攻克不連續(xù)負載下冷水機組冬季不能運行難題

1、全國工程建設優(yōu)秀質量管理小組申報材料攻克不連續(xù)負載下冷水機組冬季不能運行難題課題名稱：攻克不連續(xù)負載下冷水機組冬季不能運行難題 小組名稱： 發(fā)動機試驗室QC小組 活動時間： 2012年10月2013年1月 中國機械工業(yè)第二建設工程有限公司二0一三年四月一、 課題簡介安徽華菱汽車有限公司實驗室項目是華菱汽車有限公司重點項目之一，我方負責項目暖通空調、給排水、動力系統(tǒng)及鋼結構的安裝工程。其中工藝冷凍水部分主機為一臺水冷式單螺桿冷水機組和一臺離心式冷水機組并聯(lián)。設計階段未考慮冬季運行時負載的不連續(xù)性，冷水機組在夏季工作正常，可進入冬季后就無法正常運行，導致工藝冷凍水系統(tǒng)無法正常使用，甚至燒毀電氣元件

2、。實驗室工藝冷凍水系統(tǒng)設計為“螺桿機+離心機”搭配使用，工藝流程圖如圖1所示，以滿足不同負荷段的使用需要，提高運行效率，節(jié)省費用。在冬季時，系統(tǒng)末端的設備大部分使用由另外的冷卻塔提供的冷卻水，并不使用冷水機組提供的冷凍水。因此在冬季就會出現(xiàn)負載太小且不連續(xù)而無法滿足單臺冷水機組的使用要求。圖1二、 小組概況小組名稱發(fā)動機試驗室QC 小組成立時間2012年 10月 8日活動時間2012年10月2012年12月注冊編號課題類型攻關型課題名稱攻克不連續(xù)負載下冷水機組冬季不能運行難題小 組 成 員 簡 介序 號姓名性別年齡職 務學歷組內職務QC教育時間1李俊男40項目經理本科組長72小時以上2李武超男

3、26工程師本科副組長48小時以上3韓國軍男40項目副經理組員48小時以上4萬書祥男47施工管理組員48小時以上5李 文男37工程師中專組員48小時以上6黃治國男49工程師中專組員48小時以上三、 選題理由理由一：隨著工業(yè)的發(fā)展，從冷水機組僅用于夏季空調制冷到一年四季用于工藝設備，工藝對冷水機組的要求也越來越高。理由二： 根據(jù)實際情況需要一種針對此類問題更加高效、經濟、適用的解決方案。理由三： 由于水冷式冷水機組是對冷卻水的溫度有要求（20以上），夏季不存在溫度問題，因此冷水機組在冬季經常出現(xiàn)“油壓差過大”的報警。理由三：微型中間繼電器燒毀，PLC無輸入無輸出。基于以上理由我QC小組選擇了“攻克

4、不連續(xù)負載下冷水機組冬季不能運行難題”為課題進行活動。四、 總目標：冷水機組不論春夏秋冬，隨時都能正常啟動。分目標1：消除油差報警分目標2：消除PLC無輸入和輸出。五、 現(xiàn)狀調查及原因分析我QC小組對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進行了分析，在冬季系統(tǒng)運行時，末端負載很小，主機只需開啟一臺單螺桿冷水機組即可滿足使用需求。單螺桿冷水機組主要參數(shù)為：制冷量Q=1443.8kW，制冷功率N=238.8kW，冷凍水流量L=69m/h，冷凍水壓降P=86.1KPa，冷卻水流量L=86.2m/h，冷卻水壓降P=75.4KPa，啟動方式為星三角啟動。機組的標準運行環(huán)境：電壓380V，電壓波動范圍10%，相電壓不平衡率2%，

5、頻率501Hz，工作環(huán)境溫度340（即機組安裝空間環(huán)境溫度），相對濕度90%、無凝結水，室內安裝、不被陽光直射和雨淋，水源熱泵機組水溫（即冷卻水溫度）范圍如圖所示。所使用的冷卻水泵主要參數(shù)為：揚程為44米，流量280m/h。冷卻塔流量為850m/h，t=5。末端負載情況如下表所示：名稱最大水流量（m3/h）進水溫度（）最高出水溫度（）最大溫差（）最大負荷（kw)中冷器11.7712568.25 燃油恒溫3.4712519.83 進氣空調187125105.00 組合風柜28.87125168.00 負荷總計：361.08 通過上表可看出此系統(tǒng)在冬季運行時的負載大約只有螺桿機額定冷量的25%，此

6、負載下需要的冷卻水量為361.080.224=80.9m/h，僅為一臺冷卻水泵額定流量的28.9%，并且負荷不連續(xù)，加之環(huán)境溫度很低，導致冷水機組冷卻水的溫度通過冷卻塔后迅速下降，當降至水源熱泵機組允許的水溫范圍之外后機組報警停機，無法正常使用。另外，單螺桿式冷水機組（規(guī)格為PFS410.3）在冬季運行一段時間后，微型中間繼電器被燒毀（型號為LY2NY，見圖1），更換了同一型號的中間繼電器后，冷水機組仍不能工作，故障現(xiàn)象為設備全部報警又不能消除、觸摸屏上顯示的參數(shù)均不正常。我們再仔細查看，發(fā)現(xiàn)可編程控制器PLC（型號為：S7-200 CPU226）的SF/DIAG燈和RUN燈均亮綠燈，而所有的

7、輸入和輸出信號燈全部不亮。這是一種極反常的現(xiàn)象，因為在正常情況下，PLC的輸入和輸出信號燈是不可能全部不亮的，因為，任何一個PLC不可能連一個輸入或輸出信號都沒有。這說明PLC也燒壞了。我們拆開PLC，就發(fā)現(xiàn)PLC的電源板上的DC24V穩(wěn)壓塊燒壞了（見圖2）。 圖2燒毀的可編程控制器圖1 燒毀的中間繼電器我們對所有線路進行檢查和測試，沒有發(fā)現(xiàn)短路等異常情況，于是更換一臺同型號的PLC，并恢復程序后，故障消除。但運行不到十分鐘，又出現(xiàn)以前經常發(fā)生的“油位開關報警”。我們對照隨機提供的圖紙結合現(xiàn)場實際進行系統(tǒng)分析，從電氣控制原理圖紙上（見圖3）可以看出：燒毀的中間繼電器KA5只用了2對觸點，其中的

8、1對觸點接有2個電加熱器和一個KA6線圈，使用的電源是220V。與之鄰近的另1對觸點接油位開關，作為PLC的輸入信號；使用的電源來自PLC，為直流24V。這2對觸點都封裝在一個塑料罩內。當與電加熱器相連的強電觸點起火拉弧時，引起鄰近的與PLC相連的弱電觸點過壓而造成為這個24V提供電源的PLC也燒壞。這個推斷的依據(jù)是：由于中間繼電器的這對觸點帶2組電加熱器和一個KA6線圈，其觸點容量不足，長期發(fā)熱氧化后引起自燃。從圖1上可以看出，也是與電加熱器相連的那組觸點燒得最嚴重，黑煙薰黑了整個塑料罩。這就驗證了上述推斷。 圖3 隨機原理圖該公司設計的冷水機組主要是用于夏日制冷，在夏季油溫較高，啟動冷水機

9、組所需給油加熱的時間短，甚至不用對油加熱就能滿足冷水機組正常啟動、運行。因此，大多數(shù)情況下不會出現(xiàn)燒毀這個中間斷電器的現(xiàn)象。而這臺冷水機組在這個項目被用來對發(fā)動機進行試驗，由于發(fā)動機做試驗的時間是晝夜24小時不停的，試驗室內的溫度相當高，這就要求冷水機組即使在冬季，也要為發(fā)動機試驗提供制冷功能，而此時冷水機組可能在其油溫低至幾度的情況下啟動，這樣一來，給油加熱到能正常啟動的時間就會很長，于是，這個中間繼電器就出現(xiàn)長時間超負荷運行狀況，也就會出現(xiàn)繼電器的觸點過熱而燒毀繼電器、連帶燒毀PLC的現(xiàn)象。因此可以判定：出現(xiàn)的問題是設備的自身缺陷，如果不從根本上解決問題，日后還會出現(xiàn)此類故障。六、 解決方

10、案分析及選擇根據(jù)冷水機組的使用要求，要使機組正常開機使用， 關鍵在于如何保證在冬季末端連續(xù)負載不夠的情況下，冷卻水溫度處于一個滿足機組正常運行的恒定位置。于是如何解決冷卻水溫度問題，成為此問題的關鍵所在。據(jù)此可有如下幾種方案：方案1：在回水主管上增加一個大容量電熱器，并增加3個溫度探頭和閥門，利用DDC對系統(tǒng)進行控制，如圖所示。此改造方案使用步驟如下：1、冬季使用時，2號閥門關閉，1號閥門開啟。2、開機前，水泵低頻啟動，2號溫度探頭溫度低于20度時，電加熱器工作。3、2號溫度探頭溫度達到25度左右時，機組運轉。4、當冷卻水回水處1號探頭溫度達到25度時，電加熱器停止，系統(tǒng)正常運轉。5、3號探頭

11、時刻監(jiān)視出水溫度，電加熱器停止后，時刻對水泵進行變頻控制。6、以上所有自控由DDC模塊進行控制。7、可將冷卻塔風機與模塊聯(lián)動，當負荷非常大時，自動開啟冷卻塔風機。方案2：在冷卻塔進水主管上增加一個電加熱器和一個開關型電動蝶閥，并在進出水主管增加一個旁通和一個開關型電動蝶閥，在出水主管上安裝一個溫度探測器，利用溫度對電動蝶閥和電加熱器進行自動控制，如圖所示。使用步驟如下：1、冬季使用時，電加熱器旁通閥門關閉，加熱器兩端閥門打開，當溫度感應器溫度低于24時開始工作，高于24時停止工作；2、當溫度感應器溫度低于24時，電動蝶閥1打開，電動蝶閥2關閉；3、當溫度感應器溫度高于35時，電動蝶閥1關閉，電

12、動蝶閥2打開；4、以上所有自控由DDC模塊進行控制。5、水泵開啟臺數(shù)可根據(jù)情況手動控制，或增加溫度節(jié)點進行自控。6、將冷卻塔風機與模塊聯(lián)動，當負荷非常大時，自動開啟冷卻塔風機。方案3：在冷卻水管與冷凍水管之間加一套板式換熱器裝置，冬季使用時直接利用冷卻塔的冷量為末端提供7的冷凍水，而不使用冷水機組，如圖所示。當冬季最高溫度低于7時，關閉1號、2號、3號、4號閥門，打開5號、6號、7號、8號閥門，開啟板式換熱器和冷卻水泵，停用冷水機組。在低負荷下利用冷卻塔和板式換熱器為末端提供冷凍水。方案4：在冷卻水進回水主管增加一個管徑合適的旁通，在旁通上安裝一個調節(jié)型電動蝶閥，并在冷水機組進水口安裝一個溫度

13、感應器，以此對電動蝶閥進行調節(jié)控制。如圖所示。當旁通管徑合適（管徑可以通過計算得出），電動閥100%開啟時，冷卻水就不會通過冷卻塔而直接通過旁通循環(huán)，再由溫度變化控制電動蝶閥開啟度，以控制通過冷卻塔與旁通的流量，達到控制進入冷水機組冷卻水溫度的目的。此方案操作步驟如下：1、冬季使用時，通過控制模塊設置通過電動蝶閥水溫為30，2。即在水溫為28時電動閥全開，水溫為32時電動閥全閉。2、開啟一臺冷卻水泵，讓冷卻水通過旁通進行閉式循環(huán)，調節(jié)冷卻水管上的水流開關，使其在低流量下也能使冷水機組開啟，然后開啟冷水機組及冷凍水泵，關小冷水機組出口冷卻水閥門。上訴步驟是為了增大冷卻水進出水溫度差，從而增加油壓

14、差，防止冷水機組由于冷卻水溫度太低導致報警。3、觀察冷水機組控制面板上的參數(shù)，當冷水機組冷卻水進水溫度達到23后再將冷卻水閥門全部開啟，冷水機組即可正常運行。以上即是此問題的4種解決方案，先分析各個方案的優(yōu)缺點，再選擇最佳方案。對于第一種方案，需要增加安裝兩個閥門、一個大功率加熱器、三個溫度探頭和旁通管，并增加相應的自控模塊，施工成本并不是很高，但當大功率加熱器開啟后，由于冷卻水循環(huán)為開式循環(huán)，在冬季使用時，室外環(huán)境溫度越低，加熱器功率消耗越大，且能量全部被冷卻塔消耗，能源浪費很嚴重。第二種方案中，增加兩路旁通及兩個開關型電動蝶閥、三個普通閥門、一個電加熱器、一個溫度探頭，并安裝相應的自控模塊

15、電動蝶閥進行控制。根據(jù)控制原理，在冬季，當冷卻水溫度在一定范圍內時，只通過旁通而不通過冷卻塔循環(huán)，可以避免能量的浪費。但需要改造的量很大，成本很高，且當系統(tǒng)連續(xù)運行時，電加熱器實際上只在啟動時進行了加熱工作，而系統(tǒng)運行中由于閉式循環(huán)的熱量損耗很小及水泵不停做功，即使在報警停機狀態(tài)下，冷卻水溫度長時間并不會降低很快，導致電加熱器使用率很低，造成資源浪費。第三種改造方案中，系統(tǒng)在冬季使用時，直接使用冷卻塔通過板式換熱器為末端提供溫度相對恒定的冷凍水，而不使用冷水機組，這樣可以最大限度的節(jié)約能源。但此改造系統(tǒng)需要增加安裝的內容很多，包括板式換熱器、管道、閥門等，成本很高。且此方案需要考慮系統(tǒng)所在地的

16、冬季長短及晝夜溫差，特別在我國中部及南方地區(qū)，冬季比較短，改造系統(tǒng)在一年中使用率很低，而且當晝夜溫差很大，中午溫度過高時，此系統(tǒng)無法滿足要求，則需要再切換至原系統(tǒng)，操作繁瑣。第四種方案中，通過計算只增加了一路旁通、一個調節(jié)型電動蝶閥及一個溫度探測計，并安裝相應的自控裝置，施工成本低廉。在系統(tǒng)使用前，利用冷水機組本身的特點對冷卻水進行一次溫度提升，穩(wěn)定后即可連續(xù)正常運行，達到最大限度的節(jié)約能源的目的。綜合上述四種方案的比較，可看出第四種方案既經濟實用，又節(jié)約能源，因此選擇第四種方案進行改造。至于燒毀電氣元件，最簡單的解決方法是將中間繼電器的兩對觸點并接到2個加熱器的線路上，以增大觸點容量。另一種

17、方法是選用1個觸點容量大些的繼電器，然后再由這個繼電器的2 對觸點分別控制這2個電加熱器，達到一對一地控制。由于后者要做較多的電路改進，我們選用上述最簡單的方案對冷水機組進行了改進。七、 方案計算對于第四種方案，系統(tǒng)中各參數(shù)如圖所示。設泵在額定流量下運行，則對于系統(tǒng)主管，流量與速度及主管半徑的關系為 式中R為主管半徑，當剛好水流處于不通過冷卻塔的臨界點時，旁通中水流速最大，設為v2。設在理想情況下，以旁通管中心作為基準面，列出旁通斷面2-2與冷卻塔水平面0-0和主管中心斷面1-1的能量方程，即 式中各斷面相對基準面的高度為水的容重，冷卻塔水平面壓強，管道斷面壓強，修正系數(shù)，取修正系數(shù)均為1水頭

18、損失， ，為局部阻力系數(shù)化簡式2得 因泵在額定流量下工作，設旁通半徑為r，根據(jù)等流量原理，旁通中的流量與主管流量相等，即與泵的額定流量相等，可得 聯(lián)合公式1、3、4可得旁通的最小半徑r，單位為米。 對于此發(fā)動機實驗室工藝冷凍水系統(tǒng)，單臺泵流量為Q=280m/h，系統(tǒng)主管為DN300的鍍鋅鋼管，h0=4米，局部阻力系數(shù)=0.06，代入此公式5中解得理想情況下最小旁通管半徑r=54mm。此為理論計算值，實際可選擇型號大一個等級的旁通及電動蝶閥，以便更好的滿足使用需求。因此對于此系統(tǒng)可選擇DN150的鍍鋅管道作為旁通管道，調節(jié)型電動蝶閥型號亦為DN150。八、 實施結果論證對于此工藝冷凍水系統(tǒng)，我們

19、選擇的旁通管道為DN150的鍍鋅管道，電動蝶閥型號為EOA-40，DN150，調節(jié)型。各主要性能參數(shù)為：輸出力矩400Nm，動作時間30s，回轉角度090，電機功率90W，輸入信號210VDC，輸出信號210mADC。安裝如圖所示，然后在電動蝶閥控制模塊中設置電動蝶閥溫度為30，2，再按步驟開啟整個工藝冷凍水系統(tǒng)。壓縮機能量冷卻水進水溫度冷卻水出水溫度冷凍水進水溫度冷凍水出水溫度閥體旁通管道電動蝶閥執(zhí)行器 正常開啟系統(tǒng)后，機組運行穩(wěn)定，運行狀況如圖所示。其中冷水機組壓縮機的能量根據(jù)末端負載自動調節(jié)，而冷卻水溫度由電動蝶閥來控制。根據(jù)一周的觀察，如下表所示。室外環(huán)境平均溫度約為5，冷卻水溫度一直維持在30左右，冷水機組一臺壓縮機啟動，能量范圍為50%60%，冷凍水進水溫度為7.07.3，出水溫度一直維持在7.0左右。由此可得出此