上海卷烟厂冷冻站自动控制的工程实践研究

郁晓波

上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂

关键字：冷冻站；节能；自动控制

前言

卷烟的连续生产过程中会产热、产湿、产尘，为保证卷烟产品的质量，卷烟的连续生产需要在一个恒温恒湿的环境中完成。卷烟生产区域面积较大，负荷影响因素较多，通常24小时连续生产，且温湿度控制精度要求较高等原因导致卷烟厂的空调系统能源消耗占卷烟生产电耗的20%以上。因此如何实现在满足卷烟厂生产车间恒温恒湿环境的前提下，减少空调系统能耗已成为卷烟厂实现节能减排工作目标的重要途经之一。

本文以上海卷烟厂冷冻站冷冻节能控制工程实践的研究案例，提出冷冻节能控制方式,即利用自动控制技术对冷冻站内部的相关设备（冷水机组、水泵、冷却塔、阀门）进行自动化监控，在满足现场冷量需求的前提下，使冷冻站内的设备达到最高效率的运行状态。通过数据的比对，论证了在保证卷烟厂恒温恒湿环境生产的前提下节能效果。

1 冷冻站运行现状及能效诊断

1.1 设备现状及运行管理

上海卷烟厂787冷冻站年消耗电能约840万kWh，站内采用二次泵二管制设计，包含6台离心水冷机组。冬季可通过阀门切换将其中的3台离心机旁路，并通过6台板换实现“免费制冷”。所有离心机都单独配置1台冷却水泵和1组工频的冷却塔（含4台风机）。冷冻水二次泵共7台，供应制丝、卷包、高露点等空调的冷冻水。所有水泵都安装了变频器。

（1）设备控制

787冷冻站的运行人员可以通过安装在787冷冻站及相关车间内传感器、电动阀门、控制器等设备，远程监测末端的室内温度，监控冷冻站内所有冷机、水泵、冷却塔等。

（2）设备运行

采用人工控制方式调整冷冻机房各设备的运行，安装的变频器均为定频45Hz左右运行。

1.2 能效诊断

787冷冻站分别供冷量给10多个分散设备，涉及6台冷机和20多台水泵。经能效诊断可知，目前有以下几个因素导致冷冻站运行能耗偏高，有节能的潜力。

（1）冷冻站运行与末端负荷脱节

冷量用户散布在厂内各处，随着季节、天气、时间等因素的变化，它们的空调负荷需求也处于动态变化。我们尚未充分利用这些丰富的实时信息准确计算末端的制冷需求，导致整个空调系统时有处于“盲控”状态，不可避免地造成空调“过供应”。

（2）定频运行

水泵均已安装变频器，但长期按照人工设定的固定频率运行(多数在45Hz以上)，冷冻站仅仅依靠冷机自身的负荷响应程序适应负荷的波动。

综上所述，上海卷烟厂通过对787冷冻站内部的相关设备进行自动化的监控，利用先进的冷冻节能控制方式，在保证达到工艺标准要求的前提下，合理配置资源，使能耗降到最低。

2 冷冻站节能改造

2.1 节能整改方案

上海卷烟厂针对787冷冻站采用了真正实用的集控制、优化与能效于一体的新冷冻控制方式。从原有的控制系统获得需求侧和供应侧的信息，并将运行指令发往现有的控制系统实现冷冻站的全自动节能运行，包括：冷机的启停与供水温度调节、冷机阀门的开合、冷却塔的启停、冷冻水泵的启停与频率调节等。系统将根据相关阀门的状态（手动切换）判断冷机是否旁路，以及“免费制冷”用的板式换热器是否可用，当板换可用时，将最优化板换的使用。

上海卷烟厂787冷冻站的运行控制系统建立了新的节能控制系统逻辑。改造后，787冷冻站控制系统以实时通讯方式获得冷冻站的各类参数，通过远程操作实现冷冻机组、水泵、冷却塔等设备的启停及容量调节控制。相关改造内容主要包括以下几方面：

（1）冷冻机组台数控制

冷冻机组的控制是由其自身的控制系统完成，控制系统通过对冷热负荷的计算，根据用户端的负荷情况向其控制系统提交启停控制要求。

控制系统主要根据供回水管的流量及供回水温差，计算负荷，对冷冻机组进行群控。

（2）冷却塔控制

对冷却塔的控制策略是冷却塔投入的数量依冷却水温而定。当冷却水温度高于设定值时，先根据实际温度与设定温度的差值来决定增加冷却塔的启动台数，在启动后30分钟冷却水供水温度仍高于设定值，仍需增加冷却塔的台数。当供水水温低于设定值时减少冷却塔运行台数，以降低能耗。

（3）冷冻水泵、冷却水泵的监控

监测运行状态、故障状态，变频器故障、变频反馈，根据压差对水泵进行台数控制及频率连锁控制启停。

（4）系统联动次序

联动启动顺序：冷却水塔电动蝶阀—冷冻机的冷凝器电动蝶阀—冷却水泵—冷冻机的蒸发器电动蝶阀—冷冻水泵—制冷机。

根据测量的冷却水供/回水温差，启停冷却塔及控制运行数量。

联动停止顺序：制冷机（延时5分钟）—冷冻水泵—冷冻机的蒸发器电动蝶阀—冷却水泵—冷冻机的冷凝器电动蝶阀—冷却水塔电动蝶阀—冷却水塔风机。

（5）冷水机组通讯接口

控制系统通过OPC协议与中华专线IFIX上位系统相连，获取冷机相关数据。

首先，通过比较各机组的负荷率及电流参数，再与管道系统负荷综合比较后确定机组的开启台数更为科学。

其次，制定控制软件应急切出预案。

由于制冷站主要给空调系统提供冷冻水，满足空调系统除湿要求，因此试运行时如果出现冷冻水温不满足空调系统除湿要求，需要人为进行干预，将控制软件进行应急切出，转入人工控制。

节能控制系统正常时，送水温度及送水压力会围绕某一设定值进行周期性上下调节。

当操作人员发现送水缸的压力长时间过低或过高、送水温度长时间过高时，可以进行人为干预，即将处于自动控制状态的设备切回到手动状态，进行人工调节，恢复正常的送水压力和送水温度。

2.2 节能效果验证

本文采用以自然日为单位交替运行原有的人工控制系统和新建的节能控制系统进行节能效果对比，期间剔除明显受天气、负荷、维护等影响的样本，两个测试样本分别见表1和表2。

表1 原有的人工控制系统测试样本

表2 新建的节能控制系统测试样本

由表1和表2可知，测试期间冷冻站采用节能控制系统运行，比人工控制系统室内平均温度波动低0.1℃，同时与人工控制系统相比日均电耗下降2018.0kWh，平均下降4.7%。显然787冷冻站应用节能控制系统运行后，在进一步有效保证卷烟厂生产的温湿度工艺标准的同时，达到了显著的节能降耗效果。

3 结论及展望

上海卷烟厂787冷冻站冷冻节能控制方式改造，通过利用自动控制技术对冷冻站内部的相关设备（冷水机组、水泵、冷却塔、阀门）进行自动化的监控，实现了满足卷烟厂生产工艺要求的同时，取得了良好的经济和节能效果。

本文针对上海卷烟厂787冷冻站冷冻节能控制方式改造进行了工程实践研究，通过对该冷冻站进行能效诊断，分析了该冷冻站设备运行现状及能耗，在充分利用现有的设备和控制系统，不破管，不干扰冷冻站的正常运行的前提下，对冷冻站进行冷冻控制方式改造。经测试可知，该项改造平均节电率4.7%，在实施“节能减排”的同时，对我国烟草等行业的冷冻站节能改造的工程实践具有一定的借鉴意义。