集中冷站水系統(tǒng)設(shè)備控制方案設(shè)計

林 愉,李 輝

(1.廣東白云學(xué)院機(jī)電系,廣州510450;2.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,贛州341000)

1 引 言

集中冷站是實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)制冷功能的冷源,主要負(fù)責(zé)在單位時間內(nèi)制備充足的冷凍水量,同時輸向多個中央空調(diào)系統(tǒng)的末端空調(diào)設(shè)備,以滿足多個用戶群空調(diào)的需求。集中冷站由一個龐大的設(shè)備群組成,主要包括:冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍泵、分水器、集水器、恒壓罐、水處理設(shè)備、蝶閥、和水管路等。

當(dāng)所有設(shè)備安全、合理的協(xié)同運作時,冷站水系統(tǒng)才能最大限度的發(fā)揮出生產(chǎn)能力,為此,研究和設(shè)計科學(xué)合理的集中冷站設(shè)備控制方案,是確保水系統(tǒng)設(shè)備群安全協(xié)同運作的關(guān)鍵,實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮最大制冷功能的基礎(chǔ)。設(shè)備控制方案主要包括:低壓配電控制和自動化控制。前者負(fù)責(zé)向設(shè)備提供動力用電,實現(xiàn)設(shè)備正常開機(jī)、運行和停機(jī),同時切斷故障設(shè)備電源,保證設(shè)備的電氣安全性;后者,主要對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟、?？刂?及時將設(shè)備的運行狀態(tài)和故障報警信息反饋到監(jiān)控中心視屏上,以便監(jiān)控中心隨時掌控設(shè)備運行情況并及時處理各種事故。

2 低壓配電控制方案的設(shè)計

設(shè)備低壓配電控制主要針對水系統(tǒng)中的機(jī)電設(shè)備,控制方案如圖1所示。電源經(jīng)變壓器整定變壓到設(shè)備所需電壓后,通過電纜線或電纜母排從變電所引至配電房,接入電控柜主空氣開關(guān)的上樁,然后從主空氣開關(guān)下樁接至控制柜各單元的電控抽屜內(nèi)空氣開關(guān)上樁,最后從電控抽屜接入現(xiàn)場設(shè)備電源輸入端。考慮到有些設(shè)備每天24小時不間斷運行,為確保設(shè)備不斷電,引入來自不同發(fā)電廠的兩路電源到配電室的電控柜,以確保設(shè)備的連續(xù)正常運行。

圖1 低壓配電控制方案

2.1 電控抽屜控制原理

電控抽屜是控制現(xiàn)場設(shè)備動作的開關(guān)柜,主要用于控制可直接啟動的設(shè)備開停機(jī),柜內(nèi)裝有空氣開關(guān)、過載保護(hù)器、繼電器、主、輔接觸器、遠(yuǎn)控和配控轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈、電流表、電壓表和熱繼電器等設(shè)備。當(dāng)設(shè)備載超過電流運行時,空氣開關(guān)和過載保護(hù)器會自動跳開,使設(shè)備斷電,同時過載保護(hù)器會自動記入設(shè)備故障時的電氣運行參數(shù)。

電控抽屜控制原理:通過弱電控制強(qiáng)電導(dǎo)通,將遠(yuǎn)控和配控轉(zhuǎn)換開關(guān)打至配控?fù)?按下開機(jī)按鈕,抽屜內(nèi)開機(jī)繼電器得電吸合,并使輔、主接觸器先后得電吸合,從而使電控抽屜所控設(shè)備得電啟動運行。

將遠(yuǎn)控和配控轉(zhuǎn)換開關(guān)打至配控?fù)?按下停機(jī)按鈕,抽屜內(nèi)停機(jī)繼電器吸合,并控制輔、主接觸器先后失電斷開,從而使現(xiàn)場設(shè)備斷電停機(jī)。當(dāng)設(shè)備過電流運行一段時間時,抽屜內(nèi)過載保護(hù)器會動作,控制抽屜內(nèi)主電源空氣開關(guān)斷開,使電控抽屜和現(xiàn)場設(shè)備失電,設(shè)備停止運行。

2.2 電動機(jī)控制原理

冷站大部分設(shè)備屬于旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械,多由三相異步電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)做功。這些旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械的低壓配電控制主要通過電機(jī)控制實施。電機(jī)控制主要實現(xiàn)電機(jī)正常啟、停;降低電機(jī)啟、停對供電網(wǎng)的沖擊;對電機(jī)短路、過載、堵轉(zhuǎn)和斷路等事故狀態(tài),進(jìn)行電氣安全保護(hù)。對于小功率電機(jī),當(dāng)其功率與供電變壓器容量比值小于20%,可允許直接啟動,如冷站設(shè)備中的電動蝶閥驅(qū)動電機(jī)和補(bǔ)水泵等小功率電機(jī)。對于大功率電機(jī)采用軟啟動、星三角啟動或變頻啟動,改變電機(jī)的啟動電壓和電阻,降低電機(jī)啟動電流,改變電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩,以減少起動瞬時電流對電網(wǎng)的沖擊;待電機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn),啟動電流降低后,恢復(fù)電機(jī)的正常供電電壓,實現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運行。

2.2.1 大功率電機(jī)軟啟動原理 當(dāng)電機(jī)功率較大,啟動電流很大時,采用軟啟動器使電機(jī)軟啟動。在啟動過程中,軟啟動器改變電機(jī)的輸入電壓,使電壓按預(yù)設(shè)的函數(shù)變化關(guān)系逐漸加大,電機(jī)轉(zhuǎn)速和啟動轉(zhuǎn)矩也逐漸增大,當(dāng)電機(jī)完全啟動時,電機(jī)輸入電壓增至全壓。軟啟動的方式包括:脈沖沖擊啟動、斜波升壓軟啟動、階躍啟動和斜波恒流軟啟動。對于冷站水系統(tǒng)泵類設(shè)備,較常采用斜波恒流軟啟動,在電機(jī)啟動初級階段,逐漸增加啟動電流,當(dāng)電流升至預(yù)設(shè)的整定值后,保持恒定,直到啟動完畢。電流的變化速率根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)定,電流的變化速率快,則電機(jī)的啟動時間短,輸出轉(zhuǎn)矩大。同時,軟啟動器可以對電機(jī)進(jìn)行軟停機(jī),如水泵停機(jī)時,為防止水錘效應(yīng),不能瞬間停機(jī),可通過軟啟動器,使水泵在一段時間內(nèi)由運行狀態(tài)逐漸過渡到完全停機(jī)狀態(tài)。

2.2.2 大功率電機(jī)星—三角降壓啟動原理 冷站設(shè)備中的冷水機(jī)組電機(jī)功率較大,設(shè)計采用星-三角轉(zhuǎn)換降壓啟動,星形啟動的轉(zhuǎn)矩只有三角啟動轉(zhuǎn)矩的1/3。此啟動方式所需設(shè)備簡單、造價低、啟動電流小,但啟動轉(zhuǎn)矩小,啟動電壓不能按實際需要調(diào)節(jié),僅適用于空載或輕載啟動的場合。

2.2.3 電機(jī)變頻啟動原理 冷站冷凍二次泵主要負(fù)責(zé)為冷凍水在集水器、末端空調(diào)機(jī)組和分水器之間循環(huán)流動提供動力,由于末端空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷適時變化,因此對冷凍水量的需求也應(yīng)適時變化。為滿足制冷工況的變化需求,冷凍二次泵采用變頻器控制啟動和運行,調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,使水泵流量滿足用戶需求。變頻器通過整流裝置將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電,然后再通過逆變裝置把直流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可變的交流電。

冷凍泵變頻運行的頻率值,通過自控系統(tǒng)根據(jù)安裝于末端空調(diào)區(qū)域的溫度傳感器和濕度傳感器檢測的溫度和濕度,計算出末端空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷以及所需的冷凍水量來確定,并由自控系統(tǒng)向變頻器發(fā)出運行該頻率值的指令,實現(xiàn)變頻器帶動水泵在該頻率工況下運行。

3 設(shè)備自動化控制方案設(shè)計

冷站水系統(tǒng)設(shè)備自動化控制的主要目的是:監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài),適時將設(shè)備運行情況反饋到監(jiān)控視屏,方便工作人員及時了解設(shè)備運行情況,及時處理各種突發(fā)事件;實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程開、停機(jī);運用相應(yīng)的開、停機(jī)模式,優(yōu)化設(shè)備的開停機(jī)順序和間隔時間,實現(xiàn)設(shè)備高效的自動開停機(jī)。自控系統(tǒng)主要從低壓配電系統(tǒng)獲取相應(yīng)的控制點,將控制線路接至配電室內(nèi)電控柜各相應(yīng)電控抽屜內(nèi)的繼電器上,通過控制相關(guān)的繼電器,控制抽屜內(nèi)接觸器吸合和斷開;而且通過相應(yīng)的繼電器接收設(shè)備的狀態(tài)反饋信號;同時還引線至就地控制箱,接收就地控制箱的運行反饋信號。自控系統(tǒng)將控制線路接入變頻器的控制主板,控制變頻器的運行頻率和接受變頻器運行反饋信息。自控系統(tǒng)與冷水機(jī)組也設(shè)置有通信接口,將控制線路接至機(jī)組的控制主板,以控制機(jī)組開停機(jī)和接收機(jī)組的狀態(tài)信息。

冷站自控系統(tǒng)主要由工控上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、交換機(jī)、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計、UPS不間斷電源、通信線纜和輸入輸出模塊等設(shè)備組成。通過匯編計算機(jī)語言編程,可在系統(tǒng)的上位工控機(jī)顯示屏上實現(xiàn)各設(shè)備的可視控制畫面,點選設(shè)備圖標(biāo),即出現(xiàn)設(shè)備開、停機(jī)的控制按鈕,點選這些按鈕即可實現(xiàn)設(shè)備的開、停機(jī)。冷站自控系統(tǒng)把從終端設(shè)備 (電控柜抽屜、變頻器、冷水機(jī)組控制主板、就地控制箱和各類傳感器等)采集的信息,經(jīng)過通信線纜傳送到下位機(jī)輸入輸出模塊,再由輸入輸出模塊傳送到PLC控制系統(tǒng),經(jīng)PLC控制系統(tǒng)處理后,由PLC控制系統(tǒng)傳送到上位工控機(jī),將信息顯示在工控機(jī)顯示屏上,讓工作人員及時了解設(shè)備信息 (作為歷史記錄保存在工控機(jī)內(nèi),方便以后查閱),從而在工控機(jī)上發(fā)出各項指令。指令從工控機(jī)上傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng),經(jīng)PLC控制系統(tǒng)處理后,被傳送到輸入輸出模塊,再由輸入輸出模塊傳輸?shù)较鄳?yīng)終端設(shè)備的控制面板,控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作。設(shè)備動作后再將狀態(tài)信息反饋到上位工控機(jī)顯示屏上。自動化控制原理示意圖如圖2所示。

3.1 自控系統(tǒng)正常模式開停機(jī)注意事項

自控系統(tǒng)正常模式開停機(jī)主要用于設(shè)備的正常開停機(jī),各類控制模式用計算機(jī)匯編語言編程,寫入PLC控制系統(tǒng),當(dāng)用戶選中執(zhí)行某一模式時,控制系統(tǒng)將自動執(zhí)行相應(yīng)的程序。當(dāng)然,模式執(zhí)行成功與否與現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)有關(guān)。

用模式統(tǒng)一開機(jī)時,需合理的制定各設(shè)備的開機(jī)順序和開機(jī)間隔時間,應(yīng)避免多臺設(shè)備同時啟動,使啟動電流過大,造成電網(wǎng)跳閘。對于水系統(tǒng)設(shè)備,開機(jī)順序不當(dāng),可能導(dǎo)致冷水機(jī)組不能起動,電動蝶閥開不到位。水泵和冷水機(jī)組開機(jī)前,應(yīng)先將管路上的各類閥門打開,再開啟水泵和冷水機(jī)組。水泵開機(jī)設(shè)置與電動蝶閥開關(guān)狀態(tài)聯(lián)鎖,只有當(dāng)閥門開到位后,才能正常開機(jī)。同時,冷水機(jī)組開機(jī)設(shè)置與相應(yīng)的冷凍一次泵和冷卻泵聯(lián)鎖,否則容易造成冷水機(jī)組跳停。

水系統(tǒng)設(shè)備正常開機(jī)順序為:開啟閥門→開啟冷凍一次泵→開啟冷卻水泵→開啟冷凍二次泵→開啟冷卻塔→開啟冷水機(jī)組。水系統(tǒng)設(shè)備停機(jī)時也應(yīng)注意設(shè)備的關(guān)停順序,為防止冷水機(jī)組跳停,應(yīng)先停冷水機(jī)組,再停泵,后關(guān)閥,正確的停機(jī)順序為:關(guān)停冷水機(jī)組→關(guān)停冷卻泵→關(guān)停冷凍二次泵→關(guān)停冷凍一次泵→關(guān)停冷卻塔→關(guān)閉閥門。

圖2 自動化控制原理示意圖

3.2 自控系統(tǒng)事故模式工作原理

自控系統(tǒng)事故模式主要用于爆管等事故狀態(tài)下,控制設(shè)備停機(jī),切斷設(shè)備電源,并通知相關(guān)人員及時處理。其控制模式用計算機(jī)匯編語言編程,寫入PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行。系統(tǒng)設(shè)備運行過程中,安裝于水系統(tǒng)管路上的壓力傳感器、溫度傳感器和流量計適時檢測管路中的運行參數(shù),控制系統(tǒng)根據(jù)管路中的運行參數(shù)判斷整個系統(tǒng)的運行情況。若傳感器檢測到管路中某處壓力和流量下降很快,說明水管某處可能發(fā)生爆管,控制系統(tǒng)發(fā)出報警信息,指令工作人員前去現(xiàn)場確認(rèn)。若故障現(xiàn)象持續(xù)一段時間,控制系統(tǒng)將執(zhí)行爆管事故模式,迅速關(guān)停所有設(shè)備和所有閥門。

4 結(jié)論

集中冷站水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng),其運行質(zhì)量直接關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)運行性能,而最大限度發(fā)揮冷站水系統(tǒng)設(shè)備功能的關(guān)鍵,則是設(shè)計制定一套科學(xué)、合理的控制策略,以保證設(shè)備安全可靠的運行。設(shè)備控制方案主要包括低壓配電控制和設(shè)備自動化控制。先進(jìn)的低壓配電控制是整個控制策略的基礎(chǔ),是最為關(guān)鍵的一環(huán),其控制策略的合理性將直接影響設(shè)備的正常起動、運行性能和設(shè)備安全等。針對大功率電機(jī)的起動,設(shè)計采用軟啟動、星—三角啟動或變頻啟動,通過改變電機(jī)的啟動電壓和電阻,降低電機(jī)啟動電流,改變電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩,能有效減少起動瞬時電流對電網(wǎng)的沖擊。設(shè)備自動化控制大多建立在低壓配電系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,建立與低壓配電設(shè)備間的通信接口,準(zhǔn)確設(shè)定與各類設(shè)備的通信協(xié)議,保證冷站水系統(tǒng)處于最優(yōu)的運行工況,實現(xiàn)集中冷站的各項設(shè)計功能,達(dá)到安全、高效、節(jié)能的目的。

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