上海卷煙廠冷凍站自動控制的工程實踐研究

郁曉波

上海煙草集團有限責任公司上海卷煙廠

關鍵字：冷凍站；節能；自動控制

前言

卷煙的連續生產過程中會產熱、產濕、產塵，為保證卷煙產品的質量，卷煙的連續生產需要在一個恒溫恒濕的環境中完成。卷煙生產區域面積較大，負荷影響因素較多，通常24小時連續生產，且溫濕度控制精度要求較高等原因導致卷煙廠的空調系統能源消耗占卷煙生產電耗的20%以上。因此如何實現在滿足卷煙廠生產車間恒溫恒濕環境的前提下，減少空調系統能耗已成為卷煙廠實現節能減排工作目標的重要途經之一。

本文以上海卷煙廠冷凍站冷凍節能控制工程實踐的研究案例，提出冷凍節能控制方式,即利用自動控制技術對冷凍站內部的相關設備（冷水機組、水泵、冷卻塔、閥門）進行自動化監控，在滿足現場冷量需求的前提下，使冷凍站內的設備達到最高效率的運行狀態。通過數據的比對，論證了在保證卷煙廠恒溫恒濕環境生產的前提下節能效果。

1 冷凍站運行現狀及能效診斷

1.1 設備現狀及運行管理

上海卷煙廠787冷凍站年消耗電能約840萬kWh，站內采用二次泵二管制設計，包含6臺離心水冷機組。冬季可通過閥門切換將其中的3臺離心機旁路，并通過6臺板換實現“免費制冷”。所有離心機都單獨配置1臺冷卻水泵和1組工頻的冷卻塔（含4臺風機）。冷凍水二次泵共7臺，供應制絲、卷包、高露點等空調的冷凍水。所有水泵都安裝了變頻器。

（1）設備控制

787冷凍站的運行人員可以通過安裝在787冷凍站及相關車間內傳感器、電動閥門、控制器等設備，遠程監測末端的室內溫度，監控冷凍站內所有冷機、水泵、冷卻塔等。

（2）設備運行

采用人工控制方式調整冷凍機房各設備的運行，安裝的變頻器均為定頻45Hz左右運行。

1.2 能效診斷

787冷凍站分別供冷量給10多個分散設備，涉及6臺冷機和20多臺水泵。經能效診斷可知，目前有以下幾個因素導致冷凍站運行能耗偏高，有節能的潛力。

（1）冷凍站運行與末端負荷脫節

冷量用戶散布在廠內各處，隨著季節、天氣、時間等因素的變化，它們的空調負荷需求也處于動態變化。我們尚未充分利用這些豐富的實時信息準確計算末端的制冷需求，導致整個空調系統時有處于“盲控”狀態，不可避免地造成空調“過供應”。

（2）定頻運行

水泵均已安裝變頻器，但長期按照人工設定的固定頻率運行(多數在45Hz以上)，冷凍站僅僅依靠冷機自身的負荷響應程序適應負荷的波動。

綜上所述，上海卷煙廠通過對787冷凍站內部的相關設備進行自動化的監控，利用先進的冷凍節能控制方式，在保證達到工藝標準要求的前提下，合理配置資源，使能耗降到最低。

2 冷凍站節能改造

2.1 節能整改方案

上海卷煙廠針對787冷凍站采用了真正實用的集控制、優化與能效于一體的新冷凍控制方式。從原有的控制系統獲得需求側和供應側的信息，并將運行指令發往現有的控制系統實現冷凍站的全自動節能運行，包括：冷機的啟停與供水溫度調節、冷機閥門的開合、冷卻塔的啟停、冷凍水泵的啟停與頻率調節等。系統將根據相關閥門的狀態（手動切換）判斷冷機是否旁路，以及“免費制冷”用的板式換熱器是否可用，當板換可用時，將最優化板換的使用。

上海卷煙廠787冷凍站的運行控制系統建立了新的節能控制系統邏輯。改造后，787冷凍站控制系統以實時通訊方式獲得冷凍站的各類參數，通過遠程操作實現冷凍機組、水泵、冷卻塔等設備的啟停及容量調節控制。相關改造內容主要包括以下幾方面：

（1）冷凍機組臺數控制

冷凍機組的控制是由其自身的控制系統完成，控制系統通過對冷熱負荷的計算，根據用戶端的負荷情況向其控制系統提交啟停控制要求。

控制系統主要根據供回水管的流量及供回水溫差，計算負荷，對冷凍機組進行群控。

（2）冷卻塔控制

對冷卻塔的控制策略是冷卻塔投入的數量依冷卻水溫而定。當冷卻水溫度高于設定值時，先根據實際溫度與設定溫度的差值來決定增加冷卻塔的啟動臺數，在啟動后30分鐘冷卻水供水溫度仍高于設定值，仍需增加冷卻塔的臺數。當供水水溫低于設定值時減少冷卻塔運行臺數，以降低能耗。

（3）冷凍水泵、冷卻水泵的監控

監測運行狀態、故障狀態，變頻器故障、變頻反饋，根據壓差對水泵進行臺數控制及頻率連鎖控制啟停。

（4）系統聯動次序

聯動啟動順序：冷卻水塔電動蝶閥—冷凍機的冷凝器電動蝶閥—冷卻水泵—冷凍機的蒸發器電動蝶閥—冷凍水泵—制冷機。

根據測量的冷卻水供/回水溫差，啟停冷卻塔及控制運行數量。

聯動停止順序：制冷機（延時5分鐘）—冷凍水泵—冷凍機的蒸發器電動蝶閥—冷卻水泵—冷凍機的冷凝器電動蝶閥—冷卻水塔電動蝶閥—冷卻水塔風機。

（5）冷水機組通訊接口

控制系統通過OPC協議與中華專線IFIX上位系統相連，獲取冷機相關數據。

首先，通過比較各機組的負荷率及電流參數，再與管道系統負荷綜合比較后確定機組的開啟臺數更為科學。

其次，制定控制軟件應急切出預案。

由于制冷站主要給空調系統提供冷凍水，滿足空調系統除濕要求，因此試運行時如果出現冷凍水溫不滿足空調系統除濕要求，需要人為進行干預，將控制軟件進行應急切出，轉入人工控制。

節能控制系統正常時，送水溫度及送水壓力會圍繞某一設定值進行周期性上下調節。

當操作人員發現送水缸的壓力長時間過低或過高、送水溫度長時間過高時，可以進行人為干預，即將處于自動控制狀態的設備切回到手動狀態，進行人工調節，恢復正常的送水壓力和送水溫度。

2.2 節能效果驗證

本文采用以自然日為單位交替運行原有的人工控制系統和新建的節能控制系統進行節能效果對比，期間剔除明顯受天氣、負荷、維護等影響的樣本，兩個測試樣本分別見表1和表2。

表1 原有的人工控制系統測試樣本

表2 新建的節能控制系統測試樣本

由表1和表2可知，測試期間冷凍站采用節能控制系統運行，比人工控制系統室內平均溫度波動低0.1℃，同時與人工控制系統相比日均電耗下降2018.0kWh，平均下降4.7%。顯然787冷凍站應用節能控制系統運行后，在進一步有效保證卷煙廠生產的溫濕度工藝標準的同時，達到了顯著的節能降耗效果。

3 結論及展望

上海卷煙廠787冷凍站冷凍節能控制方式改造，通過利用自動控制技術對冷凍站內部的相關設備（冷水機組、水泵、冷卻塔、閥門）進行自動化的監控，實現了滿足卷煙廠生產工藝要求的同時，取得了良好的經濟和節能效果。

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