林滿陽,黃俊(信達(dá)生制藥集團(tuán),江蘇 蘇州 215000)
根 據(jù)ASHRAE 對(duì) 高 效 機(jī) 房(high-efficiency optimized chiller plants)的定義,能效比EER 大于5.0(0.7kW/RT)的制冷機(jī)房為優(yōu)秀(excellent),稱為高效機(jī)房,其中以水冷式冷水機(jī)組為例:
國內(nèi)的制冷機(jī)房實(shí)測EER 大多在3.5 以下。導(dǎo)致機(jī)房能效比偏低的主要原因有以下幾點(diǎn):第一,系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)間占比過大;第二,制冷機(jī)房的控制邏輯混亂;第三,水泵揚(yáng)程選擇過大從而增大了水泵運(yùn)行能耗;第四,機(jī)房設(shè)備主要由人工操作和維護(hù),導(dǎo)致設(shè)備長期帶病運(yùn)行等狀況。
高效機(jī)房的建設(shè)正是針對(duì)上述痛點(diǎn),在機(jī)房的設(shè)計(jì)和改造過程中系統(tǒng)性地實(shí)施下列措施:一是對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化,確保系統(tǒng)能夠長時(shí)間運(yùn)行在高效率區(qū);二是對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化,以高效設(shè)備汰換低效設(shè)備;三是對(duì)管路進(jìn)行優(yōu)化,減少沿程與局部阻力;四是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,通過智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房無人值守運(yùn)行,排除人工操作的不確定性。
2019 年6 月,國家發(fā)展改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》。方案中指出“到2030 年,大型公共建筑制冷能效提升30%,制冷總體能效水平提升25% 以上,綠色高效制冷產(chǎn)品市場占有率提高40%以上,年節(jié)電4 000 億kWh 左右”。高效機(jī)房作為制冷系統(tǒng)節(jié)能的重要手段在這一政策背景下有望成為新的熱點(diǎn)??梢灶A(yù)見高效機(jī)房的技術(shù)與市場在未來都會(huì)有長足的發(fā)展[1]。
生物制藥車間為了保證生產(chǎn)環(huán)境,公用工程都是全年24 h運(yùn)行的,車間能耗主要是公用工程的耗電,占比約達(dá)80%。而制冷機(jī)房(冷水機(jī)組、循環(huán)水系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)等)的耗電量又占了公用工程耗電量的64.3%,是能耗大戶。案例車間制冷機(jī)房由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造較早,運(yùn)行監(jiān)控和管理相對(duì)簡單,有較大提升空間。公用工程用電組成如表1 所示。
表1 公用工程用電組成
案例車間高效制冷機(jī)房包含三套制冷系統(tǒng):空調(diào)冷凍水系統(tǒng)(6/12 ℃),使用3 臺(tái)2 650 kW 離心式冷水機(jī)組(1 臺(tái)變頻),綜合能效比EER=3.95;工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)(7/13 ℃),使用3 臺(tái)1 600 kW 離心式冷水機(jī)組(1 臺(tái)變頻),EER=4.02;低溫工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)(-5/0 ℃),使用2 臺(tái)500 kW 水冷螺桿式乙二醇低溫機(jī)組,EER=3.10。
空調(diào)系統(tǒng)需要24 h 運(yùn)行,負(fù)荷變化受季節(jié)變化、早晚室外溫度變化和工藝房間溫濕度變化的影響。既有控制系統(tǒng)為手動(dòng)控制,不能滿足精益、高效運(yùn)行控制。
計(jì)劃對(duì)該制冷機(jī)房進(jìn)行高效機(jī)房改造,使空調(diào)冷凍水系統(tǒng)和工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)達(dá)到高效機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn),即綜合能效比EER不小于5.0,低溫工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)的EER 達(dá)到4.0,從而實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房節(jié)能降耗的目的。
通過對(duì)制冷機(jī)房現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并結(jié)合國際上高效機(jī)房的最新科技成果,本次高效機(jī)房改造主要涉及以下三個(gè)方面:設(shè)備的優(yōu)化、管路的優(yōu)化與控制的優(yōu)化。
設(shè)備性能和能效水平是制冷機(jī)房實(shí)現(xiàn)高效的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目制冷機(jī)房所使用的冷水機(jī)組均滿足一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn),水泵均滿足二級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn),具有較好的節(jié)能效果?,F(xiàn)有的所有水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)都是定頻運(yùn)行,以冷卻塔風(fēng)機(jī)為例,長期定頻運(yùn)行下存在以下問題:(1)隨季節(jié)、晝夜變化,負(fù)荷隨之變化,但定頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié),造成能源浪費(fèi),增加運(yùn)行成本;(2)啟動(dòng)困難,直接啟動(dòng),啟動(dòng)電流大,對(duì)電網(wǎng)存在沖擊[2]。因此項(xiàng)目為所有冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)安裝變頻器,對(duì)上述設(shè)備實(shí)現(xiàn)全變頻控制[2]。
通過對(duì)空調(diào)冷卻水管路阻力的校核,發(fā)現(xiàn)冷卻水管路的流速小于2.5 m/s,比摩阻小于108 Pa/m,總阻力為23 m 水柱。
由于冷卻塔的積水盤并不聯(lián)通,原設(shè)計(jì)中沒有平衡管,冷卻塔出水管也沒有電動(dòng)閥,故當(dāng)冷卻塔及其進(jìn)水電動(dòng)閥關(guān)閉時(shí),冷卻水不斷被抽走補(bǔ)水,導(dǎo)致其他冷卻塔溢水。
冷卻水泵、冷凍水泵以及冷機(jī)入口管路原設(shè)計(jì)為Y 型過濾器,Y 型過濾器過濾面積小,且濾網(wǎng)為大孔徑的不銹鋼孔板,內(nèi)附不銹鋼細(xì)濾網(wǎng),阻力較大,水頭損失一般為1~3 m,占到管路總阻力的5%~12%。
基于上述現(xiàn)有管路條件,對(duì)管路系統(tǒng)改造如下:以45o彎頭取代直角彎頭,如圖1 所示對(duì)冷卻塔加裝平衡管和出水電動(dòng)閥;考慮到空調(diào)水系統(tǒng)可允許直徑<2 mm 雜質(zhì)的存在而不會(huì)造成設(shè)備的損壞,項(xiàng)目以較大濾孔(10 目,孔徑)、較大過濾面積的過濾器替換原有過濾器。
通過上述管路優(yōu)化措施的改造,整個(gè)管路系統(tǒng)的總阻力可下降約2 m 水柱。
圖1 管道線路優(yōu)化示例
3.3.1 控制概述
制冷機(jī)房原有的控制系統(tǒng)只有溫度、壓力、流量檢測和設(shè)備遠(yuǎn)程啟停功能,不具備根據(jù)溫度和流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能和加減機(jī)功能。對(duì)制冷機(jī)房的控制主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改造,如圖2 所示:(1)通過增設(shè)相應(yīng)的現(xiàn)場控制器輸入模塊來監(jiān)視系統(tǒng)各部分的溫度、壓力、流量、設(shè)備狀態(tài)和故障報(bào)警等;(2)通過增設(shè)相應(yīng)的現(xiàn)場控制器輸出模塊來控制電動(dòng)閥門、水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等;(3)通過通訊線連接冷機(jī)至網(wǎng)絡(luò)控制引擎,再由網(wǎng)絡(luò)控制引擎將BAS 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換至IP 網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)由交換機(jī)連接到工廠內(nèi)網(wǎng),從而在電腦上實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)房運(yùn)行狀況的監(jiān)控;(4)增加新的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)制冷機(jī)房的智能控制。
圖2 制冷機(jī)房控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
3.3.2 群控邏輯
(1)設(shè)備順序啟停
一鍵開機(jī)順序:①開啟冷卻側(cè)、冷凍側(cè)電動(dòng)水閥;②冷卻塔風(fēng)扇根據(jù)冷卻塔出水溫度判斷是否開啟;③開啟冷卻側(cè)、冷凍側(cè)水泵;④開啟冷機(jī)。
一鍵關(guān)機(jī)順序:①關(guān)閉冷機(jī);②關(guān)閉冷卻塔風(fēng)扇,延時(shí)關(guān)閉冷卻側(cè)(3 min)、冷凍側(cè)水泵(5 min);③關(guān)閉冷卻側(cè)、冷凍側(cè)電動(dòng)水閥。
(2)冷水機(jī)組自動(dòng)加減機(jī)
生物制藥生產(chǎn)車間要求空調(diào)和工藝?yán)鋬鏊墓┧疁囟确謩e穩(wěn)定在6 ℃和7 ℃??照{(diào)系統(tǒng)是連續(xù)24 h 用冷,工藝設(shè)備是間歇用冷,因此冷水機(jī)組的自動(dòng)加減機(jī)是保證機(jī)房高效運(yùn)行的關(guān)鍵??刂葡到y(tǒng)通過冷凍水供水溫度與機(jī)組運(yùn)行的電流百分比,自動(dòng)加減冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)。冷水機(jī)組的加減機(jī)控制邏輯如圖3 所示,其中FLA%為電流百分比,CHWT 為冷凍水供水溫度,CHWT.STP 為冷凍水供水溫度的設(shè)定值[3]。
圖3 冷水機(jī)組加減機(jī)控制邏輯
(3)冷凍水恒壓差控制
冷凍水供回水壓差控制冷凍泵頻率、冷凍水旁通閥;當(dāng)冷凍泵最小頻率運(yùn)行時(shí),供回水壓差還是超過設(shè)定值,開啟冷凍水旁通電動(dòng)閥。
(4)冷卻水泵溫差控制
冷卻水泵的運(yùn)行頻率根據(jù)冷卻水供回水溫差(5 ℃可調(diào))調(diào)節(jié)。
(5)冷卻塔風(fēng)扇變頻控制
冷卻塔的運(yùn)行臺(tái)數(shù)與風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)冷卻塔出水溫度(濕球溫度加3 ℃)調(diào)節(jié);當(dāng)冷卻塔出水溫度低于設(shè)定溫度,關(guān)閉冷卻塔風(fēng)扇,啟動(dòng)冷卻水旁通閥。
(6)設(shè)備故障切機(jī)
冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)都具備故障切機(jī)功能,保證整個(gè)機(jī)房系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
以高效機(jī)房改造后的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)為例,對(duì)改造后的節(jié)能效果進(jìn)行分析。
根據(jù)制冷機(jī)房過去的運(yùn)行記錄與能耗數(shù)據(jù)得出改造前的年耗電量與EER。根據(jù)高效機(jī)房改造方案,結(jié)合室外氣象參數(shù)與廠房的運(yùn)行特點(diǎn),使用eQUEST 能耗模擬軟件對(duì)改造后制冷機(jī)房在相同負(fù)荷下的運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬計(jì)算,得到改造后的預(yù)期年耗電量與EER 比。兩者對(duì)比之下,得出年節(jié)電量、節(jié)能率與年節(jié)電費(fèi)如表2 所示。其中電費(fèi)按0.6 元/kWh 計(jì)算。項(xiàng)目改造空調(diào)冷凍水系統(tǒng)部分的總費(fèi)用約為160 萬元,經(jīng)計(jì)算得出的靜態(tài)回收期約為1.5 年[4]。
表2 高效機(jī)房改造前后能效對(duì)比
通過高效機(jī)房改造項(xiàng)目的實(shí)施,年節(jié)約用電量約180 萬kWh,節(jié)能率達(dá)到22.9%,年節(jié)約費(fèi)用約108 萬元,靜態(tài)投資回收期為1.5 年,節(jié)能效益顯著。同時(shí),通過對(duì)控制系統(tǒng)和控制邏輯優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制,基本不需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)或啟停機(jī)組,運(yùn)行人員在中控室可以通過控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面,實(shí)時(shí)掌握機(jī)房運(yùn)行情況和負(fù)荷變化情況,達(dá)到“智能化”控制。