论文部分内容阅读
[摘 要]针对卷烟企业工艺空调系统制冷机组，夏季工况出口水温被固定设置在最低控制区域，造成机组运行效率不高、能耗大的问题，经过在群控PLC及上位机编程、组态，监测空调机组湿负荷、冷冻水管网末端水温的变化，并计算制冷机出口水温理论设定值，通过wincc控制脚本，在监控界面弹进行弹窗提醒调节水温设定值，最终实现制冷机组的变水温运行。通过实践证明，该模式下制冷机组运行能耗降低2.9%左右。
[关键词]制冷机组；变水温；节能运行；改造
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0260-01
0.前言
根据烟草行业能源系统诊断测试数据显示，烟草企业空调制冷系统能耗占烟草工业企业总能耗的三分之一以上[1]，占动力设备（空调、制冷、真空、空压、锅炉等）能耗的65%以上，在整个空调制冷系统的总能耗中，冷水机组的耗能占35%左右。从工业厂房空调制冷系统各设备所占的能耗比例中可以看出，制冷站中冷水机组的耗能最大，大约是冷冻水泵耗能的3.5倍以上，因此制冷站系统的节能控制方案应首先考虑如何降低冷水机组的能耗。对于冷水机组而言，冷冻供水温度越低，冷水机组蒸发温度越低，冷水机组消耗功率越大。反之，冷冻供水温度越高，冷水机组消耗功率越小。下图冷水机组在不同冷冻供水温度下的能耗性能曲线。
结合曲线图及相关研究文献可知，冷冻供水温度每提高1℃，冷水机组的消耗功率降低3%左右[2]。因此，当空调末端侧对冷负荷的需求降低时，提高冷水机组的供水温度可以节省冷水机组的运行能耗。
1.设备现状
企业现有开利19XR 800冷吨离心冷水机组2台、30HXC 400冷吨螺杆冷水机组1台，冷水作为车间工艺空调的冷源，负责夏季车间环境的工艺温湿度控制。在设备现场控制层，使用1台西门子S7-300 PLC对三台制冷机及附属设备进行群控管理。该控制器通过Profinet与生产车间的9台空调控制器实现了联网。
根据工艺需要，制冷机冷媒水出水温度设定值在（7-12）℃之间可调，但是在实际运行过程中常被固定设置为7℃。由于室外气象条件及空调控制区域的热湿负荷是不断变化的，因此，空调系统对冷媒水的温度需求不同（湿负荷对冷源的品质要求更高），当热湿负荷降低，制冷机运行还维持较低的出水温度，即负荷发生变化、偏离设计工况时，这就会降低制冷机的运行效率，造成能源浪费。
2.改进方法
2.1控制方案：
针对这种情况，拟利用西门子编程软件（SIMATIC Manager）及上位监控软件（Wincc），编制程序，通过监测9台空调机组热湿负荷的变化及冷冻水管网末端水温是否满足使用要求，计算并确定空调系统确定是否对制冷机出口冷冻水温设定值进行调节及调节幅度。控制流程如图2所示：
2.2技术实施
1.安装末端冷媒水温度传感器。在生产车间1、2层冷媒水管道末端安装水温传感器，并根据《烟厂空调系统全年负荷特性与理想热湿处理系统分析》[3]中确定的卷包车间空气露点温度15.8℃、制丝车间18.7℃为参考，并编制控制区域空气露点温度计算及比较程序，只有在末端水温低于露点温度时，才允许对制冷机出水温度设定值进行调节：
2.确定空调系统湿负荷需求。以经过PID运算输出的表冷阀的开度控制值作为单台空调的湿负荷需求基数，以单台风机的送风量为权重，加权计算整个空调系统的总需求。9台机组送风量共有3种规格，分别是100，000m3/h、60，000m3/h和20，000m3/h，我们以10万风量基准，确定它们的风量值为权重分别为1、0.6及0.2，据此对其湿负荷需求量进行修正后，再计算系统累计湿负荷。
3.计算负荷需求率。 以单台空调的湿负荷状态下表冷阀的最大开度100%为参考，当开度最大时确定此时的湿负荷为100，则8台空调系统的理论最大湿负荷为800，并以此为基数，计算系统实际湿负荷需求率：
湿负荷需求率=（（K1+K2+K3）*1+K4*0.6+K5*0.2+（K7+K8+K9）*1）/800*100% （式1）
并以此数据为依据，分5段设置制冷机出水温度：
4.组态上位机报警提示画面： 通过wincc编写全局脚本，组态变水温运行提示窗口文本信息，通过5段水温边界识别程序中计算出的5个状态位，触发提示窗口的弹出。
为了避免由于湿负荷变化较快，造成的频繁弹出提示窗口的问题，我们通过设置脚本的运行时钟周期，让脚本每10-20分钟运行一次，对窗口提示状态位等数据进行一次读操作及运算比较，确保水温设置值在一定时间段内的稳定，避免对水温的频繁调节。
3.实施效果：
变水温运行后，制冷机日均节电281 KWh，运行能耗下降2.9%。尤其在9月底及10月份进入秋季后，气温相对较低且空气较干燥，单台螺杆制冷机满足使用要求的情况下，节能效果更为明显，7度出水温度时4组压缩机需要全部启动，当温度设置为9-11度时，大部分情况下3台压缩机工作即可满足使用要求，结合16年制冷机的运行数据，制作对比表如下：
图3制冷机变水温运行经济数据对比图
結合上图，从2017年与2016年的对比数据可以计算出，电耗下降： 6.3万KW·h，节约运行电费5.355（万元）
参考文献
[1]巩超，熊周喻.某卷烟厂空调风系统能耗测试与分析[J].建筑热能通风空调，2009，28（3）：76-79.
[2]陈敏华.中央冷水主机变冷冻水温对系统节能的影响分析[J].建筑热能通风空调，2012，31（4）：64-66.
[3]张小芬，宋高举，李先庭，等.卷烟厂空调系统全年负荷特性与理想热湿处理系统分析[J].建筑科学，2012，28（4）.
[关键词]制冷机组；变水温；节能运行；改造
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0260-01
0.前言
根据烟草行业能源系统诊断测试数据显示，烟草企业空调制冷系统能耗占烟草工业企业总能耗的三分之一以上[1]，占动力设备（空调、制冷、真空、空压、锅炉等）能耗的65%以上，在整个空调制冷系统的总能耗中，冷水机组的耗能占35%左右。从工业厂房空调制冷系统各设备所占的能耗比例中可以看出，制冷站中冷水机组的耗能最大，大约是冷冻水泵耗能的3.5倍以上，因此制冷站系统的节能控制方案应首先考虑如何降低冷水机组的能耗。对于冷水机组而言，冷冻供水温度越低，冷水机组蒸发温度越低，冷水机组消耗功率越大。反之，冷冻供水温度越高，冷水机组消耗功率越小。下图冷水机组在不同冷冻供水温度下的能耗性能曲线。
结合曲线图及相关研究文献可知，冷冻供水温度每提高1℃，冷水机组的消耗功率降低3%左右[2]。因此，当空调末端侧对冷负荷的需求降低时，提高冷水机组的供水温度可以节省冷水机组的运行能耗。
1.设备现状
企业现有开利19XR 800冷吨离心冷水机组2台、30HXC 400冷吨螺杆冷水机组1台，冷水作为车间工艺空调的冷源，负责夏季车间环境的工艺温湿度控制。在设备现场控制层，使用1台西门子S7-300 PLC对三台制冷机及附属设备进行群控管理。该控制器通过Profinet与生产车间的9台空调控制器实现了联网。
根据工艺需要，制冷机冷媒水出水温度设定值在（7-12）℃之间可调，但是在实际运行过程中常被固定设置为7℃。由于室外气象条件及空调控制区域的热湿负荷是不断变化的，因此，空调系统对冷媒水的温度需求不同（湿负荷对冷源的品质要求更高），当热湿负荷降低，制冷机运行还维持较低的出水温度，即负荷发生变化、偏离设计工况时，这就会降低制冷机的运行效率，造成能源浪费。
2.改进方法
2.1控制方案：
针对这种情况，拟利用西门子编程软件（SIMATIC Manager）及上位监控软件（Wincc），编制程序，通过监测9台空调机组热湿负荷的变化及冷冻水管网末端水温是否满足使用要求，计算并确定空调系统确定是否对制冷机出口冷冻水温设定值进行调节及调节幅度。控制流程如图2所示：
2.2技术实施
1.安装末端冷媒水温度传感器。在生产车间1、2层冷媒水管道末端安装水温传感器，并根据《烟厂空调系统全年负荷特性与理想热湿处理系统分析》[3]中确定的卷包车间空气露点温度15.8℃、制丝车间18.7℃为参考，并编制控制区域空气露点温度计算及比较程序，只有在末端水温低于露点温度时，才允许对制冷机出水温度设定值进行调节：
2.确定空调系统湿负荷需求。以经过PID运算输出的表冷阀的开度控制值作为单台空调的湿负荷需求基数，以单台风机的送风量为权重，加权计算整个空调系统的总需求。9台机组送风量共有3种规格，分别是100，000m3/h、60，000m3/h和20，000m3/h，我们以10万风量基准，确定它们的风量值为权重分别为1、0.6及0.2，据此对其湿负荷需求量进行修正后，再计算系统累计湿负荷。
3.计算负荷需求率。 以单台空调的湿负荷状态下表冷阀的最大开度100%为参考，当开度最大时确定此时的湿负荷为100，则8台空调系统的理论最大湿负荷为800，并以此为基数，计算系统实际湿负荷需求率：
湿负荷需求率=（（K1+K2+K3）*1+K4*0.6+K5*0.2+（K7+K8+K9）*1）/800*100% （式1）
并以此数据为依据，分5段设置制冷机出水温度：
4.组态上位机报警提示画面： 通过wincc编写全局脚本，组态变水温运行提示窗口文本信息，通过5段水温边界识别程序中计算出的5个状态位，触发提示窗口的弹出。
为了避免由于湿负荷变化较快，造成的频繁弹出提示窗口的问题，我们通过设置脚本的运行时钟周期，让脚本每10-20分钟运行一次，对窗口提示状态位等数据进行一次读操作及运算比较，确保水温设置值在一定时间段内的稳定，避免对水温的频繁调节。
3.实施效果：
变水温运行后，制冷机日均节电281 KWh，运行能耗下降2.9%。尤其在9月底及10月份进入秋季后，气温相对较低且空气较干燥，单台螺杆制冷机满足使用要求的情况下，节能效果更为明显，7度出水温度时4组压缩机需要全部启动，当温度设置为9-11度时，大部分情况下3台压缩机工作即可满足使用要求，结合16年制冷机的运行数据，制作对比表如下：
图3制冷机变水温运行经济数据对比图
結合上图，从2017年与2016年的对比数据可以计算出，电耗下降： 6.3万KW·h，节约运行电费5.355（万元）
参考文献
[1]巩超，熊周喻.某卷烟厂空调风系统能耗测试与分析[J].建筑热能通风空调，2009，28（3）：76-79.
[2]陈敏华.中央冷水主机变冷冻水温对系统节能的影响分析[J].建筑热能通风空调，2012，31（4）：64-66.
[3]张小芬，宋高举，李先庭，等.卷烟厂空调系统全年负荷特性与理想热湿处理系统分析[J].建筑科学，2012，28（4）.