烟机水冷螺杆机组冷却水系统节能原理与控制方法

2022-03-25甘华钟志民

科技资讯 2022年16期

甘华钟志民

(广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂广西南宁 530300)

水冷螺杆机组也就是人们常说的水冷机，该种冷却机在各行各业中都会有着一定的应用。该冷却机运行噪音小，能效比高，因而在实际使用中能用于企业、酒店等多种工业、公共场所中，确保这些场地中央空调能够得到充足、稳定的冷却水。另外，在一些化学、电子等生产部门中，也可以通过该类冷却机来确保生产中冷却水的供应。由于在冷却工艺中，水冷是应用最广泛的方法，因此这对于冷却水系统的功率就有着更高的要求，且降低冷却水系统的能源消耗有着重要的研究意义。

1 水冷螺杆机组的冷却系统

水冷机系统主要包括3个单元，现简介如下。

1.1 制冷剂循环系统

该系统主要是对制冷剂进行压缩，然后再利用冷凝器和冷却水完成热交换，从而降低冷却水的温度。

1.2 冷却水循环系统

在该系统中，和冷凝器完成热交换后的冷却水通过水泵传输到冷却塔中，然后再通过冷却塔中的风机让周围的空气和冷却水进行热交换，把冷凝器所携带的热量释放到环境中去，待冷却水温度降低后再重新流入冷凝器中。

1.3 冷水循环系统

在该系统中，冷却水经过冷水箱进行储存后，通过水泵传输到烟机设备，和烟机设备内产生的热空气进行热交换，从而降低烟机设备的温度。在有效降低设备温度后，此时冷却水吸收热量再次回到冷水箱中。

经过上述3 个单元的循环，室内热量就不断释放到室外的环境空气中[1]。

2 水冷机冷却水节能方法

根据水冷机工作原理可知，制冷系统在将烟机设备产生的热空气向室外传输时，是受设备工作温度变化影响的。所以，在实际操作中，为了降低水冷机的能源消耗就可以有很多种方式，如对冷水系统进行调节，或者对制冷剂系统的工作情况进行调节等。例如：在调节制冷剂系统的工作情况时，当冷水温度发生变化时，就可以对制冷压缩机的吸气量进行调整，这样压缩机的输入功率也就会发生变化，也就能实现压缩机功率调节的操控过程。常用的调节方法有两种：一种是四档能量调节，另一种是无级能量调节。工业环境中常见的螺杆压缩机品牌都配备有四档能量调节阀，同时压缩机上也安装有可编程控制器，人们在使用压缩机时就可以从进水温度的变化情况准确掌握室内环境温度的变化情况，然后就可以准确调节能量调节阀的大小，这样也就对压缩机的吸气量产生了影响，最终通过压缩机输入功率的变化体现出来，从而降低水冷机的能量消耗。当冷水循环系统中没有安装能量调节单元时，就要在系统外部添加单独的控制单元从而起到降低能耗的作用。在该文中，所研究的主要对象是冷却水循环系统，以期更大限度地减少系统的能量消耗。

冷却水循环系统在工作过程中，受到各个因素的影响，例如系统所处环境温度、压缩机电机热损耗等，这些因素都会对冷凝器的温度造成各种影响，所以为了降低冷凝器温度变化所带来的影响，就要对冷却水的水流量进行适时的调节。当冷凝器温度增加时，就提高冷却水流量，从而提高热交换效率；当冷凝器温度减少时，就使用系统化调整方法，压缩使用的能量，比如调整使用的冷却水、调整水泵运行状态等，这样在制冷剂循环系统中，也能确保制冷剂压力的稳定性，从而提高压缩机的使用安全性。在对冷却水流量进行调节时，可以通过调整水路阀门的打开程度来实现，也可以通过调整水泵系统的运转效率，如水泵转速，达到调节水流量的效果[2]。

2.1 调整冷却水流量方法一：水路阀门

水泵的运转过程的阻力变化情况可知，当水泵的转速保持恒定时，如果增加系统中的管路阻力，那么水泵的扬程也就会随之提高，此时的水流量也会随之减少，也就是当管路阻力升高时，输入功率的变化情况是比较复杂的，会提高也会降低。但是通常来说，水泵运行过程中当阻力升高时，水流量就会迅速降低，扬程也会不断提高，但是扬程的提高速度要高于水流量的降低速度。这样一来当流量降低时，水流量和扬程的乘积也就会降低，输入功率也就会随之降低[3]。所以，要想减少流量，就可以通过提高阻力值来实现，还可以减少功率消耗从而降低能量消耗。在调节阻力的具体操作过程中，就可以将流量调节二通阀安装在冷却水回路中。

根据水泵扬程的变化特征，当水系统阻力保持恒定时，水泵转速减小时，流量和扬程也会随之降低，因此输入功率也就会随之降低。根据这样的原理，要想降低水泵功率，减少水泵能量消耗，就可以将水泵的转速向低调节，从而减少水流量和扬程，最终实现节能目的。在具体的操作实践过程中，要想更加科学地减少水泵转速，就可以在水泵电机上安装变频控制器，这样就可以根据水泵的实际运行情况对水泵的转速进行动态调整，从而在确保水泵工作性能的同时降低水泵能耗，实现节能的目的[4]。

2.2 调整冷却水流量方法二：水泵运转

压缩机的挥发效率能够影响冷却水流量，这组控件是水冷螺杆机组，操作过程中必须严格按照要求与规定，才能使压缩机正常运作，并将其气温与凝固气温限制在一定的界限之内。如果挥发的气温过低，则会导致过低的吸入气体压力（小于0.5 kg/cm2），过于稀薄的制冷剂会引起压缩机中的冷冻油在冷冻机中溶解，从而会导致压缩机的轴承中缺少油，最后会让压缩机的电机转子无法像平常情况一样运作。依据上述所言，假如凝固的气温太高的话会引起压缩机的工作状态变化，导致压缩机不能正常工作，进一步会影响输入电流的稳定性。所以，在严格按照操作要求的前提下，要注意冷却水的具体相关参数，然后将凝固的气温和挥发的温度限制在有效的界限之内[5]。

2.2.1 控制、调整冷凝压力器

控制、调整冷凝压力器的方法是一种非常直接的控制方法。因为冷凝压力器运转中使用到的制冷剂能够直接反映在冷凝的相关参数上（需达到饱和状态），比如：压力、温度之间有着相互的映射关系，其中确保了冷凝压力之后，同时也可以形成相应的冷凝温度。所以可以采用检测冷凝压力传感器的标记来直接限定其中的冷却水流量。选择这种办法时不需要考虑冷却进水、出水来控制冷却水的流量。冷凝压力传感器上，可以控制冷却水的流量，这样就可以在控制冷却水的流量时忽视一些如出进水口的差异等因素，但是仍需要思考其中涉及环境温度的影响因素。当环境中的温度有所改变时，冷凝的控制温度也会产生相应的改变。如果无需考虑环境因素所带来的影响，则随着环境温度的升高，其中的冷凝温度也会随之提升，假如此时冷凝调节温度不升高的话，水泵则会长久满负荷运行，考虑到其他因素对冷凝器的运转影响，那么水泵的运转状态可能会因为冷却水流量的改变、冷凝状态的改变而发生相应的变化，这样虽然达到了冷却水的调节，但是其中的实际冷凝温度不能降低到冷凝调节温度，这不利于冷却系统的节能。在实际情况中，螺杆压缩机的工作温度区间非常大，能够承受比较强的冷凝效果，也能正常运转。

采用冷凝压力方法进行控制的过程中，第一，需要考虑的是根据冷凝温度和环境温度之间的关系，通过计算得到冷凝控制器温度；第二，获取冷凝压力变送器的信号并依照R22 热物理性质表（冷凝压力与饱和冷凝温度之间的对应表），通过相应的工具软件（如Excel等），对饱和冷凝温度和冷凝压力之间的函数关系进行拟合，根据冷凝压力，将其分为3 个部分，每个部分分别拟合生成对应公式。

2.2.2 冷却出水、进水温差控制法

冷却水进出口温差控制法也被称作间接控制办法。具体内容如下。

（1）当冷凝温度和冷却进水温度保持恒定时，假如流入冷凝器的流量越大，冷却出口温度则会越低。因此冷却出水温度是体现出冷却水流量的参数之一。（2）因为最高冷凝温度不能大于35 ℃，所以冷却进水温度也不可以过高，不然冷却水入口的温度和冷凝温度之间的差值将会较低，此时，冷凝器到冷却水入口的传热效果较低，会导致冷却效果较差，所以必须控制冷却水入口温度。（3）在现实生产中，因为其中涉及的设备内温度是影响冷却进水温度的关键因素，同时也是其中特别难以控制的，所以必须要调整冷却水流量来控制，冷凝器的温度也可以通过冷却水出口温度和冷却水进口温度之间的变化来测量，因此在一致的冷却水流量、冷却进水温度下，差值越大，换热的情况越好，冷凝器的温度会越高。所以，可以确定的是冷却出口和进口之间的温差也是体现冷却水流量的一个参数。

在上述3点的基础上，该文建立了采用冷却水进、出口温差作为水泵变频器反比控制的信号输入，同时随着进水温度的变化，该温差自动调整的控制方法。温差越大，变频器的输出频率越低；当传感器的输出频率降低时，会使流量随之降低，从而导致进水温度升高。进水的水温升高，然后动态调整设置温差，从而减小设置温差。如此迭代进行，直到最后达到动态平衡。根据这种办法，不仅可以确保冷却出水和进口之间的温差，而且可以确保相对的进水温度。另外，能够防止按照进水的水温控制而时常发生的能源浪费现象：冷却出口和进水之间的温差较大，满足冷凝器之间的冷却要求，可是在这个时候，进水的温度依旧会很高，不能下降到原定值，水泵仍然采用较高的频率运作，导致能源的浪费。

2.2.3 两种方法的适用场合

第一，一种非常直接的控制方式，效果非常显著且能随时监视冷凝状态及具体参数，对于有迅速降温需求的场合比较适用，比如：一些工艺水冷却器，要求机组给予恒温±18 ℃的冷水，这种情况下可以使用压缩机来控制冷却水的水温。但是，这种冷却水的温度是固定的，必须经过控制才能达到稳定，且节能效果较差。

第二，主要是读取冷却水的具体数值，并对冷却水的进水与出水进行控制，进而影响冷凝效果。这种方式不能快速表现出冷凝温度，因此这种控制方法大多被应用于对控制精度不高的情况。例如：集控型水冷机，只要可以给予17 ℃～20 ℃的冷水精度就能满足设备的需求。该办法控制精度较低，但是节能的效果比较好[6]。

3 实际应用

在XX 包装材料有限公司的生产车间里，运用冷却出水、进水温差控制法设计的冷却水循环节能系统验证了它的可用性和较强的可操作性，此外，还较为节省能量，减轻用户用电压力，得到用户好评。

该制冷量达1 080 kW 的水冷机型号是S1L080B，主机采用的是莱富康半封闭的双螺杆压缩机。为了达到有效降低客户成本的目的，系统选用的控制器能够做到上述两种方法，即控制冷却水及变频器，稳定满足客户需求（西门子S7-200系列可编程控制器及相关产品和功能）。

该冷却水循环节能系统的设计原理是：系统自动收集冷却水进水和出水的温度，计算两者间的差值，运用差值作为温差采样值；结合冷却进水温度再根据前文所阐述的原理，运用PLC 智能化地计算出所一致的冷却出水和进水的温度差，以此作为温度设定值。再用采样值与温度设定值相互比较，会出现以下结果：如果采样值小于设定值，说明该流量偏大，所以需要减少流量来提高采样值，依此类推举。当精度有更高的要求时，可以运用PID方法。也就是把采样值、温差设定值以及积分时间等不同的参数录入PLC 内部中，此时PLC就可以精确推算出PID输出值，而此PID输出值正好与0%～10%的水泵总额定流量是相互一致的。至于为什么要在PLC 中经过推算出PID 输出值，这是因为PLC输出值为4台水泵总额定流量的对应比例值，但是变频水泵流量却只占到总额定流量的25%，所以需要经过PLC内部经过换算以后才可以将PID输出值输入变频器中。

该系统是由4 台水泵并联运行，可以通过调节水泵的开和关，调节水泵的频率来达到连续控制流量的目的。其操作原理是：打开变频水泵，将频率调到50 Hz，观察流量是否合适，若还想增大流量，这时可以打开第一台定频水泵，并且把该变频水泵的频率调节为5 Hz，此时，观察流量，如果还需要增大流量，那么可以把变频水泵的频率调节到50 Hz，一直重复以上操作直到打开所有水泵，满足流量要求。当流量过高，需要降低一定程度的流量时，同样也是首先把变频水泵的频率调节到5 Hz，观察流量，如果还需要继续降低流量，那么可以关上一台定频水泵，并且把变频水泵的频率调节到50 Hz，一直重复以上操作直到关闭所有水泵，通过对变频水泵的频率调节的方法就可以使水泵流量处于连续受控的范围，与此同时还节能减排，降低成本，效果较佳。