某空壓站冷卻水系統(tǒng)控制策略

張成禮，劉麗萍，宋明磊

（中國汽車工業(yè)工程公司 自控工程院，天津 300190）

0 引 言

在工業(yè)現(xiàn)場有大量設(shè)備需要使用壓縮空氣作為其動(dòng)力源，并要求壓縮空氣的壓力保持在一定范圍內(nèi)［1］。為了達(dá)到這一要求，通常采用多臺(tái)空壓機(jī)組，根據(jù)用氣量的多少確定投入運(yùn)行的空壓機(jī)組臺(tái)數(shù)?？諌簷C(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱，需要采用冷卻水來保證其正常工作。因此空壓機(jī)組對(duì)于冷卻水系統(tǒng)的要求較高，不但要求適當(dāng)?shù)睦鋮s水溫度和流量，而且要保證冷卻水供應(yīng)的可靠性。每臺(tái)空壓機(jī)組設(shè)有水壓聯(lián)鎖保護(hù)裝置，當(dāng)水壓不滿足要求時(shí)，空壓機(jī)組將自動(dòng)停機(jī)，從而導(dǎo)致設(shè)備停產(chǎn)的嚴(yán)重后果。如何保證冷卻水溫度和壓力穩(wěn)定、如何優(yōu)化冷卻水設(shè)備的啟?？刂啤⑷绾翁岣呃鋮s水系統(tǒng)的可靠性是空壓站冷卻水控制系統(tǒng)面臨的幾個(gè)主要問題。本文結(jié)合某工程實(shí)例，提出了解決這些問題的控制策略。

1 工程概況

某工廠空壓站制備的壓縮空氣通過管路傳輸?shù)杰囬g，為氣動(dòng)機(jī)械、氣動(dòng)夾具、氣動(dòng)扳手等提供動(dòng)力?？諌赫镜闹饕O(shè)備包括3套空壓機(jī)組（3臺(tái)壓縮機(jī)和3臺(tái)干燥機(jī)）、冷卻水系統(tǒng)（3臺(tái)變頻泵和2臺(tái)冷卻塔）、新風(fēng)機(jī)組、換熱器、乙二醇箱及膨脹罐、軟水站和調(diào)壓泵站等，其簡化系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)采用控制設(shè)備容錯(cuò)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)備冗余設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1.1 控制設(shè)備容錯(cuò)設(shè)計(jì)

采用冗余結(jié)構(gòu)、智能模塊化設(shè)計(jì)及各種故障檢測和保護(hù)措施來保證系統(tǒng)能夠長時(shí)間安全可靠運(yùn)行。PLC、I／O模板、通訊線、網(wǎng)卡、直流電源以及系統(tǒng)電源等重要控制設(shè)備采用熱備份冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)備的無憂自動(dòng)切換。

1.2 工藝設(shè)備冗余設(shè)計(jì)

關(guān)鍵工藝設(shè)備采用冗余設(shè)備來提高設(shè)備可靠性：3臺(tái)空壓機(jī)組（2用1備）；3臺(tái)冷卻水泵（2用1備）。為了平衡冗余設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，延長設(shè)備的使用壽命，可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間定期改變設(shè)備的運(yùn)行序列。當(dāng)運(yùn)行設(shè)備故障時(shí)，立即切換到備用設(shè)備，并將故障設(shè)備分離出系統(tǒng)；故障排除并復(fù)位后，再投入系統(tǒng)。

1.3 余熱利用設(shè)計(jì)

當(dāng)空壓機(jī)組運(yùn)行時(shí)，需要同時(shí)運(yùn)行新風(fēng)機(jī)組，用來補(bǔ)充空壓機(jī)組消耗的空氣，并使室內(nèi)空氣保持微正壓［2］。在冬季，為了保證空壓站的室內(nèi)溫度，還需要通過新風(fēng)機(jī)組的加熱器為新風(fēng)加熱。

在冬季，為了節(jié)約能源，新風(fēng)機(jī)組加熱器的循環(huán)水系統(tǒng)與空壓機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)通過換熱器進(jìn)行熱交換，把空壓機(jī)組產(chǎn)生的熱量傳送到新風(fēng)機(jī)組加熱器。這樣，可以利用空壓機(jī)組的冷卻水為新風(fēng)機(jī)組的新風(fēng)加熱，不僅能夠降低冷卻水降溫所需的能耗，同時(shí)還會(huì)節(jié)約新風(fēng)機(jī)組加熱所需的能耗，達(dá)到余熱利用的目的。

1.4 手動(dòng)操作面板

為了防止PLC故障影響系統(tǒng)的運(yùn)行，在PLC控制柜上安裝了德國Neuberger公司生產(chǎn)的手動(dòng)操作面板。使用該操作面板可以脫離PLC對(duì)冷卻水系統(tǒng)的各個(gè)泵、閥等設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。

2 冷卻水控制

冷卻水系統(tǒng)共有3個(gè)冷卻水泵，其中1個(gè)作為備用。根據(jù)空壓機(jī)組負(fù)荷情況，啟動(dòng)1個(gè)或2個(gè)冷卻水泵運(yùn)行。只有冷卻水泵運(yùn)行時(shí)，才允許運(yùn)行空壓機(jī)組。

2.1 冷卻水泵的聯(lián)鎖控制

冷卻水泵與冷卻水靜壓力聯(lián)鎖。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，若靜壓力正常（≥0.5bar），一臺(tái)冷卻水泵啟動(dòng)運(yùn)行；在運(yùn)行過程中，若靜壓力過低（＜0.4bar），停止所有正在運(yùn)行的冷卻水泵，并發(fā)出報(bào)警。

2.2 冷卻水供回壓差控制

空壓機(jī)組負(fù)荷的變化會(huì)引起冷卻水供回壓差的波動(dòng)。通過PI（比例積分）法調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速，使供回壓差達(dá)到設(shè)定值（1.5bar）。

2.3 第二個(gè)冷卻水泵的啟?？刂?/h3>

圖1 空壓站冷卻水系統(tǒng)圖

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，第一臺(tái)泵啟動(dòng)運(yùn)行；系統(tǒng)停止時(shí)，停止所有正在運(yùn)行的泵。

當(dāng)1個(gè)泵運(yùn)行時(shí)，若泵的轉(zhuǎn)速≥98%持續(xù)2分鐘，第二個(gè)泵啟動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)2個(gè)泵運(yùn)行時(shí)，若泵的轉(zhuǎn)速＜60%持續(xù)2分鐘，第二個(gè)泵停止運(yùn)行。

2.4 冷卻水溫度控制

通過正向PI法調(diào)節(jié)分集水器旁通閥的開度和冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速［2］，使冷卻水供水溫度達(dá)到設(shè)定值（33℃），其控制方式如下：

（1）當(dāng)PI值為0～50%時(shí)，調(diào)節(jié)分集水器旁通閥的開度100～0%；

當(dāng)旁通閥執(zhí)行器＜5%時(shí)，啟動(dòng)第1個(gè)冷卻塔并打開相應(yīng)的冷卻塔閥；當(dāng)旁通閥執(zhí)行器＞75%時(shí)，關(guān)閉第1個(gè)冷卻塔及相應(yīng)的冷卻塔閥。

（2）當(dāng)PI值為50～100%時(shí)，調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻器輸出值0～100%。

當(dāng)風(fēng)機(jī)的變頻器輸出值＞40%時(shí)，啟動(dòng)第2個(gè)冷卻塔并打開相應(yīng)的冷卻塔閥；當(dāng)風(fēng)機(jī)的變頻器輸出值＜10%時(shí)，關(guān)閉第2個(gè)冷卻塔及相應(yīng)的冷卻塔閥。

2.5 冷卻水泵故障切換

當(dāng)冷卻水泵故障（變頻器故障、過載等）時(shí)，立即切換到備用泵運(yùn)行。

3 冷卻塔控制

（1）冷卻塔模式

冷卻塔為干濕兩用冷卻塔；當(dāng)室外溫度小于15℃持續(xù)3分鐘后，以干式模式運(yùn)行，關(guān)閉噴淋泵；當(dāng)室外溫度大于17℃持續(xù)3分鐘后，以濕式模式運(yùn)行，啟動(dòng)噴淋泵。

（2）冷卻塔水位

在濕式模式下冷卻塔通過浮球檢測水位的方式自動(dòng)補(bǔ)充由于噴淋而蒸發(fā)消耗的水量，使水位保持在設(shè)定高度。補(bǔ)水管路與軟化水站連接。在濕式模式下冷卻塔有最低水位限制，由水位開關(guān)檢測，并與噴淋泵互鎖。

（3）冷 卻 塔 排 水報(bào)警

當(dāng)室外溫度低于5℃持續(xù)3分鐘后，發(fā)出報(bào)警，通知維護(hù)人員手動(dòng)排出冷卻塔內(nèi)的水。

（4）冷 卻 塔 故 障切換

當(dāng)正在運(yùn)行的冷卻塔發(fā)生下列故障時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到下一個(gè)冷卻塔：變頻器風(fēng)機(jī)故障、維修開關(guān)關(guān)閉、噴淋泵故障、水位過低、通訊故障和 遠(yuǎn) 程I／O 站 電 源關(guān)閉。

4 空壓機(jī)組控制

4.1 聯(lián)鎖信號(hào)

空壓機(jī)組包括壓縮機(jī)和干燥機(jī)。每臺(tái)壓縮機(jī)和干燥機(jī)本身有單獨(dú)的控制器，它和系統(tǒng)PLC控制柜之間采用硬接點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)鎖控制。壓縮機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)有：故障、關(guān)閉、運(yùn)行、運(yùn)行模式；干燥機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)有：故障、關(guān)閉、運(yùn)行、PDP報(bào)警、低壓報(bào)警。

4.2 空壓機(jī)組啟?？刂?/h3>

當(dāng)冷卻水泵正常運(yùn)行時(shí)，按以下順序啟?？刂瓶諌簷C(jī)組：

（1）當(dāng)空壓機(jī)組狀態(tài)正常時(shí)，打開相應(yīng)的壓縮機(jī)出水閥；當(dāng)任一壓縮機(jī)出水閥打開時(shí)，關(guān)閉壓縮機(jī)冷卻水旁通閥。

（2）壓縮機(jī)內(nèi)部的水流開關(guān)檢測到冷卻水流動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)空壓機(jī)組。

（3）空壓機(jī)組關(guān)閉后，延時(shí)10分鐘關(guān)閉相應(yīng)的壓縮機(jī)出水閥；當(dāng)所有壓縮機(jī)出水閥關(guān)閉時(shí)，打開壓縮機(jī)冷卻水旁通閥。

5 新風(fēng)機(jī)組控制

新風(fēng)機(jī)組包括風(fēng)閥、過濾器、加熱器、風(fēng)機(jī)等。風(fēng)機(jī)為雙速電機(jī)，當(dāng)?shù)?臺(tái)空壓機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，新風(fēng)機(jī)組打開風(fēng)閥、風(fēng)機(jī)以低速運(yùn)行；當(dāng)?shù)?臺(tái)空壓機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，新風(fēng)機(jī)組的風(fēng)機(jī)以高速運(yùn)行。

5.1 出風(fēng)溫度控制

通過PI法調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)組水閥的開度0～100%，使送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值（20℃）。

5.2 水泵的啟?？刂?/h3>

當(dāng)水閥執(zhí)行器＞10%且室外溫度＜20℃時(shí)，啟動(dòng)水泵；當(dāng)水閥執(zhí)行器＜5%或室外溫度＞21℃持續(xù)3分鐘后，關(guān)閉水泵。

5.3 供回水壓差控制

通過PI法調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)組水泵的轉(zhuǎn)速，使供回水壓差達(dá)到設(shè)定值（1.5bar）。

5.4 保護(hù)控制

新風(fēng)機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行，過濾段可能破裂或被灰塵堵塞，需要及時(shí)更換或清洗［3］。為過濾段安裝一個(gè)壓差傳感器，用于檢測過濾段的狀態(tài)：當(dāng)過濾段破裂時(shí)，壓差減小；當(dāng)過濾段堵塞時(shí)，壓差增大。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若過濾段壓差小于最小允許值或大于最大允許值，發(fā)出報(bào)警。

為風(fēng)機(jī)安裝一個(gè)壓差傳感器，用于檢測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)風(fēng)閥打開到位、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)命令發(fā)出60s后，若壓差小于設(shè)定值，發(fā)出報(bào)警。

6 結(jié)束語

合理的空壓站冷卻水系統(tǒng)控制策略要有完善的設(shè)備保護(hù)功能，提高控制目標(biāo)的穩(wěn)定性，并達(dá)到節(jié)能高效的目的?？刂撇呗砸c工程實(shí)際需求相適應(yīng)，并在實(shí)踐中加以完善和改進(jìn)。系統(tǒng)投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足了原設(shè)計(jì)要求。

［1］邵慧華，等.基于PLC的空氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)［J］.電氣自動(dòng)化，2006，28（2）：67-69.

［2］江億，姜子炎.建筑設(shè)備自動(dòng)化［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］郭強(qiáng)，孫均兵，顧宏杰.現(xiàn)代大型廠房暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電氣自動(dòng)化，1998，20（6）：22-24.