煙機水冷螺桿機組冷卻水系統(tǒng)節(jié)能原理與控制方法

甘華 鐘志民

(廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠 廣西南寧 530300)

水冷螺桿機組也就是人們常說的水冷機，該種冷卻機在各行各業(yè)中都會有著一定的應(yīng)用。該冷卻機運行噪音小，能效比高，因而在實際使用中能用于企業(yè)、酒店等多種工業(yè)、公共場所中，確保這些場地中央空調(diào)能夠得到充足、穩(wěn)定的冷卻水。另外，在一些化學(xué)、電子等生產(chǎn)部門中，也可以通過該類冷卻機來確保生產(chǎn)中冷卻水的供應(yīng)。由于在冷卻工藝中，水冷是應(yīng)用最廣泛的方法，因此這對于冷卻水系統(tǒng)的功率就有著更高的要求，且降低冷卻水系統(tǒng)的能源消耗有著重要的研究意義。

1 水冷螺桿機組的冷卻系統(tǒng)

水冷機系統(tǒng)主要包括3個單元，現(xiàn)簡介如下。

1.1 制冷劑循環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要是對制冷劑進行壓縮，然后再利用冷凝器和冷卻水完成熱交換，從而降低冷卻水的溫度。

1.2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，和冷凝器完成熱交換后的冷卻水通過水泵傳輸?shù)嚼鋮s塔中，然后再通過冷卻塔中的風(fēng)機讓周圍的空氣和冷卻水進行熱交換，把冷凝器所攜帶的熱量釋放到環(huán)境中去，待冷卻水溫度降低后再重新流入冷凝器中。

1.3 冷水循環(huán)系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，冷卻水經(jīng)過冷水箱進行儲存后，通過水泵傳輸?shù)綗煓C設(shè)備，和煙機設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的熱空氣進行熱交換，從而降低煙機設(shè)備的溫度。在有效降低設(shè)備溫度后，此時冷卻水吸收熱量再次回到冷水箱中。

經(jīng)過上述3 個單元的循環(huán)，室內(nèi)熱量就不斷釋放到室外的環(huán)境空氣中[1]。

2 水冷機冷卻水節(jié)能方法

根據(jù)水冷機工作原理可知，制冷系統(tǒng)在將煙機設(shè)備產(chǎn)生的熱空氣向室外傳輸時，是受設(shè)備工作溫度變化影響的。所以，在實際操作中，為了降低水冷機的能源消耗就可以有很多種方式，如對冷水系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，或者對制冷劑系統(tǒng)的工作情況進行調(diào)節(jié)等。例如：在調(diào)節(jié)制冷劑系統(tǒng)的工作情況時，當(dāng)冷水溫度發(fā)生變化時，就可以對制冷壓縮機的吸氣量進行調(diào)整，這樣壓縮機的輸入功率也就會發(fā)生變化，也就能實現(xiàn)壓縮機功率調(diào)節(jié)的操控過程。常用的調(diào)節(jié)方法有兩種：一種是四檔能量調(diào)節(jié)，另一種是無級能量調(diào)節(jié)。工業(yè)環(huán)境中常見的螺桿壓縮機品牌都配備有四檔能量調(diào)節(jié)閥，同時壓縮機上也安裝有可編程控制器，人們在使用壓縮機時就可以從進水溫度的變化情況準(zhǔn)確掌握室內(nèi)環(huán)境溫度的變化情況，然后就可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)能量調(diào)節(jié)閥的大小，這樣也就對壓縮機的吸氣量產(chǎn)生了影響，最終通過壓縮機輸入功率的變化體現(xiàn)出來，從而降低水冷機的能量消耗。當(dāng)冷水循環(huán)系統(tǒng)中沒有安裝能量調(diào)節(jié)單元時，就要在系統(tǒng)外部添加單獨的控制單元從而起到降低能耗的作用。在該文中，所研究的主要對象是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，以期更大限度地減少系統(tǒng)的能量消耗。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在工作過程中，受到各個因素的影響，例如系統(tǒng)所處環(huán)境溫度、壓縮機電機熱損耗等，這些因素都會對冷凝器的溫度造成各種影響，所以為了降低冷凝器溫度變化所帶來的影響，就要對冷卻水的水流量進行適時的調(diào)節(jié)。當(dāng)冷凝器溫度增加時，就提高冷卻水流量，從而提高熱交換效率；當(dāng)冷凝器溫度減少時，就使用系統(tǒng)化調(diào)整方法，壓縮使用的能量，比如調(diào)整使用的冷卻水、調(diào)整水泵運行狀態(tài)等，這樣在制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中，也能確保制冷劑壓力的穩(wěn)定性，從而提高壓縮機的使用安全性。在對冷卻水流量進行調(diào)節(jié)時，可以通過調(diào)整水路閥門的打開程度來實現(xiàn)，也可以通過調(diào)整水泵系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率，如水泵轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)水流量的效果[2]。

2.1 調(diào)整冷卻水流量方法一：水路閥門

水泵的運轉(zhuǎn)過程的阻力變化情況可知，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速保持恒定時，如果增加系統(tǒng)中的管路阻力，那么水泵的揚程也就會隨之提高，此時的水流量也會隨之減少，也就是當(dāng)管路阻力升高時，輸入功率的變化情況是比較復(fù)雜的，會提高也會降低。但是通常來說，水泵運行過程中當(dāng)阻力升高時，水流量就會迅速降低，揚程也會不斷提高，但是揚程的提高速度要高于水流量的降低速度。這樣一來當(dāng)流量降低時，水流量和揚程的乘積也就會降低，輸入功率也就會隨之降低[3]。所以，要想減少流量，就可以通過提高阻力值來實現(xiàn)，還可以減少功率消耗從而降低能量消耗。在調(diào)節(jié)阻力的具體操作過程中，就可以將流量調(diào)節(jié)二通閥安裝在冷卻水回路中。

根據(jù)水泵揚程的變化特征，當(dāng)水系統(tǒng)阻力保持恒定時，水泵轉(zhuǎn)速減小時，流量和揚程也會隨之降低，因此輸入功率也就會隨之降低。根據(jù)這樣的原理，要想降低水泵功率，減少水泵能量消耗，就可以將水泵的轉(zhuǎn)速向低調(diào)節(jié)，從而減少水流量和揚程，最終實現(xiàn)節(jié)能目的。在具體的操作實踐過程中，要想更加科學(xué)地減少水泵轉(zhuǎn)速，就可以在水泵電機上安裝變頻控制器，這樣就可以根據(jù)水泵的實際運行情況對水泵的轉(zhuǎn)速進行動態(tài)調(diào)整，從而在確保水泵工作性能的同時降低水泵能耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的[4]。

2.2 調(diào)整冷卻水流量方法二：水泵運轉(zhuǎn)

壓縮機的揮發(fā)效率能夠影響冷卻水流量，這組控件是水冷螺桿機組，操作過程中必須嚴(yán)格按照要求與規(guī)定，才能使壓縮機正常運作，并將其氣溫與凝固氣溫限制在一定的界限之內(nèi)。如果揮發(fā)的氣溫過低，則會導(dǎo)致過低的吸入氣體壓力（小于0.5 kg/cm2），過于稀薄的制冷劑會引起壓縮機中的冷凍油在冷凍機中溶解，從而會導(dǎo)致壓縮機的軸承中缺少油，最后會讓壓縮機的電機轉(zhuǎn)子無法像平常情況一樣運作。依據(jù)上述所言，假如凝固的氣溫太高的話會引起壓縮機的工作狀態(tài)變化，導(dǎo)致壓縮機不能正常工作，進一步會影響輸入電流的穩(wěn)定性。所以，在嚴(yán)格按照操作要求的前提下，要注意冷卻水的具體相關(guān)參數(shù)，然后將凝固的氣溫和揮發(fā)的溫度限制在有效的界限之內(nèi)[5]。

2.2.1 控制、調(diào)整冷凝壓力器

控制、調(diào)整冷凝壓力器的方法是一種非常直接的控制方法。因為冷凝壓力器運轉(zhuǎn)中使用到的制冷劑能夠直接反映在冷凝的相關(guān)參數(shù)上（需達到飽和狀態(tài)），比如：壓力、溫度之間有著相互的映射關(guān)系，其中確保了冷凝壓力之后，同時也可以形成相應(yīng)的冷凝溫度。所以可以采用檢測冷凝壓力傳感器的標(biāo)記來直接限定其中的冷卻水流量。選擇這種辦法時不需要考慮冷卻進水、出水來控制冷卻水的流量。冷凝壓力傳感器上，可以控制冷卻水的流量，這樣就可以在控制冷卻水的流量時忽視一些如出進水口的差異等因素，但是仍需要思考其中涉及環(huán)境溫度的影響因素。當(dāng)環(huán)境中的溫度有所改變時，冷凝的控制溫度也會產(chǎn)生相應(yīng)的改變。如果無需考慮環(huán)境因素所帶來的影響，則隨著環(huán)境溫度的升高，其中的冷凝溫度也會隨之提升，假如此時冷凝調(diào)節(jié)溫度不升高的話，水泵則會長久滿負(fù)荷運行，考慮到其他因素對冷凝器的運轉(zhuǎn)影響，那么水泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)可能會因為冷卻水流量的改變、冷凝狀態(tài)的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣雖然達到了冷卻水的調(diào)節(jié)，但是其中的實際冷凝溫度不能降低到冷凝調(diào)節(jié)溫度，這不利于冷卻系統(tǒng)的節(jié)能。在實際情況中，螺桿壓縮機的工作溫度區(qū)間非常大，能夠承受比較強的冷凝效果，也能正常運轉(zhuǎn)。

采用冷凝壓力方法進行控制的過程中，第一，需要考慮的是根據(jù)冷凝溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系，通過計算得到冷凝控制器溫度；第二，獲取冷凝壓力變送器的信號并依照R22 熱物理性質(zhì)表（冷凝壓力與飽和冷凝溫度之間的對應(yīng)表），通過相應(yīng)的工具軟件（如Excel等），對飽和冷凝溫度和冷凝壓力之間的函數(shù)關(guān)系進行擬合，根據(jù)冷凝壓力，將其分為3 個部分，每個部分分別擬合生成對應(yīng)公式。

2.2.2 冷卻出水、進水溫差控制法

冷卻水進出口溫差控制法也被稱作間接控制辦法。具體內(nèi)容如下。

（1）當(dāng)冷凝溫度和冷卻進水溫度保持恒定時，假如流入冷凝器的流量越大，冷卻出口溫度則會越低。因此冷卻出水溫度是體現(xiàn)出冷卻水流量的參數(shù)之一。（2）因為最高冷凝溫度不能大于35 ℃，所以冷卻進水溫度也不可以過高，不然冷卻水入口的溫度和冷凝溫度之間的差值將會較低，此時，冷凝器到冷卻水入口的傳熱效果較低，會導(dǎo)致冷卻效果較差，所以必須控制冷卻水入口溫度。（3）在現(xiàn)實生產(chǎn)中，因為其中涉及的設(shè)備內(nèi)溫度是影響冷卻進水溫度的關(guān)鍵因素，同時也是其中特別難以控制的，所以必須要調(diào)整冷卻水流量來控制，冷凝器的溫度也可以通過冷卻水出口溫度和冷卻水進口溫度之間的變化來測量，因此在一致的冷卻水流量、冷卻進水溫度下，差值越大，換熱的情況越好，冷凝器的溫度會越高。所以，可以確定的是冷卻出口和進口之間的溫差也是體現(xiàn)冷卻水流量的一個參數(shù)。

在上述3點的基礎(chǔ)上，該文建立了采用冷卻水進、出口溫差作為水泵變頻器反比控制的信號輸入，同時隨著進水溫度的變化，該溫差自動調(diào)整的控制方法。溫差越大，變頻器的輸出頻率越低；當(dāng)傳感器的輸出頻率降低時，會使流量隨之降低，從而導(dǎo)致進水溫度升高。進水的水溫升高，然后動態(tài)調(diào)整設(shè)置溫差，從而減小設(shè)置溫差。如此迭代進行，直到最后達到動態(tài)平衡。根據(jù)這種辦法，不僅可以確保冷卻出水和進口之間的溫差，而且可以確保相對的進水溫度。另外，能夠防止按照進水的水溫控制而時常發(fā)生的能源浪費現(xiàn)象：冷卻出口和進水之間的溫差較大，滿足冷凝器之間的冷卻要求，可是在這個時候，進水的溫度依舊會很高，不能下降到原定值，水泵仍然采用較高的頻率運作，導(dǎo)致能源的浪費。

2.2.3 兩種方法的適用場合

第一，一種非常直接的控制方式，效果非常顯著且能隨時監(jiān)視冷凝狀態(tài)及具體參數(shù)，對于有迅速降溫需求的場合比較適用，比如：一些工藝水冷卻器，要求機組給予恒溫±18 ℃的冷水，這種情況下可以使用壓縮機來控制冷卻水的水溫。但是，這種冷卻水的溫度是固定的，必須經(jīng)過控制才能達到穩(wěn)定，且節(jié)能效果較差。

第二，主要是讀取冷卻水的具體數(shù)值，并對冷卻水的進水與出水進行控制，進而影響冷凝效果。這種方式不能快速表現(xiàn)出冷凝溫度，因此這種控制方法大多被應(yīng)用于對控制精度不高的情況。例如：集控型水冷機，只要可以給予17 ℃～20 ℃的冷水精度就能滿足設(shè)備的需求。該辦法控制精度較低，但是節(jié)能的效果比較好[6]。

3 實際應(yīng)用

在XX 包裝材料有限公司的生產(chǎn)車間里，運用冷卻出水、進水溫差控制法設(shè)計的冷卻水循環(huán)節(jié)能系統(tǒng)驗證了它的可用性和較強的可操作性，此外，還較為節(jié)省能量，減輕用戶用電壓力，得到用戶好評。

該制冷量達1 080 kW 的水冷機型號是S1L080B，主機采用的是萊富康半封閉的雙螺桿壓縮機。為了達到有效降低客戶成本的目的，系統(tǒng)選用的控制器能夠做到上述兩種方法，即控制冷卻水及變頻器，穩(wěn)定滿足客戶需求（西門子S7-200系列可編程控制器及相關(guān)產(chǎn)品和功能）。

該冷卻水循環(huán)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計原理是：系統(tǒng)自動收集冷卻水進水和出水的溫度，計算兩者間的差值，運用差值作為溫差采樣值；結(jié)合冷卻進水溫度再根據(jù)前文所闡述的原理，運用PLC 智能化地計算出所一致的冷卻出水和進水的溫度差，以此作為溫度設(shè)定值。再用采樣值與溫度設(shè)定值相互比較，會出現(xiàn)以下結(jié)果：如果采樣值小于設(shè)定值，說明該流量偏大，所以需要減少流量來提高采樣值，依此類推舉。當(dāng)精度有更高的要求時，可以運用PID方法。也就是把采樣值、溫差設(shè)定值以及積分時間等不同的參數(shù)錄入PLC 內(nèi)部中，此時PLC就可以精確推算出PID輸出值，而此PID輸出值正好與0%～10%的水泵總額定流量是相互一致的。至于為什么要在PLC 中經(jīng)過推算出PID 輸出值，這是因為PLC輸出值為4臺水泵總額定流量的對應(yīng)比例值，但是變頻水泵流量卻只占到總額定流量的25%，所以需要經(jīng)過PLC內(nèi)部經(jīng)過換算以后才可以將PID輸出值輸入變頻器中。

該系統(tǒng)是由4 臺水泵并聯(lián)運行，可以通過調(diào)節(jié)水泵的開和關(guān)，調(diào)節(jié)水泵的頻率來達到連續(xù)控制流量的目的。其操作原理是：打開變頻水泵，將頻率調(diào)到50 Hz，觀察流量是否合適，若還想增大流量，這時可以打開第一臺定頻水泵，并且把該變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)為5 Hz，此時，觀察流量，如果還需要增大流量，那么可以把變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)到50 Hz，一直重復(fù)以上操作直到打開所有水泵，滿足流量要求。當(dāng)流量過高，需要降低一定程度的流量時，同樣也是首先把變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)到5 Hz，觀察流量，如果還需要繼續(xù)降低流量，那么可以關(guān)上一臺定頻水泵，并且把變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)到50 Hz，一直重復(fù)以上操作直到關(guān)閉所有水泵，通過對變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)的方法就可以使水泵流量處于連續(xù)受控的范圍，與此同時還節(jié)能減排，降低成本，效果較佳。

5 結(jié)語

該文分析了煙機水冷螺桿機組冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制的工作原理，對比分析了水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和水路閥門調(diào)節(jié)兩種通過改變水流量來達到節(jié)能目的的控制方法，并分析了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法在節(jié)能方面的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上提出了冷凝壓力和冷卻出水、進水溫差兩種控制方法，并對兩種方法的控制精度和節(jié)能情況進行了對比。