工藝冷卻水系統(tǒng)溫控改造研究

黃福山

上海源仝機電設(shè)備有限公司 上海 201419

1 工藝冷卻水概述

筆者單位有一臺大型高級醫(yī)用設(shè)備，耗電量大，對溫度要求嚴格，一般要求溫度控制在27℃，誤差要求在1℃范圍內(nèi)。為了保證這一設(shè)備恒溫工作，配備了一次工藝冷卻水、二次工藝冷卻水、三次工藝冷卻水三疊式冷卻系統(tǒng)，以及五組電加熱器、三臺冷水機組、36臺水泵、15臺風機、多種電柜等控制設(shè)備。設(shè)備一旦開啟，每小時的耗電量在1 160 kWh以上。即使配置了如此多的制熱制冷設(shè)備，有時仍然難以保證溫度滿足要求，還浪費了能源。

基于此，需要對工藝冷卻水系統(tǒng)進行溫控改造。為了保證脫硫系統(tǒng)的安全運行，需要保持工藝水箱水位為給定數(shù)值。當脫硫吸收塔入口溫度、蒸汽溫度等因素變化時，會引起工藝冷卻水箱水位的變化。這時，值班操作員根據(jù)水位計指示值與標尺上給定值之差，操作控制閥的開度，改變給水流量，使工藝冷卻水箱水位回到給定值。如果用設(shè)備代替值班操作員，那么工藝冷卻水箱水位h經(jīng)測量變送器測量并轉(zhuǎn)換為具有一定函數(shù)關(guān)系的電信號h1，與水位給定值h2進行比較，將兩者之差（h2-h1）送入控制器。控制器根據(jù)偏差的正負及大小，發(fā)出一定規(guī)律的輸出控制信號，指揮執(zhí)行器操作給水控制閥的開度，改變給水流量，從而改變工藝冷卻水箱的水位。

自動控制系統(tǒng)按工作原理分為反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)和反饋前饋控制系統(tǒng)，工藝冷卻水箱的水位控制為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)被控量與給定值之間的誤差進行控制，最后消除誤差。為了取得誤差信號，需要有被控量測量值的反饋信號，從而將系統(tǒng)構(gòu)成一個閉合回路，這種系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞲鶕?jù)水位與給定值的誤差控制給水量，以改變水位。水位測量值反饋到控制器構(gòu)成閉環(huán)，控制器再根據(jù)誤差校正給水量，最后消除誤差。

工藝冷卻水系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護為：工藝水箱液位不超過1 m，延時30 s停工藝冷卻水泵；工藝水箱溫度超過70℃停工藝冷卻水泵；床層壓降低于500 Pa超過5 s，停工藝冷卻水泵；吸收塔出口溫度低于70℃，停工藝冷卻水泵；工藝冷卻水泵出口電動閥關(guān)到位超過10 s，停工藝冷卻水泵。工藝冷卻水泵啟動順序為：啟動工藝冷卻水泵，工藝冷卻水泵出口電動閥打開，水槍回水調(diào)節(jié)閥打開至100%，回水關(guān)斷閥打開。工藝冷卻水系統(tǒng)自動控制設(shè)備有水箱液位計、水箱水溫測點、水泵出口電動閥、水箱補水氣動閥、回水調(diào)節(jié)閥、電磁流量計等。

2 改造前溫控情況

如圖1所示，負載的工作溫度要求為27±1℃ 。當負載溫度高于27℃時，三疊式工藝冷卻系統(tǒng)對設(shè)備降溫。當負載溫度低于27℃時，冷卻系統(tǒng)自動停機，電加熱器自動通電加熱，使設(shè)備升溫。通過升溫和降溫保證負載溫度為27±1℃，控溫精度要求高。

▲圖1 溫控系統(tǒng)示意圖

由圖1可知，使設(shè)備恒溫實際上是對一次工藝冷卻水調(diào)溫。當設(shè)備超溫需要降溫時，一次工藝冷卻水帶走設(shè)備的熱量，自身溫度有升高的趨勢，二次工藝冷卻水帶走一次工藝冷卻水的熱量，又使一次工藝冷卻水溫度降溫。一次工藝冷卻水到底是升溫還是降溫，取決于設(shè)備產(chǎn)生的熱量和二次工藝冷卻水帶走的熱量是否平衡。如果二次工藝冷卻水帶走的熱量不足以抵消設(shè)備產(chǎn)生的熱量，那么二次工藝冷卻水要提升流量，加強對一次工藝冷卻水的降溫效果。如果還不行，那么三次工藝冷卻水將自動啟動，幫助二次工藝冷卻水提升冷卻能力。當設(shè)備溫度低于27℃需要升溫時，自動關(guān)閉冷卻控制，啟動電加熱器，根據(jù)升溫強度自動選擇加熱的擋位和功率。只要控制合理，調(diào)節(jié)得當，就可以保證負載設(shè)備達到基本恒溫。但實際情況是，這一溫控方案并不完善，如三通閥的開度調(diào)節(jié)僅受溫度取樣點溫度的約束。溫度取樣點溫度高于標定溫度，三通閥就打開。溫度取樣點溫度等于標定溫度，三通閥門就關(guān)閉。溫度取樣點溫度低于標定溫度，加熱器就自動開啟?？刂拼植?，控制變量選擇單一，造成了控制精度差，出現(xiàn)過調(diào)或欠調(diào)。特別是過調(diào)，會使制熱或制冷裝置過度工作，從而造成能源浪費，降低控制效率。由此可見，需要對工藝冷卻水系統(tǒng)進行溫控改造。

3 溫度檢測點

對系統(tǒng)溫控最有影響的變量是一次工藝冷卻水的溫度，因此對測溫進行研究。

如圖2所示，在一次水回路中，溫度從B點傳導到A點約有25 s的延時，溫度有損失。溫度從D點傳導到C點約有15 s的延時，溫度有損失。一次水循環(huán)一周大約要40 s。

設(shè)備側(cè)是產(chǎn)熱源，也是受控源。根據(jù)水的流向，不難判定：降溫控制時，A點溫度高于B點溫度，D點溫度高于C點溫度；升溫控制時，A點溫度高于B點溫度。

根據(jù)分析結(jié)果，可以得到結(jié)論：用單一的A點溫度來進行恒溫控制，過于粗糙，控制準確度低。要達到所要求的精度，必須進行溫控改造。

▲圖2 溫度測點示意圖

4 溫控改造方案

進行溫度改造時，需要制訂控制關(guān)系表，具體包括：① 負載在標準溫度（27℃）下，每升高0.1℃所需要的熱量；② 負載在標準溫度（27℃）下，每降低0.1℃所需要的冷量；③電加熱功率強度的切換溫度表；④工藝冷卻水系統(tǒng)接入的溫度調(diào)節(jié)表；⑤以上各表的輸入地址。編制控制關(guān)系的運作程序，制訂溫度取樣規(guī)則，并送入計算機由運作程序進行處理。這其中，最重要的是溫度取樣規(guī)則。

一次工藝冷卻水從B點經(jīng)電加熱器到達A點，有35 s的延時，造成B點溫度低于A點。假設(shè)B點溫度為27℃，A點溫度為28℃，這時如果將B點視為溫度檢測點，那么一次工藝冷卻水不需要調(diào)控，但實際上負載溫度已是28℃，導致欠調(diào)，負載溫度超標。如果將A點視為溫度檢測點，那么負載因溫度超標而需調(diào)控，結(jié)果會導致三通閥的開度加大，一次工藝冷卻水溫度降溫，B點溫度降為26℃，A點溫度降為27℃。B點低溫水流到電加熱器，就會啟動電加熱器加熱，關(guān)斷三通閥，引起錯控，造成加熱器能源浪費。以上分析表明，只要A點、B點之間有1℃以上的溫差，A點或B點就都不能單獨用來作為溫度檢測點。

通過研究探討，在系統(tǒng)設(shè)備出水口設(shè)置D點，在板交進水口設(shè)置C點。為了解決三通閥調(diào)節(jié)延時性導致超溫的問題，取C點和D點兩點溫度的大值進行提前調(diào)節(jié)，將A點的溫度設(shè)為27℃基礎(chǔ)值，B點溫度仍然為電加熱器工作的監(jiān)測點。

通過以上方案，解決了調(diào)節(jié)延時的問題，也解決了過調(diào)的問題。

5 改造后成效

改造前工藝冷卻水系統(tǒng)溫控效果不理想，雖然大多數(shù)情況溫度被控制為27±1℃，但有相當時間超出了1℃。溫度曲線波動大，說明過調(diào)頻繁，能源浪費多。

改造后溫控效果理想，工藝冷卻水系統(tǒng)溫度均沒有超過27±0.5℃，能源浪費也有所減少?？梢姡脑旌蠊?jié)能效果明顯。