷水機組時，在關(guān)停冷卻水泵之前，關(guān)閉冷水閥和冷卻水調(diào)節(jié)閥。

冷卻水泵與靜壓力PS2連鎖。若PS2正常（不低于0.5bar），允許冷卻水泵啟動；在運行過程中，若PS2過低（低于0.4bar），則先關(guān)停冷水機組，再關(guān)停所有正在運行的冷卻水泵，并進行報警。

4.1 冷水機組啟?？刂?/h3>

每臺冷水機組本身有單獨的控制器?？刂破骱拖到y(tǒng)PLC控制柜之間采用RS485、Modbus通信，收到來自系統(tǒng)PLC控制柜的啟動信號后，當(dāng)內(nèi)部的水流開關(guān)檢測到冷卻水和冷水流動時，啟動冷水機組，并自動控制出水溫度。

冷水機組停機后，冷卻水泵和冷卻水調(diào)節(jié)閥延時關(guān)閉（延遲時間應(yīng)滿足冷水機的要求）。

進入模式3或模式4時，啟動第一個冷水機組；退出模式3或模式4時，關(guān)閉所有冷水機組。

（1）模式3下的冷水機組啟?？刂?/p>

冷水機組（RS1～RS4）的額定功率為1000kW，假定最大進水溫度為17.5℃，出水溫度為13℃，進出水溫差為4.5℃，則額定功率下的流量約為190m3/h。

當(dāng)一次側(cè)流量C2大于190m3/h時，啟動第二個冷水機組；大于380m3/h時，啟動第三個冷水機組；大于570m3/h時，啟動第四個冷水機組。

當(dāng)一次側(cè)流量C2小于550m3/h時，關(guān)閉第四個冷水機組；小于360m3/h時，關(guān)閉第三個冷水機組；小于170m3/h時，關(guān)閉第二個冷水機組。

（2）模式4下的冷水機組啟停控制

冷水機組（RS1～RS4）的額定功率為1000kW，假定進水溫度為20℃，出水溫度為14℃，進出水溫差為6℃，則額定功率下的流量約為143m3/h。

當(dāng)一次側(cè)流量C2大于143m3/h時，啟動第二個冷水機組；大于286m3/h時，啟動第三個冷水機組；大于429m3/h時，啟動第四個冷水機組。

當(dāng)一次側(cè)流量C2小于409m3/h時，關(guān)閉第四個冷水機組；小于266m3/h時，關(guān)閉第三個冷水機組；小于123m3/h時，關(guān)閉第二個冷水機組。

4.2 冷水機組的冷卻水溫度控制

以PI法控制冷卻水調(diào)節(jié)閥和冷卻塔變頻風(fēng)機，使冷卻水溫度達到目標(biāo)設(shè)定值（40℃），其控制方式如下：

◆ 當(dāng)PI值為0～30%時，控制冷卻水調(diào)節(jié)閥開度為0～100%；

◆ 當(dāng)PI值為30%～100%時，控制冷卻塔變頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速為0～100%。

5 換熱器HE3控制

在模式1下，系統(tǒng)使用冷卻塔作為冷源，通過控制4個冷卻塔RA1～RA4、換熱器HE3送出冷水。

通過正向PI控制使冷水溫度TS8達到目標(biāo)設(shè)定值（40℃）；同時，通過另一個正向PI控制使冷卻水溫度TS7不低于設(shè)定值（3℃）；取兩個PI值中的較小值按如下方式控制：

◆ 當(dāng)PI值為0～30%時，控制冷卻水調(diào)節(jié)閥（RV3）開度為0～100%；

◆ 當(dāng)PI值為30%～60%時，控制冷卻水泵（PU16）轉(zhuǎn)速為60%～100%；

◆ 當(dāng)PI值為60%～100%時，控制冷卻塔變頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速為0～100%。

6 冷卻塔控制

在模式1、模式3或模式4下，需要使用冷卻塔提供冷卻水。冷卻塔RA1配有冷卻塔閥BV16，冷卻塔RA2～RA4與之類似。啟動冷卻塔時，打開相應(yīng)的冷卻塔閥；關(guān)閉冷卻塔時，關(guān)閉相應(yīng)的冷卻塔閥。

進入模式1、模式3或模式4時，啟動第一個冷卻塔；退出模式1、模式3或模式4時，關(guān)閉所有冷卻塔。

6.1 涉及冷卻塔的控制

（1）冷卻水最低溫度控制

冷卻水溫度TS6不能低于5℃。以PI法控制冷卻塔變頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速為100%～20%，使冷卻水溫度TS6不低于5℃。

（2）冷卻塔順序控制

冷卻塔（RA1～RA4）的額定功率為1200kW，假定進水溫度為45℃，最大出水溫度為41℃，進出水溫差為4℃，則額定功率下的流量約為255m3/h。

當(dāng)冷卻水流量C4大于255m3/h時，啟動第二個冷卻塔；大于510m3/h時，啟動第三個冷卻塔；大于765m3/h時，啟動第四個冷卻塔。

當(dāng)冷卻水流量C4小于745m3/h時，關(guān)閉第四個冷卻塔；小于490m3/h時，關(guān)閉第三個冷卻塔；小于235m3/h時，關(guān)閉第二個冷卻塔。

（3）冷卻風(fēng)機控制

冷卻風(fēng)機控制的相關(guān)值共有六個：四個冷水機組的冷卻水溫度控制PI值、換熱器HE3的冷卻水和冷水控制PI值、冷卻水最低溫度控制PI值。取前五個值中的最大值，再取該最大值和最后一個值中的最小值作為冷卻風(fēng)機的實際控制值。

當(dāng)風(fēng)機變頻器的實際控制值大于5%時，打開風(fēng)機；在模式1下，當(dāng)調(diào)節(jié)閥RV3開度小于0.2%時，關(guān)停風(fēng)機；在模式3或模式4下，當(dāng)調(diào)節(jié)閥RV4～RV7開度小于0.2%時，關(guān)停風(fēng)機。

6.2 冷卻塔模式

冷卻塔為干濕兩用冷卻塔。當(dāng)室外溫度低于15℃時，冷卻塔以干式模式運行，噴淋泵關(guān)閉；當(dāng)室外溫度高于17℃時，冷卻塔以濕式模式運行，噴淋泵啟動。

6.3 冷卻塔水位

在濕式模式下冷卻塔利用浮球?qū)崿F(xiàn)因噴淋而蒸發(fā)消耗的水量的自動補充，使水位保持在設(shè)定高度。補水管路與軟化水站連接。

在濕式模式下冷卻塔有最低水位限制。水位開關(guān)檢測冷卻塔水位，并與噴淋泵互鎖。

6.4 冷卻塔排水報警

當(dāng)室外溫度低于5℃后，系統(tǒng)進行報警，通知維護人員手動排出冷卻塔內(nèi)的水。

6.5 冷卻塔故障切換

當(dāng)冷卻塔發(fā)生變頻器風(fēng)機故障、維修開關(guān)關(guān)閉、噴淋泵故障、水位過低、通信故障、遠程I/O站電源關(guān)閉等故障時，切換到下一個冷卻塔。

7 結(jié)束語

實踐中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備參數(shù)和運行工況計算、調(diào)試其控制參數(shù)，使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。設(shè)備長時間運行后，其性能會有所變化，所以控制參數(shù)也需要調(diào)整。可以讓系統(tǒng)在運行過程中根據(jù)設(shè)備參數(shù)和運行工況自動計算和調(diào)節(jié)控制參數(shù)，以提高系統(tǒng)的智能性。