某大型车间冷源系统控制策略

文｜中国汽车工业工程公司自控工程院 张成礼 庞洛明

1 控制原则

某大型车间冷源系统如图1所示。系统使用了井水、冷却塔、冷水机组三种冷源，其中冷水机组是性能指数（COP）最低的冷源，所以应该多用井水或冷却塔，尽量少用冷水机组。

冷源系统主要设备包括冷水机组（压缩机、蒸发器、冷凝器）、冷却塔、水泵、换热器等，各类设备均包含多台设备并行运行。其控制的策略是根据负荷变化，增加或减少设备的运行台数，达到节能的目的。

1.1 系统运行模式

（1）冷却塔模式（模式1）

当室外温度低于8℃时（滞后量2℃），系统以冷却塔模式运行，使用冷却塔为冷源，控制换热器HE3送出14℃的冷水。

滞后量的含义是：满足条件的值与滞后量之和为不满足条件的值。即如以温度低于8℃为系统进入某运行模式的条件、滞后量为2℃，则当室外温度高于10℃时，系统退出该模式；如以温度高于10℃为系统进入某运行模式的条件、滞后量为-2℃，则当室外温度低于8℃时，系统退出该模式。

（2）井水模式（模式2）

当室外温度高于10℃（滞后量-2℃），且同时满足下列条件时，系统以井水模式运行，使用井水为冷源，控制换热器HE1、HE2送出14℃～15.2℃的冷水：

◆ 室外温度高于10℃（滞后量-2℃）；

◆ 温差（TS5与TS1）大于3℃（滞后量-1℃）；

◆ 年井水使用量C3小于1000000m3；

◆ 温度TS4低于14.8℃（滞后量0.4℃）。

（3）“井水+冷水机组”模式（模式3）

当室外温度高于10℃（滞后量-2℃），但在井水模式下温度TS4不能满足低于14.8℃的要求时，系统以“井水+冷水机组”模式运行，同时使用井水和冷水机组为冷源（前者预冷，后者深冷），先控制换热器HE1、HE2预冷，再控制冷水机组RS1～RS4深冷，从而提供13℃的冷水。该模式运行条件如下：

◆ 室外温度高于10℃（滞后量-2℃）；

◆ 温差（TS5与TS1）大于3℃（滞后量-1℃）；

◆ 年井水使用量C3小于1000000m3；

◆ 温度TS4高于15.2℃（滞后量-0.4℃）。

（4）冷水机组模式（模式4）

当室外温度高于10℃（滞后量-2℃），且下列任一条件满足时，系统以冷水机组模式运行，以冷水机组为冷源：

◆ 温差（TS5与TS1）小于2℃（滞后量1℃）；

◆ 年井水使用量C3大于1000000m3。

当室外温度低于8℃（滞后量2℃），但是换热器HE3系统出现故障（如冷却泵PU16故障）时，冷源系统也以冷水机组模式运行。

各模式下开关阀的控制状态如表1所示。

1.2 冷水机组低负荷控制

图1 某大型车间冷源系统图

运行负荷大于额定最小负荷时，冷水机组正常运行；小于额定最小负荷时，停止运行。

在模式3下，2℃的冷水机组进出水温差是冷水机组低负荷控制比较合理的设定最小值，所以需要设定冷水机组出水温度为13℃、进水温度（即换热器HE1、HE2出水温度）高于15℃。

每台冷水机组额定功率为1000kW，额定最小负荷为150kW（15%）。在冷水机组进出水温差为设定最小值2℃时，额定最小负荷下的流量约为64m3/h。也就是说，流量C2大于64m3/h时，冷水机组可以正常运行；当流量C2小于64m3/h时，系统在模式2下运行即可满足要求。

表1 各模式下开关阀的控制状态表

2 一次泵及二次泵控制

（1）连锁控制

系统有5个二次泵（PU11～PU15，4用1备），根据负荷情况，启动1～4个运行；有5个一次泵（PU6～PU10，4用1备），根据负荷情况，启动1～4个运行。

一次泵和二次泵的运行是整个冷源系统运行的必要条件，它们与静压力PS1连锁。若PS1正常（不低于0.5bar），系统可以启动第一个一次泵和第一个二次泵；若PS1过低（低于0.4bar）且持续30s，则关停所有正在运行的一次泵和二次泵，并进行报警。

（2）二次侧压差控制

冷水用户负荷的变化会引起冷水供回压差DP1的波动；因此需要用PI比例积分方法控制二次泵的转速和旁通阀RV8的开度，使供回压差DP1维持在设定值（3.5bar）上。其控制方式如下：

◆ 当 PI值为 0～50%（即 0～0.5）时，控制旁通阀RV8开度为0～100%；

◆ 当PI值为50%～100%时，控制二次泵的转速为40%～100%。

若二次泵的转速持续两分钟不低于98%，增加一个泵运行；当多于一个泵运行时，若转速持续两分钟低于60%，减少一个泵运行。

（3）一次侧水量控制

采用PI控制将一次泵的运行频率控制在40%～100%，使一次侧水流量C2略大于二次测水流量C1（为C1的1.02倍）。

若一次泵的运行频率持续两分钟不低于98%，增加一个泵运行；当多于一个泵运行时，若运行频率持续两分钟低于60%，减少一个泵运行。

（4）故障切换

当一/二次泵出现故障（如变频器故障、过载）时，立即切换到备用一/二次泵。

3 井水控制

在模式2或模式3下，系统使用井水作为冷源，通过控制五个井水泵PU1～PU5和两个换热器HE1、HE2送出冷水。换热器HE1配有井水旁通阀BV1、井水调节阀RV1、冷水阀BV3、出水温度传感器TS2；换热器HE2与之类似。

启动换热器时，相应地打开冷水阀，以PI法控制井水调节阀，关闭井水旁通阀。

关闭换热器时，相应地关闭冷水阀、井水调节阀，打开井水旁通阀。

（1）换热器启动控制

换热器（HE1、HE2）的额定功率为1400kW，假定进水温度为20℃，出水温度为14℃，进出水温差为6℃，则额定功率下的流量约为200m3/h。

进入模式2或模式3时，启动第一个换热器和第一组（第一个和第二个）井水泵。退出模式2或模式3时，关闭所有换热器和井水泵。

当一次侧流量C2大于200m3/h时，启动第二个换热器和第二组（第三个和第四个）井水泵。

当一次侧流量C2小于180m3/h时，关闭第二个换热器和第二组（第三个和第四个）井水泵。

（2）换热器出水温度控制

采用PI法控制换热器的井水调节阀，使换热器产生的冷水温度达到设定值（14℃）。

当控制井水调节阀的输出值大于5%时，启动相应的井水泵。

当控制井水调节阀的输出值为零时，关闭相应的井水泵。

（3）井水泵故障切换

在每个井水泵管路上安装一个流量计。井水泵启动180s后，若流量低于3m3/h，即进行报警并关闭泵。

当任一泵发生故障(如过载或未接到反馈信号)时，切换到下一个可用泵。

4 冷水机组控制

在模式3或模式4下，系统使用冷水机组作为冷源，通过控制4台冷水机组RS1～RS4和4台冷却塔RA1～RA4送出冷水。冷水机组RS1配有冷却水泵PU17、冷却水调节阀RV4、冷水阀BV10、冷却水温度传感器TS9；冷水机组RS2～RS4与之类似。

启动冷水机组时，在打开冷水阀，以PI法控制冷却水调节阀之前，先启动冷却水泵。

关闭冷水机组时，在关停冷却水泵之前，关闭冷水阀和冷却水调节阀。

冷却水泵与静压力PS2连锁。若PS2正常（不低于0.5bar），允许冷却水泵启动；在运行过程中，若PS2过低（低于0.4bar），则先关停冷水机组，再关停所有正在运行的冷却水泵，并进行报警。

4.1 冷水机组启停控制

每台冷水机组本身有单独的控制器。控制器和系统PLC控制柜之间采用RS485、Modbus通信，收到来自系统PLC控制柜的启动信号后，当内部的水流开关检测到冷却水和冷水流动时，启动冷水机组，并自动控制出水温度。

冷水机组停机后，冷却水泵和冷却水调节阀延时关闭（延迟时间应满足冷水机的要求）。

进入模式3或模式4时，启动第一个冷水机组；退出模式3或模式4时，关闭所有冷水机组。

（1）模式3下的冷水机组启停控制

冷水机组（RS1～RS4）的额定功率为1000kW，假定最大进水温度为17.5℃，出水温度为13℃，进出水温差为4.5℃，则额定功率下的流量约为190m3/h。

当一次侧流量C2大于190m3/h时，启动第二个冷水机组；大于380m3/h时，启动第三个冷水机组；大于570m3/h时，启动第四个冷水机组。

当一次侧流量C2小于550m3/h时，关闭第四个冷水机组；小于360m3/h时，关闭第三个冷水机组；小于170m3/h时，关闭第二个冷水机组。

（2）模式4下的冷水机组启停控制

冷水机组（RS1～RS4）的额定功率为1000kW，假定进水温度为20℃，出水温度为14℃，进出水温差为6℃，则额定功率下的流量约为143m3/h。

当一次侧流量C2大于143m3/h时，启动第二个冷水机组；大于286m3/h时，启动第三个冷水机组；大于429m3/h时，启动第四个冷水机组。

当一次侧流量C2小于409m3/h时，关闭第四个冷水机组；小于266m3/h时，关闭第三个冷水机组；小于123m3/h时，关闭第二个冷水机组。

4.2 冷水机组的冷却水温度控制

以PI法控制冷却水调节阀和冷却塔变频风机，使冷却水温度达到目标设定值（40℃），其控制方式如下：

◆ 当PI值为0～30%时，控制冷却水调节阀开度为0～100%；

◆ 当PI值为30%～100%时，控制冷却塔变频风机转速为0～100%。

5 换热器HE3控制

在模式1下，系统使用冷却塔作为冷源，通过控制4个冷却塔RA1～RA4、换热器HE3送出冷水。

通过正向PI控制使冷水温度TS8达到目标设定值（40℃）；同时，通过另一个正向PI控制使冷却水温度TS7不低于设定值（3℃）；取两个PI值中的较小值按如下方式控制：

◆ 当PI值为0～30%时，控制冷却水调节阀（RV3）开度为0～100%；

◆ 当PI值为30%～60%时，控制冷却水泵（PU16）转速为60%～100%；

◆ 当PI值为60%～100%时，控制冷却塔变频风机转速为0～100%。

6 冷却塔控制

在模式1、模式3或模式4下，需要使用冷却塔提供冷却水。冷却塔RA1配有冷却塔阀BV16，冷却塔RA2～RA4与之类似。启动冷却塔时，打开相应的冷却塔阀；关闭冷却塔时，关闭相应的冷却塔阀。

进入模式1、模式3或模式4时，启动第一个冷却塔；退出模式1、模式3或模式4时，关闭所有冷却塔。

6.1 涉及冷却塔的控制

（1）冷却水最低温度控制

冷却水温度TS6不能低于5℃。以PI法控制冷却塔变频风机转速为100%～20%，使冷却水温度TS6不低于5℃。

（2）冷却塔顺序控制

冷却塔（RA1～RA4）的额定功率为1200kW，假定进水温度为45℃，最大出水温度为41℃，进出水温差为4℃，则额定功率下的流量约为255m3/h。

当冷却水流量C4大于255m3/h时，启动第二个冷却塔；大于510m3/h时，启动第三个冷却塔；大于765m3/h时，启动第四个冷却塔。

当冷却水流量C4小于745m3/h时，关闭第四个冷却塔；小于490m3/h时，关闭第三个冷却塔；小于235m3/h时，关闭第二个冷却塔。

（3）冷却风机控制

冷却风机控制的相关值共有六个：四个冷水机组的冷却水温度控制PI值、换热器HE3的冷却水和冷水控制PI值、冷却水最低温度控制PI值。取前五个值中的最大值，再取该最大值和最后一个值中的最小值作为冷却风机的实际控制值。

当风机变频器的实际控制值大于5%时，打开风机；在模式1下，当调节阀RV3开度小于0.2%时，关停风机；在模式3或模式4下，当调节阀RV4～RV7开度小于0.2%时，关停风机。

6.2 冷却塔模式

冷却塔为干湿两用冷却塔。当室外温度低于15℃时，冷却塔以干式模式运行，喷淋泵关闭；当室外温度高于17℃时，冷却塔以湿式模式运行，喷淋泵启动。

6.3 冷却塔水位

在湿式模式下冷却塔利用浮球实现因喷淋而蒸发消耗的水量的自动补充，使水位保持在设定高度。补水管路与软化水站连接。

在湿式模式下冷却塔有最低水位限制。水位开关检测冷却塔水位，并与喷淋泵互锁。

6.4 冷却塔排水报警

当室外温度低于5℃后，系统进行报警，通知维护人员手动排出冷却塔内的水。

6.5 冷却塔故障切换

当冷却塔发生变频器风机故障、维修开关关闭、喷淋泵故障、水位过低、通信故障、远程I/O站电源关闭等故障时，切换到下一个冷却塔。

7 结束语

实践中，应根据设备参数和运行工况计算、调试其控制参数，使系统运行在最佳状态。设备长时间运行后，其性能会有所变化，所以控制参数也需要调整。可以让系统在运行过程中根据设备参数和运行工况自动计算和调节控制参数，以提高系统的智能性。