工藝冷卻水系統溫控改造研究

黃福山

上海源仝機電設備有限公司 上海 201419

1 工藝冷卻水概述

筆者單位有一臺大型高級醫用設備，耗電量大，對溫度要求嚴格，一般要求溫度控制在27℃，誤差要求在1℃范圍內。為了保證這一設備恒溫工作，配備了一次工藝冷卻水、二次工藝冷卻水、三次工藝冷卻水三疊式冷卻系統，以及五組電加熱器、三臺冷水機組、36臺水泵、15臺風機、多種電柜等控制設備。設備一旦開啟，每小時的耗電量在1 160 kWh以上。即使配置了如此多的制熱制冷設備，有時仍然難以保證溫度滿足要求，還浪費了能源。

基于此，需要對工藝冷卻水系統進行溫控改造。為了保證脫硫系統的安全運行，需要保持工藝水箱水位為給定數值。當脫硫吸收塔入口溫度、蒸汽溫度等因素變化時，會引起工藝冷卻水箱水位的變化。這時，值班操作員根據水位計指示值與標尺上給定值之差，操作控制閥的開度，改變給水流量，使工藝冷卻水箱水位回到給定值。如果用設備代替值班操作員，那么工藝冷卻水箱水位h經測量變送器測量并轉換為具有一定函數關系的電信號h1，與水位給定值h2進行比較，將兩者之差（h2-h1）送入控制器。控制器根據偏差的正負及大小，發出一定規律的輸出控制信號，指揮執行器操作給水控制閥的開度，改變給水流量，從而改變工藝冷卻水箱的水位。

自動控制系統按工作原理分為反饋控制系統、前饋控制系統和反饋前饋控制系統，工藝冷卻水箱的水位控制為反饋控制系統。反饋控制系統的基本工作原理是根據被控量與給定值之間的誤差進行控制，最后消除誤差。為了取得誤差信號，需要有被控量測量值的反饋信號，從而將系統構成一個閉合回路，這種系統也稱為閉環控制系統。控制器根據水位與給定值的誤差控制給水量，以改變水位。水位測量值反饋到控制器構成閉環，控制器再根據誤差校正給水量，最后消除誤差。

工藝冷卻水系統的聯鎖保護為：工藝水箱液位不超過1 m，延時30 s停工藝冷卻水泵；工藝水箱溫度超過70℃停工藝冷卻水泵；床層壓降低于500 Pa超過5 s，停工藝冷卻水泵；吸收塔出口溫度低于70℃，停工藝冷卻水泵；工藝冷卻水泵出口電動閥關到位超過10 s，停工藝冷卻水泵。工藝冷卻水泵啟動順序為：啟動工藝冷卻水泵，工藝冷卻水泵出口電動閥打開，水槍回水調節閥打開至100%，回水關斷閥打開。工藝冷卻水系統自動控制設備有水箱液位計、水箱水溫測點、水泵出口電動閥、水箱補水氣動閥、回水調節閥、電磁流量計等。

2 改造前溫控情況

如圖1所示，負載的工作溫度要求為27±1℃ 。當負載溫度高于27℃時，三疊式工藝冷卻系統對設備降溫。當負載溫度低于27℃時，冷卻系統自動停機，電加熱器自動通電加熱，使設備升溫。通過升溫和降溫保證負載溫度為27±1℃，控溫精度要求高。

▲圖1 溫控系統示意圖

由圖1可知，使設備恒溫實際上是對一次工藝冷卻水調溫。當設備超溫需要降溫時，一次工藝冷卻水帶走設備的熱量，自身溫度有升高的趨勢，二次工藝冷卻水帶走一次工藝冷卻水的熱量，又使一次工藝冷卻水溫度降溫。一次工藝冷卻水到底是升溫還是降溫，取決于設備產生的熱量和二次工藝冷卻水帶走的熱量是否平衡。如果二次工藝冷卻水帶走的熱量不足以抵消設備產生的熱量，那么二次工藝冷卻水要提升流量，加強對一次工藝冷卻水的降溫效果。如果還不行，那么三次工藝冷卻水將自動啟動，幫助二次工藝冷卻水提升冷卻能力。當設備溫度低于27℃需要升溫時，自動關閉冷卻控制，啟動電加熱器，根據升溫強度自動選擇加熱的擋位和功率。只要控制合理，調節得當，就可以保證負載設備達到基本恒溫。但實際情況是，這一溫控方案并不完善，如三通閥的開度調節僅受溫度取樣點溫度的約束。溫度取樣點溫度高于標定溫度，三通閥就打開。溫度取樣點溫度等于標定溫度，三通閥門就關閉。溫度取樣點溫度低于標定溫度，加熱器就自動開啟。控制粗糙，控制變量選擇單一，造成了控制精度差，出現過調或欠調。特別是過調，會使制熱或制冷裝置過度工作，從而造成能源浪費，降低控制效率。由此可見，需要對工藝冷卻水系統進行溫控改造。

3 溫度檢測點

對系統溫控最有影響的變量是一次工藝冷卻水的溫度，因此對測溫進行研究。

如圖2所示，在一次水回路中，溫度從B點傳導到A點約有25 s的延時，溫度有損失。溫度從D點傳導到C點約有15 s的延時，溫度有損失。一次水循環一周大約要40 s。

設備側是產熱源，也是受控源。根據水的流向，不難判定：降溫控制時，A點溫度高于B點溫度，D點溫度高于C點溫度；升溫控制時，A點溫度高于B點溫度。

根據分析結果，可以得到結論：用單一的A點溫度來進行恒溫控制，過于粗糙，控制準確度低。要達到所要求的精度，必須進行溫控改造。

▲圖2 溫度測點示意圖

4 溫控改造方案

進行溫度改造時，需要制訂控制關系表，具體包括：① 負載在標準溫度（27℃）下，每升高0.1℃所需要的熱量；② 負載在標準溫度（27℃）下，每降低0.1℃所需要的冷量；③電加熱功率強度的切換溫度表；④工藝冷卻水系統接入的溫度調節表；⑤以上各表的輸入地址。編制控制關系的運作程序，制訂溫度取樣規則，并送入計算機由運作程序進行處理。這其中，最重要的是溫度取樣規則。

一次工藝冷卻水從B點經電加熱器到達A點，有35 s的延時，造成B點溫度低于A點。假設B點溫度為27℃，A點溫度為28℃，這時如果將B點視為溫度檢測點，那么一次工藝冷卻水不需要調控，但實際上負載溫度已是28℃，導致欠調，負載溫度超標。如果將A點視為溫度檢測點，那么負載因溫度超標而需調控，結果會導致三通閥的開度加大，一次工藝冷卻水溫度降溫，B點溫度降為26℃，A點溫度降為27℃。B點低溫水流到電加熱器，就會啟動電加熱器加熱，關斷三通閥，引起錯控，造成加熱器能源浪費。以上分析表明，只要A點、B點之間有1℃以上的溫差，A點或B點就都不能單獨用來作為溫度檢測點。

通過研究探討，在系統設備出水口設置D點，在板交進水口設置C點。為了解決三通閥調節延時性導致超溫的問題，取C點和D點兩點溫度的大值進行提前調節，將A點的溫度設為27℃基礎值，B點溫度仍然為電加熱器工作的監測點。

通過以上方案，解決了調節延時的問題，也解決了過調的問題。

5 改造后成效

改造前工藝冷卻水系統溫控效果不理想，雖然大多數情況溫度被控制為27±1℃，但有相當時間超出了1℃。溫度曲線波動大，說明過調頻繁，能源浪費多。

改造后溫控效果理想，工藝冷卻水系統溫度均沒有超過27±0.5℃，能源浪費也有所減少。可見，改造后節能效果明顯。