某大型車間冷源系統控制策略

文｜中國汽車工業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如圖1所示。系統使用了井水、冷卻塔、冷水機組三種冷源，其中冷水機組是性能指數（COP）最低的冷源，所以應該多用井水或冷卻塔，盡量少用冷水機組。

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

1.1 系統運行模式

（1）冷卻塔模式（模式1）

當室外溫度低于8℃時（滯后量2℃），系統以冷卻塔模式運行，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℃為系統進入某運行模式的條件、滯后量為2℃，則當室外溫度高于10℃時，系統退出該模式；如以溫度高于10℃為系統進入某運行模式的條件、滯后量為-2℃，則當室外溫度低于8℃時，系統退出該模式。

（2）井水模式（模式2）

當室外溫度高于10℃（滯后量-2℃），且同時滿足下列條件時，系統以井水模式運行，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（前者預冷，后者深冷），先控制換熱器HE1、HE2預冷，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）

當室外溫度高于10℃（滯后量-2℃），且下列任一條件滿足時，系統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。

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

各模式下開關閥的控制狀態如表1所示。

1.2 冷水機組低負荷控制

圖1 某大型車間冷源系統圖

運行負荷大于額定最小負荷時，冷水機組正常運行；小于額定最小負荷時，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荷控制比較合理的設定最小值，所以需要設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，額定最小負荷為150kW（15%）。在冷水機組進出水溫差為設定最小值2℃時，額定最小負荷下的流量約為64m3/h。也就是說，流量C2大于64m3/h時，冷水機組可以正常運行；當流量C2小于64m3/h時，系統在模式2下運行即可滿足要求。

表1 各模式下開關閥的控制狀態表

2 一次泵及二次泵控制

（1）連鎖控制

系統有5個二次泵（PU11～PU15，4用1備），根據負荷情況，啟動1～4個運行；有5個一次泵（PU6～PU10，4用1備），根據負荷情況，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30s，則關停所有正在運行的一次泵和二次泵，并進行報警。

（2）二次側壓差控制

冷水用戶負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速和旁通閥RV8的開度，使供回壓差DP1維持在設定值（3.5bar）上。其控制方式如下：

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

◆ 當PI值為50%～100%時，控制二次泵的轉速為40%～100%。

若二次泵的轉速持續兩分鐘不低于98%，增加一個泵運行；當多于一個泵運行時，若轉速持續兩分鐘低于60%，減少一個泵運行。

（3）一次側水量控制

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兩分鐘不低于98%，增加一個泵運行；當多于一個泵運行時，若運行頻率持續兩分鐘低于60%，減少一個泵運行。

（4）故障切換

當一/二次泵出現故障（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、井水調節閥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，相應地打開冷水閥，以PI法控制井水調節閥，關閉井水旁通閥。

關閉換熱器時，相應地關閉冷水閥、井水調節閥，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，關閉所有換熱器和井水泵。

當一次側流量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。

當一次側流量C2小于180m3/h時，關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節閥，使換熱器產生的冷水溫度達到設定值（14℃）。

當控制井水調節閥的輸出值大于5%時，啟動相應的井水泵。

當控制井水調節閥的輸出值為零時，關閉相應的井水泵。

（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，即進行報警并關閉泵。

當任一泵發生故障(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、冷卻水調節閥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法控制冷卻水調節閥之前，先啟動冷卻水泵。

關閉冷水機組時，在關停冷卻水泵之前，關閉冷水閥和冷卻水調節閥。

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），則先關停冷水機組，再關停所有正在運行的冷卻水泵，并進行報警。

4.1 冷水機組啟停控制

每臺冷水機組本身有單獨的控制器。控制器和系統PLC控制柜之間采用RS485、Modbus通信，收到來自系統PLC控制柜的啟動信號后，當內部的水流開關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節閥延時關閉（延遲時間應滿足冷水機的要求）。

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，關閉所有冷水機組。

（1）模式3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。

當一次側流量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。

當一次側流量C2小于550m3/h時，關閉第四個冷水機組；小于360m3/h時，關閉第三個冷水機組；小于170m3/h時，關閉第二個冷水機組。

（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。

當一次側流量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。

當一次側流量C2小于409m3/h時，關閉第四個冷水機組；小于266m3/h時，關閉第三個冷水機組；小于123m3/h時，關閉第二個冷水機組。

4.2 冷水機組的冷卻水溫度控制

以PI法控制冷卻水調節閥和冷卻塔變頻風機，使冷卻水溫度達到目標設定值（40℃），其控制方式如下：

◆ 當PI值為0～30%時，控制冷卻水調節閥開度為0～100%；

◆ 當PI值為30%～100%時，控制冷卻塔變頻風機轉速為0～100%。

5 換熱器HE3控制

在模式1下，系統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達到目標設定值（40℃）；同時，通過另一個正向PI控制使冷卻水溫度TS7不低于設定值（3℃）；取兩個PI值中的較小值按如下方式控制：

◆ 當PI值為0～30%時，控制冷卻水調節閥（RV3）開度為0～100%；

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

◆ 當PI值為60%～100%時，控制冷卻塔變頻風機轉速為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，打開相應的冷卻塔閥；關閉冷卻塔時，關閉相應的冷卻塔閥。

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機轉速為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。

當冷卻水流量C4小于745m3/h時，關閉第四個冷卻塔；小于490m3/h時，關閉第三個冷卻塔；小于235m3/h時，關閉第二個冷卻塔。

（3）冷卻風機控制

冷卻風機控制的相關值共有六個：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機的實際控制值。

當風機變頻器的實際控制值大于5%時，打開風機；在模式1下，當調節閥RV3開度小于0.2%時，關停風機；在模式3或模式4下，當調節閥RV4～RV7開度小于0.2%時，關停風機。

6.2 冷卻塔模式

冷卻塔為干濕兩用冷卻塔。當室外溫度低于15℃時，冷卻塔以干式模式運行，噴淋泵關閉；當室外溫度高于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實現因噴淋而蒸發消耗的水量的自動補充，使水位保持在設定高度。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。水位開關檢測冷卻塔水位，并與噴淋泵互鎖。

6.4 冷卻塔排水報警

當室外溫度低于5℃后，系統進行報警，通知維護人員手動排出冷卻塔內的水。

6.5 冷卻塔故障切換

當冷卻塔發生變頻器風機故障、維修開關關閉、噴淋泵故障、水位過低、通信故障、遠程I/O站電源關閉等故障時，切換到下一個冷卻塔。

7 結束語

實踐中，應根據設備參數和運行工況計算、調試其控制參數，使系統運行在最佳狀態。設備長時間運行后，其性能會有所變化，所以控制參數也需要調整。可以讓系統在運行過程中根據設備參數和運行工況自動計算和調節控制參數，以提高系統的智能性。