某生物制药制冷机房的高效机房改造实践

林满阳，黄俊(信达生制药集团，江苏 苏州 215000)

1 高效机房的发展现状与前景

根 据ASHRAE 对 高 效 机 房(high-efficiency optimized chiller plants)的定义，能效比EER 大于5.0(0.7kW/RT)的制冷机房为优秀(excellent)，称为高效机房，其中以水冷式冷水机组为例:

国内的制冷机房实测EER 大多在3.5 以下。导致机房能效比偏低的主要原因有以下几点：第一，系统在部分负荷工况下运行时间占比过大；第二，制冷机房的控制逻辑混乱；第三，水泵扬程选择过大从而增大了水泵运行能耗；第四，机房设备主要由人工操作和维护，导致设备长期带病运行等状况。

高效机房的建设正是针对上述痛点，在机房的设计和改造过程中系统性地实施下列措施：一是对运行策略进行优化，确保系统能够长时间运行在高效率区；二是对设备进行优化，以高效设备汰换低效设备；三是对管路进行优化，减少沿程与局部阻力；四是对控制系统进行优化，通过智能控制技术实现机房无人值守运行，排除人工操作的不确定性。

2019 年6 月，国家发展改革委员会、工业和信息化部、生态环境部等七部门联合印发了《绿色高效制冷行动方案》。方案中指出“到2030 年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平提升25% 以上，绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上，年节电4 000 亿kWh 左右”。高效机房作为制冷系统节能的重要手段在这一政策背景下有望成为新的热点。可以预见高效机房的技术与市场在未来都会有长足的发展[1]。

2 高效机房改造项目背景

生物制药车间为了保证生产环境，公用工程都是全年24 h运行的，车间能耗主要是公用工程的耗电，占比约达80%。而制冷机房(冷水机组、循环水系统、冷冻水循环系统等)的耗电量又占了公用工程耗电量的64.3%，是能耗大户。案例车间制冷机房由于系统设计、建造较早，运行监控和管理相对简单，有较大提升空间。公用工程用电组成如表1 所示。

表1 公用工程用电组成

案例车间高效制冷机房包含三套制冷系统：空调冷冻水系统(6/12 ℃)，使用3 台2 650 kW 离心式冷水机组(1 台变频)，综合能效比EER=3.95；工艺冷冻水系统(7/13 ℃)，使用3 台1 600 kW 离心式冷水机组(1 台变频)，EER=4.02；低温工艺冷冻水系统(-5/0 ℃)，使用2 台500 kW 水冷螺杆式乙二醇低温机组，EER=3.10。

空调系统需要24 h 运行，负荷变化受季节变化、早晚室外温度变化和工艺房间温湿度变化的影响。既有控制系统为手动控制，不能满足精益、高效运行控制。

计划对该制冷机房进行高效机房改造，使空调冷冻水系统和工艺冷冻水系统达到高效机房的标准，即综合能效比EER不小于5.0，低温工艺冷冻水系统的EER 达到4.0，从而实现制冷机房节能降耗的目的。

3 高效机房的解决方案

通过对制冷机房现状进行分析，并结合国际上高效机房的最新科技成果，本次高效机房改造主要涉及以下三个方面：设备的优化、管路的优化与控制的优化。

3.1 设备的优化

设备性能和能效水平是制冷机房实现高效的基础。本项目制冷机房所使用的冷水机组均满足一级能效标准，水泵均满足二级能效标准，具有较好的节能效果。现有的所有水泵和冷却塔风机都是定频运行，以冷却塔风机为例，长期定频运行下存在以下问题：(1)随季节、昼夜变化，负荷随之变化，但定频风机转速不可调节，造成能源浪费，增加运行成本；(2)启动困难，直接启动，启动电流大，对电网存在冲击[2]。因此项目为所有冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风机安装变频器，对上述设备实现全变频控制[2]。

3.2 管路的优化

通过对空调冷却水管路阻力的校核，发现冷却水管路的流速小于2.5 m/s，比摩阻小于108 Pa/m，总阻力为23 m 水柱。

由于冷却塔的积水盘并不联通，原设计中没有平衡管，冷却塔出水管也没有电动阀，故当冷却塔及其进水电动阀关闭时，冷却水不断被抽走补水，导致其他冷却塔溢水。

冷却水泵、冷冻水泵以及冷机入口管路原设计为Y 型过滤器，Y 型过滤器过滤面积小，且滤网为大孔径的不锈钢孔板，内附不锈钢细滤网，阻力较大，水头损失一般为1～3 m，占到管路总阻力的5%～12%。

基于上述现有管路条件，对管路系统改造如下：以45o弯头取代直角弯头，如图1 所示对冷却塔加装平衡管和出水电动阀；考虑到空调水系统可允许直径＜2 mm 杂质的存在而不会造成设备的损坏，项目以较大滤孔(10 目，孔径)、较大过滤面积的过滤器替换原有过滤器。

通过上述管路优化措施的改造，整个管路系统的总阻力可下降约2 m 水柱。

图1 管道线路优化示例

3.3 控制的优化

3.3.1 控制概述

制冷机房原有的控制系统只有温度、压力、流量检测和设备远程启停功能，不具备根据温度和流量进行自动调节控制功能和加减机功能。对制冷机房的控制主要从以下几个方面进行优化和改造，如图2 所示：(1)通过增设相应的现场控制器输入模块来监视系统各部分的温度、压力、流量、设备状态和故障报警等；(2)通过增设相应的现场控制器输出模块来控制电动阀门、水泵和冷却塔风机等；(3)通过通讯线连接冷机至网络控制引擎，再由网络控制引擎将BAS 现场网络转换至IP 网络后经由交换机连接到工厂内网，从而在电脑上实现对制冷机房运行状况的监控；(4)增加新的控制逻辑来实现对整个制冷机房的智能控制。

图2 制冷机房控制系统网络拓扑图

3.3.2 群控逻辑

(1)设备顺序启停

一键开机顺序：①开启冷却侧、冷冻侧电动水阀；②冷却塔风扇根据冷却塔出水温度判断是否开启；③开启冷却侧、冷冻侧水泵；④开启冷机。

一键关机顺序：①关闭冷机；②关闭冷却塔风扇，延时关闭冷却侧(3 min)、冷冻侧水泵(5 min)；③关闭冷却侧、冷冻侧电动水阀。

(2)冷水机组自动加减机

生物制药生产车间要求空调和工艺冷冻水的供水温度分别稳定在6 ℃和7 ℃。空调系统是连续24 h 用冷，工艺设备是间歇用冷，因此冷水机组的自动加减机是保证机房高效运行的关键。控制系统通过冷冻水供水温度与机组运行的电流百分比，自动加减冷水机组运行台数。冷水机组的加减机控制逻辑如图3 所示，其中FLA%为电流百分比，CHWT 为冷冻水供水温度，CHWT.STP 为冷冻水供水温度的设定值[3]。

图3 冷水机组加减机控制逻辑

(3)冷冻水恒压差控制

冷冻水供回水压差控制冷冻泵频率、冷冻水旁通阀；当冷冻泵最小频率运行时，供回水压差还是超过设定值，开启冷冻水旁通电动阀。

(4)冷却水泵温差控制

冷却水泵的运行频率根据冷却水供回水温差(5 ℃可调)调节。

(5)冷却塔风扇变频控制

冷却塔的运行台数与风机频率根据冷却塔出水温度(湿球温度加3 ℃)调节；当冷却塔出水温度低于设定温度，关闭冷却塔风扇，启动冷却水旁通阀。

(6)设备故障切机

冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机都具备故障切机功能，保证整个机房系统稳定运行。

4 节能效果分析

以高效机房改造后的空调冷冻水系统为例，对改造后的节能效果进行分析。

根据制冷机房过去的运行记录与能耗数据得出改造前的年耗电量与EER。根据高效机房改造方案，结合室外气象参数与厂房的运行特点，使用eQUEST 能耗模拟软件对改造后制冷机房在相同负荷下的运行能耗进行模拟计算，得到改造后的预期年耗电量与EER 比。两者对比之下，得出年节电量、节能率与年节电费如表2 所示。其中电费按0.6 元/kWh 计算。项目改造空调冷冻水系统部分的总费用约为160 万元，经计算得出的静态回收期约为1.5 年[4]。

表2 高效机房改造前后能效对比

5 结语

通过高效机房改造项目的实施，年节约用电量约180 万kWh，节能率达到22.9%，年节约费用约108 万元，静态投资回收期为1.5 年，节能效益显著。同时，通过对控制系统和控制逻辑优化，实现了机组和系统的远程自动化控制，基本不需要人工干预调节或启停机组，运行人员在中控室可以通过控制系统的监控界面，实时掌握机房运行情况和负荷变化情况，达到“智能化”控制。