集中冷站水系統設備控制方案設計

林 愉,李 輝

(1.廣東白云學院機電系,廣州510450;2.江西理工大學機電工程學院,贛州341000)

1 引 言

集中冷站是實現中央空調系統制冷功能的冷源,主要負責在單位時間內制備充足的冷凍水量,同時輸向多個中央空調系統的末端空調設備,以滿足多個用戶群空調的需求。集中冷站由一個龐大的設備群組成,主要包括:冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍泵、分水器、集水器、恒壓罐、水處理設備、蝶閥、和水管路等。

當所有設備安全、合理的協同運作時,冷站水系統才能最大限度的發揮出生產能力,為此,研究和設計科學合理的集中冷站設備控制方案,是確保水系統設備群安全協同運作的關鍵,實現中央空調系統發揮最大制冷功能的基礎。設備控制方案主要包括:低壓配電控制和自動化控制。前者負責向設備提供動力用電,實現設備正常開機、運行和停機,同時切斷故障設備電源,保證設備的電氣安全性;后者,主要對設備運行狀態進行監控,實現設備的遠程啟、停控制,及時將設備的運行狀態和故障報警信息反饋到監控中心視屏上,以便監控中心隨時掌控設備運行情況并及時處理各種事故。

2 低壓配電控制方案的設計

設備低壓配電控制主要針對水系統中的機電設備,控制方案如圖1所示。電源經變壓器整定變壓到設備所需電壓后,通過電纜線或電纜母排從變電所引至配電房,接入電控柜主空氣開關的上樁,然后從主空氣開關下樁接至控制柜各單元的電控抽屜內空氣開關上樁,最后從電控抽屜接入現場設備電源輸入端。考慮到有些設備每天24小時不間斷運行,為確保設備不斷電,引入來自不同發電廠的兩路電源到配電室的電控柜,以確保設備的連續正常運行。

圖1 低壓配電控制方案

2.1 電控抽屜控制原理

電控抽屜是控制現場設備動作的開關柜,主要用于控制可直接啟動的設備開停機,柜內裝有空氣開關、過載保護器、繼電器、主、輔接觸器、遠控和配控轉換開關、指示燈、電流表、電壓表和熱繼電器等設備。當設備載超過電流運行時,空氣開關和過載保護器會自動跳開,使設備斷電,同時過載保護器會自動記入設備故障時的電氣運行參數。

電控抽屜控制原理:通過弱電控制強電導通,將遠控和配控轉換開關打至配控擋,按下開機按鈕,抽屜內開機繼電器得電吸合,并使輔、主接觸器先后得電吸合,從而使電控抽屜所控設備得電啟動運行。

將遠控和配控轉換開關打至配控擋,按下停機按鈕,抽屜內停機繼電器吸合,并控制輔、主接觸器先后失電斷開,從而使現場設備斷電停機。當設備過電流運行一段時間時,抽屜內過載保護器會動作,控制抽屜內主電源空氣開關斷開,使電控抽屜和現場設備失電,設備停止運行。

2.2 電動機控制原理

冷站大部分設備屬于旋轉動力機械,多由三相異步電機帶動旋轉做功。這些旋轉動力機械的低壓配電控制主要通過電機控制實施。電機控制主要實現電機正常啟、停;降低電機啟、停對供電網的沖擊;對電機短路、過載、堵轉和斷路等事故狀態,進行電氣安全保護。對于小功率電機,當其功率與供電變壓器容量比值小于20%,可允許直接啟動,如冷站設備中的電動蝶閥驅動電機和補水泵等小功率電機。對于大功率電機采用軟啟動、星三角啟動或變頻啟動,改變電機的啟動電壓和電阻,降低電機啟動電流,改變電機的啟動轉矩,以減少起動瞬時電流對電網的沖擊;待電機運轉平穩,啟動電流降低后,恢復電機的正常供電電壓,實現電機的平穩運行。

2.2.1 大功率電機軟啟動原理 當電機功率較大,啟動電流很大時,采用軟啟動器使電機軟啟動。在啟動過程中,軟啟動器改變電機的輸入電壓,使電壓按預設的函數變化關系逐漸加大,電機轉速和啟動轉矩也逐漸增大,當電機完全啟動時,電機輸入電壓增至全壓。軟啟動的方式包括:脈沖沖擊啟動、斜波升壓軟啟動、階躍啟動和斜波恒流軟啟動。對于冷站水系統泵類設備,較常采用斜波恒流軟啟動,在電機啟動初級階段,逐漸增加啟動電流,當電流升至預設的整定值后,保持恒定,直到啟動完畢。電流的變化速率根據電機的負載情況進行調定,電流的變化速率快,則電機的啟動時間短,輸出轉矩大。同時,軟啟動器可以對電機進行軟停機,如水泵停機時,為防止水錘效應,不能瞬間停機,可通過軟啟動器,使水泵在一段時間內由運行狀態逐漸過渡到完全停機狀態。

2.2.2 大功率電機星—三角降壓啟動原理 冷站設備中的冷水機組電機功率較大,設計采用星-三角轉換降壓啟動,星形啟動的轉矩只有三角啟動轉矩的1/3。此啟動方式所需設備簡單、造價低、啟動電流小,但啟動轉矩小,啟動電壓不能按實際需要調節,僅適用于空載或輕載啟動的場合。

2.2.3 電機變頻啟動原理 冷站冷凍二次泵主要負責為冷凍水在集水器、末端空調機組和分水器之間循環流動提供動力,由于末端空調區域的冷負荷適時變化,因此對冷凍水量的需求也應適時變化。為滿足制冷工況的變化需求,冷凍二次泵采用變頻器控制啟動和運行,調節水泵轉速,使水泵流量滿足用戶需求。變頻器通過整流裝置將輸入的三相交流電轉換成直流電,然后再通過逆變裝置把直流電轉換成電壓和頻率可變的交流電。

冷凍泵變頻運行的頻率值,通過自控系統根據安裝于末端空調區域的溫度傳感器和濕度傳感器檢測的溫度和濕度,計算出末端空調區域的冷負荷以及所需的冷凍水量來確定,并由自控系統向變頻器發出運行該頻率值的指令,實現變頻器帶動水泵在該頻率工況下運行。

3 設備自動化控制方案設計

冷站水系統設備自動化控制的主要目的是:監控設備運行狀態,適時將設備運行情況反饋到監控視屏,方便工作人員及時了解設備運行情況,及時處理各種突發事件;實現設備的遠程開、停機;運用相應的開、停機模式,優化設備的開停機順序和間隔時間,實現設備高效的自動開停機。自控系統主要從低壓配電系統獲取相應的控制點,將控制線路接至配電室內電控柜各相應電控抽屜內的繼電器上,通過控制相關的繼電器,控制抽屜內接觸器吸合和斷開;而且通過相應的繼電器接收設備的狀態反饋信號;同時還引線至就地控制箱,接收就地控制箱的運行反饋信號。自控系統將控制線路接入變頻器的控制主板,控制變頻器的運行頻率和接受變頻器運行反饋信息。自控系統與冷水機組也設置有通信接口,將控制線路接至機組的控制主板,以控制機組開停機和接收機組的狀態信息。

冷站自控系統主要由工控上位機、PLC控制系統、交換機、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計、UPS不間斷電源、通信線纜和輸入輸出模塊等設備組成。通過匯編計算機語言編程,可在系統的上位工控機顯示屏上實現各設備的可視控制畫面,點選設備圖標,即出現設備開、停機的控制按鈕,點選這些按鈕即可實現設備的開、停機。冷站自控系統把從終端設備 (電控柜抽屜、變頻器、冷水機組控制主板、就地控制箱和各類傳感器等)采集的信息,經過通信線纜傳送到下位機輸入輸出模塊,再由輸入輸出模塊傳送到PLC控制系統,經PLC控制系統處理后,由PLC控制系統傳送到上位工控機,將信息顯示在工控機顯示屏上,讓工作人員及時了解設備信息 (作為歷史記錄保存在工控機內,方便以后查閱),從而在工控機上發出各項指令。指令從工控機上傳輸到PLC控制系統,經PLC控制系統處理后,被傳送到輸入輸出模塊,再由輸入輸出模塊傳輸到相應終端設備的控制面板,控制設備進行相應的操作。設備動作后再將狀態信息反饋到上位工控機顯示屏上。自動化控制原理示意圖如圖2所示。

3.1 自控系統正常模式開停機注意事項

自控系統正常模式開停機主要用于設備的正常開停機,各類控制模式用計算機匯編語言編程,寫入PLC控制系統,當用戶選中執行某一模式時,控制系統將自動執行相應的程序。當然,模式執行成功與否與現場設備狀態有關。

用模式統一開機時,需合理的制定各設備的開機順序和開機間隔時間,應避免多臺設備同時啟動,使啟動電流過大,造成電網跳閘。對于水系統設備,開機順序不當,可能導致冷水機組不能起動,電動蝶閥開不到位。水泵和冷水機組開機前,應先將管路上的各類閥門打開,再開啟水泵和冷水機組。水泵開機設置與電動蝶閥開關狀態聯鎖,只有當閥門開到位后,才能正常開機。同時,冷水機組開機設置與相應的冷凍一次泵和冷卻泵聯鎖,否則容易造成冷水機組跳停。

水系統設備正常開機順序為:開啟閥門→開啟冷凍一次泵→開啟冷卻水泵→開啟冷凍二次泵→開啟冷卻塔→開啟冷水機組。水系統設備停機時也應注意設備的關停順序,為防止冷水機組跳停,應先停冷水機組,再停泵,后關閥,正確的停機順序為:關停冷水機組→關停冷卻泵→關停冷凍二次泵→關停冷凍一次泵→關停冷卻塔→關閉閥門。

圖2 自動化控制原理示意圖

3.2 自控系統事故模式工作原理

自控系統事故模式主要用于爆管等事故狀態下,控制設備停機,切斷設備電源,并通知相關人員及時處理。其控制模式用計算機匯編語言編程,寫入PLC控制系統執行。系統設備運行過程中,安裝于水系統管路上的壓力傳感器、溫度傳感器和流量計適時檢測管路中的運行參數,控制系統根據管路中的運行參數判斷整個系統的運行情況。若傳感器檢測到管路中某處壓力和流量下降很快,說明水管某處可能發生爆管,控制系統發出報警信息,指令工作人員前去現場確認。若故障現象持續一段時間,控制系統將執行爆管事故模式,迅速關停所有設備和所有閥門。

4 結論

集中冷站水系統是中央空調系統的關鍵系統,其運行質量直接關系到空調系統運行性能,而最大限度發揮冷站水系統設備功能的關鍵,則是設計制定一套科學、合理的控制策略,以保證設備安全可靠的運行。設備控制方案主要包括低壓配電控制和設備自動化控制。先進的低壓配電控制是整個控制策略的基礎,是最為關鍵的一環,其控制策略的合理性將直接影響設備的正常起動、運行性能和設備安全等。針對大功率電機的起動,設計采用軟啟動、星—三角啟動或變頻啟動,通過改變電機的啟動電壓和電阻,降低電機啟動電流,改變電機的啟動轉矩,能有效減少起動瞬時電流對電網的沖擊。設備自動化控制大多建立在低壓配電系統基礎之上,建立與低壓配電設備間的通信接口,準確設定與各類設備的通信協議,保證冷站水系統處于最優的運行工況,實現集中冷站的各項設計功能,達到安全、高效、節能的目的。

[1]鄧星鐘,朱承高.機電傳動控制[M].武昌:華中科技大學出版社,2001

[2]武旭輝.給排水行業中利用小型PLC實現水泵組自動控制的優化[J].自動化應用,2010,(3):25-26

[3]劉成濤,李強.ZSK型水泵自動控制系統在礦井中的應用[J].山東煤炭科技,2010,(1):41-42

[4]亢抗,韓志峰.工業建筑空調冷源一次泵變流量系統設計[J].暖通空調HV&AC,2010,40(4):11-12

[5]張瑞華,吳丙山,許圣章.高壓變頻器在并聯輸油泵機組上的應用與節能分析[J].變頻器世界,2010,(4):82-85

[6]徐中宏.城市排水泵站遠程監控系統的建立及技術措施[J].江蘇建筑,2010,(2):112-114