某生物制藥制冷機房的高效機房改造實踐

林滿陽，黃俊(信達生制藥集團，江蘇 蘇州 215000)

1 高效機房的發展現狀與前景

根 據ASHRAE 對 高 效 機 房(high-efficiency optimized chiller plants)的定義，能效比EER 大于5.0(0.7kW/RT)的制冷機房為優秀(excellent)，稱為高效機房，其中以水冷式冷水機組為例:

國內的制冷機房實測EER 大多在3.5 以下。導致機房能效比偏低的主要原因有以下幾點：第一，系統在部分負荷工況下運行時間占比過大；第二，制冷機房的控制邏輯混亂；第三，水泵揚程選擇過大從而增大了水泵運行能耗；第四，機房設備主要由人工操作和維護，導致設備長期帶病運行等狀況。

高效機房的建設正是針對上述痛點，在機房的設計和改造過程中系統性地實施下列措施：一是對運行策略進行優化，確保系統能夠長時間運行在高效率區；二是對設備進行優化，以高效設備汰換低效設備；三是對管路進行優化，減少沿程與局部阻力；四是對控制系統進行優化，通過智能控制技術實現機房無人值守運行，排除人工操作的不確定性。

2019 年6 月，國家發展改革委員會、工業和信息化部、生態環境部等七部門聯合印發了《綠色高效制冷行動方案》。方案中指出“到2030 年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平提升25% 以上，綠色高效制冷產品市場占有率提高40%以上，年節電4 000 億kWh 左右”。高效機房作為制冷系統節能的重要手段在這一政策背景下有望成為新的熱點。可以預見高效機房的技術與市場在未來都會有長足的發展[1]。

2 高效機房改造項目背景

生物制藥車間為了保證生產環境，公用工程都是全年24 h運行的，車間能耗主要是公用工程的耗電，占比約達80%。而制冷機房(冷水機組、循環水系統、冷凍水循環系統等)的耗電量又占了公用工程耗電量的64.3%，是能耗大戶。案例車間制冷機房由于系統設計、建造較早，運行監控和管理相對簡單，有較大提升空間。公用工程用電組成如表1 所示。

表1 公用工程用電組成

案例車間高效制冷機房包含三套制冷系統：空調冷凍水系統(6/12 ℃)，使用3 臺2 650 kW 離心式冷水機組(1 臺變頻)，綜合能效比EER=3.95；工藝冷凍水系統(7/13 ℃)，使用3 臺1 600 kW 離心式冷水機組(1 臺變頻)，EER=4.02；低溫工藝冷凍水系統(-5/0 ℃)，使用2 臺500 kW 水冷螺桿式乙二醇低溫機組，EER=3.10。

空調系統需要24 h 運行，負荷變化受季節變化、早晚室外溫度變化和工藝房間溫濕度變化的影響。既有控制系統為手動控制，不能滿足精益、高效運行控制。

計劃對該制冷機房進行高效機房改造，使空調冷凍水系統和工藝冷凍水系統達到高效機房的標準，即綜合能效比EER不小于5.0，低溫工藝冷凍水系統的EER 達到4.0，從而實現制冷機房節能降耗的目的。

3 高效機房的解決方案

通過對制冷機房現狀進行分析，并結合國際上高效機房的最新科技成果，本次高效機房改造主要涉及以下三個方面：設備的優化、管路的優化與控制的優化。

3.1 設備的優化

設備性能和能效水平是制冷機房實現高效的基礎。本項目制冷機房所使用的冷水機組均滿足一級能效標準，水泵均滿足二級能效標準，具有較好的節能效果。現有的所有水泵和冷卻塔風機都是定頻運行，以冷卻塔風機為例，長期定頻運行下存在以下問題：(1)隨季節、晝夜變化，負荷隨之變化，但定頻風機轉速不可調節，造成能源浪費，增加運行成本；(2)啟動困難，直接啟動，啟動電流大，對電網存在沖擊[2]。因此項目為所有冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔風機安裝變頻器，對上述設備實現全變頻控制[2]。

3.2 管路的優化

通過對空調冷卻水管路阻力的校核，發現冷卻水管路的流速小于2.5 m/s，比摩阻小于108 Pa/m，總阻力為23 m 水柱。

由于冷卻塔的積水盤并不聯通，原設計中沒有平衡管，冷卻塔出水管也沒有電動閥，故當冷卻塔及其進水電動閥關閉時，冷卻水不斷被抽走補水，導致其他冷卻塔溢水。

冷卻水泵、冷凍水泵以及冷機入口管路原設計為Y 型過濾器，Y 型過濾器過濾面積小，且濾網為大孔徑的不銹鋼孔板，內附不銹鋼細濾網，阻力較大，水頭損失一般為1～3 m，占到管路總阻力的5%～12%。

基于上述現有管路條件，對管路系統改造如下：以45o彎頭取代直角彎頭，如圖1 所示對冷卻塔加裝平衡管和出水電動閥；考慮到空調水系統可允許直徑＜2 mm 雜質的存在而不會造成設備的損壞，項目以較大濾孔(10 目，孔徑)、較大過濾面積的過濾器替換原有過濾器。

通過上述管路優化措施的改造，整個管路系統的總阻力可下降約2 m 水柱。

圖1 管道線路優化示例

3.3 控制的優化

3.3.1 控制概述

制冷機房原有的控制系統只有溫度、壓力、流量檢測和設備遠程啟停功能，不具備根據溫度和流量進行自動調節控制功能和加減機功能。對制冷機房的控制主要從以下幾個方面進行優化和改造，如圖2 所示：(1)通過增設相應的現場控制器輸入模塊來監視系統各部分的溫度、壓力、流量、設備狀態和故障報警等；(2)通過增設相應的現場控制器輸出模塊來控制電動閥門、水泵和冷卻塔風機等；(3)通過通訊線連接冷機至網絡控制引擎，再由網絡控制引擎將BAS 現場網絡轉換至IP 網絡后經由交換機連接到工廠內網，從而在電腦上實現對制冷機房運行狀況的監控；(4)增加新的控制邏輯來實現對整個制冷機房的智能控制。

圖2 制冷機房控制系統網絡拓撲圖

3.3.2 群控邏輯

(1)設備順序啟停

一鍵開機順序：①開啟冷卻側、冷凍側電動水閥；②冷卻塔風扇根據冷卻塔出水溫度判斷是否開啟；③開啟冷卻側、冷凍側水泵；④開啟冷機。

一鍵關機順序：①關閉冷機；②關閉冷卻塔風扇，延時關閉冷卻側(3 min)、冷凍側水泵(5 min)；③關閉冷卻側、冷凍側電動水閥。

(2)冷水機組自動加減機

生物制藥生產車間要求空調和工藝冷凍水的供水溫度分別穩定在6 ℃和7 ℃。空調系統是連續24 h 用冷，工藝設備是間歇用冷，因此冷水機組的自動加減機是保證機房高效運行的關鍵。控制系統通過冷凍水供水溫度與機組運行的電流百分比，自動加減冷水機組運行臺數。冷水機組的加減機控制邏輯如圖3 所示，其中FLA%為電流百分比，CHWT 為冷凍水供水溫度，CHWT.STP 為冷凍水供水溫度的設定值[3]。

圖3 冷水機組加減機控制邏輯

(3)冷凍水恒壓差控制

冷凍水供回水壓差控制冷凍泵頻率、冷凍水旁通閥；當冷凍泵最小頻率運行時，供回水壓差還是超過設定值，開啟冷凍水旁通電動閥。

(4)冷卻水泵溫差控制

冷卻水泵的運行頻率根據冷卻水供回水溫差(5 ℃可調)調節。

(5)冷卻塔風扇變頻控制

冷卻塔的運行臺數與風機頻率根據冷卻塔出水溫度(濕球溫度加3 ℃)調節；當冷卻塔出水溫度低于設定溫度，關閉冷卻塔風扇，啟動冷卻水旁通閥。

(6)設備故障切機

冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機都具備故障切機功能，保證整個機房系統穩定運行。

4 節能效果分析

以高效機房改造后的空調冷凍水系統為例，對改造后的節能效果進行分析。

根據制冷機房過去的運行記錄與能耗數據得出改造前的年耗電量與EER。根據高效機房改造方案，結合室外氣象參數與廠房的運行特點，使用eQUEST 能耗模擬軟件對改造后制冷機房在相同負荷下的運行能耗進行模擬計算，得到改造后的預期年耗電量與EER 比。兩者對比之下，得出年節電量、節能率與年節電費如表2 所示。其中電費按0.6 元/kWh 計算。項目改造空調冷凍水系統部分的總費用約為160 萬元，經計算得出的靜態回收期約為1.5 年[4]。

表2 高效機房改造前后能效對比

5 結語

通過高效機房改造項目的實施，年節約用電量約180 萬kWh，節能率達到22.9%，年節約費用約108 萬元，靜態投資回收期為1.5 年，節能效益顯著。同時，通過對控制系統和控制邏輯優化，實現了機組和系統的遠程自動化控制，基本不需要人工干預調節或啟停機組，運行人員在中控室可以通過控制系統的監控界面，實時掌握機房運行情況和負荷變化情況，達到“智能化”控制。