郁曉波

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司上海卷煙廠

關(guān)鍵字：冷凍站；節(jié)能；自動(dòng)控制

前言

卷煙的連續(xù)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、產(chǎn)塵，為保證卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量，卷煙的連續(xù)生產(chǎn)需要在一個(gè)恒溫恒濕的環(huán)境中完成。卷煙生產(chǎn)區(qū)域面積較大，負(fù)荷影響因素較多，通常24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，且溫濕度控制精度要求較高等原因?qū)е戮頍煆S的空調(diào)系統(tǒng)能源消耗占卷煙生產(chǎn)電耗的20%以上。因此如何實(shí)現(xiàn)在滿足卷煙廠生產(chǎn)車間恒溫恒濕環(huán)境的前提下，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗已成為卷煙廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排工作目標(biāo)的重要途經(jīng)之一。

本文以上海卷煙廠冷凍站冷凍節(jié)能控制工程實(shí)踐的研究案例，提出冷凍節(jié)能控制方式,即利用自動(dòng)控制技術(shù)對冷凍站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備（冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、閥門）進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，在滿足現(xiàn)場冷量需求的前提下，使冷凍站內(nèi)的設(shè)備達(dá)到最高效率的運(yùn)行狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)的比對，論證了在保證卷煙廠恒溫恒濕環(huán)境生產(chǎn)的前提下節(jié)能效果。

1 冷凍站運(yùn)行現(xiàn)狀及能效診斷

1.1 設(shè)備現(xiàn)狀及運(yùn)行管理

上海卷煙廠787冷凍站年消耗電能約840萬kWh，站內(nèi)采用二次泵二管制設(shè)計(jì)，包含6臺離心水冷機(jī)組。冬季可通過閥門切換將其中的3臺離心機(jī)旁路，并通過6臺板換實(shí)現(xiàn)“免費(fèi)制冷”。所有離心機(jī)都單獨(dú)配置1臺冷卻水泵和1組工頻的冷卻塔（含4臺風(fēng)機(jī)）。冷凍水二次泵共7臺，供應(yīng)制絲、卷包、高露點(diǎn)等空調(diào)的冷凍水。所有水泵都安裝了變頻器。

（1）設(shè)備控制

787冷凍站的運(yùn)行人員可以通過安裝在787冷凍站及相關(guān)車間內(nèi)傳感器、電動(dòng)閥門、控制器等設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)測末端的室內(nèi)溫度，監(jiān)控冷凍站內(nèi)所有冷機(jī)、水泵、冷卻塔等。

（2）設(shè)備運(yùn)行

采用人工控制方式調(diào)整冷凍機(jī)房各設(shè)備的運(yùn)行，安裝的變頻器均為定頻45Hz左右運(yùn)行。

1.2 能效診斷

787冷凍站分別供冷量給10多個(gè)分散設(shè)備，涉及6臺冷機(jī)和20多臺水泵。經(jīng)能效診斷可知，目前有以下幾個(gè)因素導(dǎo)致冷凍站運(yùn)行能耗偏高，有節(jié)能的潛力。

（1）冷凍站運(yùn)行與末端負(fù)荷脫節(jié)

冷量用戶散布在廠內(nèi)各處，隨著季節(jié)、天氣、時(shí)間等因素的變化，它們的空調(diào)負(fù)荷需求也處于動(dòng)態(tài)變化。我們尚未充分利用這些豐富的實(shí)時(shí)信息準(zhǔn)確計(jì)算末端的制冷需求，導(dǎo)致整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)有處于“盲控”狀態(tài)，不可避免地造成空調(diào)“過供應(yīng)”。

（2）定頻運(yùn)行

水泵均已安裝變頻器，但長期按照人工設(shè)定的固定頻率運(yùn)行(多數(shù)在45Hz以上)，冷凍站僅僅依靠冷機(jī)自身的負(fù)荷響應(yīng)程序適應(yīng)負(fù)荷的波動(dòng)。

綜上所述，上海卷煙廠通過對787冷凍站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的監(jiān)控，利用先進(jìn)的冷凍節(jié)能控制方式，在保證達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，合理配置資源，使能耗降到最低。

2 冷凍站節(jié)能改造

2.1 節(jié)能整改方案

上海卷煙廠針對787冷凍站采用了真正實(shí)用的集控制、優(yōu)化與能效于一體的新冷凍控制方式。從原有的控制系統(tǒng)獲得需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)的信息，并將運(yùn)行指令發(fā)往現(xiàn)有的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷凍站的全自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行，包括：冷機(jī)的啟停與供水溫度調(diào)節(jié)、冷機(jī)閥門的開合、冷卻塔的啟停、冷凍水泵的啟停與頻率調(diào)節(jié)等。系統(tǒng)將根據(jù)相關(guān)閥門的狀態(tài)（手動(dòng)切換）判斷冷機(jī)是否旁路，以及“免費(fèi)制冷”用的板式換熱器是否可用，當(dāng)板換可用時(shí)，將最優(yōu)化板換的使用。

上海卷煙廠787冷凍站的運(yùn)行控制系統(tǒng)建立了新的節(jié)能控制系統(tǒng)邏輯。改造后，787冷凍站控制系統(tǒng)以實(shí)時(shí)通訊方式獲得冷凍站的各類參數(shù)，通過遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)冷凍機(jī)組、水泵、冷卻塔等設(shè)備的啟停及容量調(diào)節(jié)控制。相關(guān)改造內(nèi)容主要包括以下幾方面：

（1）冷凍機(jī)組臺數(shù)控制

冷凍機(jī)組的控制是由其自身的控制系統(tǒng)完成，控制系統(tǒng)通過對冷熱負(fù)荷的計(jì)算，根據(jù)用戶端的負(fù)荷情況向其控制系統(tǒng)提交啟停控制要求。

控制系統(tǒng)主要根據(jù)供回水管的流量及供回水溫差，計(jì)算負(fù)荷，對冷凍機(jī)組進(jìn)行群控。

（2）冷卻塔控制

對冷卻塔的控制策略是冷卻塔投入的數(shù)量依冷卻水溫而定。當(dāng)冷卻水溫度高于設(shè)定值時(shí)，先根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值來決定增加冷卻塔的啟動(dòng)臺數(shù)，在啟動(dòng)后30分鐘冷卻水供水溫度仍高于設(shè)定值，仍需增加冷卻塔的臺數(shù)。當(dāng)供水水溫低于設(shè)定值時(shí)減少冷卻塔運(yùn)行臺數(shù)，以降低能耗。

（3）冷凍水泵、冷卻水泵的監(jiān)控

監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)，變頻器故障、變頻反饋，根據(jù)壓差對水泵進(jìn)行臺數(shù)控制及頻率連鎖控制啟停。

（4）系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)次序

聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)順序：冷卻水塔電動(dòng)蝶閥—冷凍機(jī)的冷凝器電動(dòng)蝶閥—冷卻水泵—冷凍機(jī)的蒸發(fā)器電動(dòng)蝶閥—冷凍水泵—制冷機(jī)。

根據(jù)測量的冷卻水供/回水溫差，啟停冷卻塔及控制運(yùn)行數(shù)量。

聯(lián)動(dòng)停止順序：制冷機(jī)（延時(shí)5分鐘）—冷凍水泵—冷凍機(jī)的蒸發(fā)器電動(dòng)蝶閥—冷卻水泵—冷凍機(jī)的冷凝器電動(dòng)蝶閥—冷卻水塔電動(dòng)蝶閥—冷卻水塔風(fēng)機(jī)。

（5）冷水機(jī)組通訊接口

控制系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與中華專線IFIX上位系統(tǒng)相連，獲取冷機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)。

首先，通過比較各機(jī)組的負(fù)荷率及電流參數(shù)，再與管道系統(tǒng)負(fù)荷綜合比較后確定機(jī)組的開啟臺數(shù)更為科學(xué)。

其次，制定控制軟件應(yīng)急切出預(yù)案。

由于制冷站主要給空調(diào)系統(tǒng)提供冷凍水，滿足空調(diào)系統(tǒng)除濕要求，因此試運(yùn)行時(shí)如果出現(xiàn)冷凍水溫不滿足空調(diào)系統(tǒng)除濕要求，需要人為進(jìn)行干預(yù)，將控制軟件進(jìn)行應(yīng)急切出，轉(zhuǎn)入人工控制。

節(jié)能控制系統(tǒng)正常時(shí)，送水溫度及送水壓力會(huì)圍繞某一設(shè)定值進(jìn)行周期性上下調(diào)節(jié)。

當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)送水缸的壓力長時(shí)間過低或過高、送水溫度長時(shí)間過高時(shí)，可以進(jìn)行人為干預(yù)，即將處于自動(dòng)控制狀態(tài)的設(shè)備切回到手動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，恢復(fù)正常的送水壓力和送水溫度。

2.2 節(jié)能效果驗(yàn)證

本文采用以自然日為單位交替運(yùn)行原有的人工控制系統(tǒng)和新建的節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能效果對比，期間剔除明顯受天氣、負(fù)荷、維護(hù)等影響的樣本，兩個(gè)測試樣本分別見表1和表2。

表1 原有的人工控制系統(tǒng)測試樣本

表2 新建的節(jié)能控制系統(tǒng)測試樣本

由表1和表2可知，測試期間冷凍站采用節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行，比人工控制系統(tǒng)室內(nèi)平均溫度波動(dòng)低0.1℃，同時(shí)與人工控制系統(tǒng)相比日均電耗下降2018.0kWh，平均下降4.7%。顯然787冷凍站應(yīng)用節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行后，在進(jìn)一步有效保證卷煙廠生產(chǎn)的溫濕度工藝標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，達(dá)到了顯著的節(jié)能降耗效果。

3 結(jié)論及展望

上海卷煙廠787冷凍站冷凍節(jié)能控制方式改造，通過利用自動(dòng)控制技術(shù)對冷凍站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備（冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、閥門）進(jìn)行自動(dòng)化的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了滿足卷煙廠生產(chǎn)工藝要求的同時(shí)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效果。

本文針對上海卷煙廠787冷凍站冷凍節(jié)能控制方式改造進(jìn)行了工程實(shí)踐研究，通過對該冷凍站進(jìn)行能效診斷，分析了該冷凍站設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀及能耗，在充分利用現(xiàn)有的設(shè)備和控制系統(tǒng)，不破管，不干擾冷凍站的正常運(yùn)行的前提下，對冷凍站進(jìn)行冷凍控制方式改造。經(jīng)測試可知，該項(xiàng)改造平均節(jié)電率4.7%，在實(shí)施“節(jié)能減排”的同時(shí)，對我國煙草等行業(yè)的冷凍站節(jié)能改造的工程實(shí)踐具有一定的借鑒意義。