攻克不连续负载下冷水机组冬季不能运行难题.docx
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攻克不连续负载下冷水机组冬季不能运行难题
攻克不连续负载下冷水机组冬季不能运行难题
全国工程建设优秀质量管理小组
申报材料
攻克不连续负载下冷水机组
冬季不能运行难题
课题名称：
攻克不连续负载下冷水机组
冬季不能运行难题
小组名称：
发动机试验室QC小组
活动时间：
2012年10月－2013年1月
中国机械工业第二建设工程有限公司
二0一三年四月
一、课题简介
安徽华菱汽车有限公司实验室项目是华菱汽车有限公司重点项目之一，我方负责项目暖通空调、给排水、动力系统及钢结构的安装工程。
其中工艺冷冻水部分主机为一台水冷式单螺杆冷水机组和一台离心式冷水机组并联。
设计阶段未考虑冬季运行时负载的不连续性，冷水机组在夏季工作正常，可进入冬季后就无法正常运行，导致工艺冷冻水系统无法正常使用，甚至烧毁电气元件。
实验室工艺冷冻水系统设计为“螺杆机+离心机”搭配使用，工艺流程图如图1所示，以满足不同负荷段的使用需要，提高运行效率，节省费用。
在冬季时，系统末端的设备大部分使用由另外的冷却塔提供的冷却水，并不使用冷水机组提供的冷冻水。
因此在冬季就会出现负载太小且不连续而无法满足单台冷水机组的使用要求。
图1
二、小组概况
小组名称
发动机试验室QC小组
成立时间
2012年10月8日
活动时间
2012年10月～2012年12月
注册编号
课题类型
攻关型
课题名称
攻克不连续负载下冷水机组冬季不能运行难题
小组成员简介
序号
姓名
性别
年龄
职务
学历
组内职务
QC教育时间
1
李俊
男
40
项目经理
本科
组长
72小时以上
2
李武超
男
26
工程师
本科
副组长
48小时以上
3
韩国军
男
40
项目副经理
组员
48小时以上
4
万书祥
男
47
施工管理
组员
48小时以上
5
李文
男
37
工程师
中专
组员
48小时以上
6
黄治国
男
49
工程师
中专
组员
48小时以上
三、选题理由
理由一：
随着工业的发展，从冷水机组仅用于夏季空调制冷到一年四季用于工艺设备，工艺对冷水机组的要求也越来越高。
理由二：
根据实际情况需要一种针对此类问题更加高效、经济、适用的解决方案。
理由三：
由于水冷式冷水机组是对冷却水的温度有要求（20℃以上），夏季不存在温度问题，因此冷水机组在冬季经常出现“油压差过大”的报警。
理由三：
微型中间继电器烧毁，PLC无输入无输出。
基于以上理由我QC小组选择了“攻克不连续负载下冷水机组冬季不能运行难题”为课题进行活动。
四、总目标：
冷水机组不论春夏秋冬，随时都能正常启动。
分目标1：
消除油差报警
分目标2：
消除PLC无输入和输出。
五、现状调查及原因分析
我QC小组对现场出现的问题进行了分析，在冬季系统运行时，末端负载很小，主机只需开启一台单螺杆冷水机组即可满足使用需求。
单螺杆冷水机组主要参数为：
制冷量Q=1443.8kW，制冷功率N=238.8kW，冷冻水流量L=69m³/h，冷冻水压降ΔP=86.1KPa，冷却水流量L’=86.2m³/h，冷却水压降ΔP’=75.4KPa，启动方式为星三角启动。
机组的标准运行环境：
电压380V，电压波动范围±10%，相电压不平衡率±2%，频率50±1Hz，工作环境温度3~40℃（即机组安装空间环境温度），相对湿度≤90%、无凝结水，室内安装、不被阳光直射和雨淋，水源热泵机组水温（即冷却水温度）范围如图所示。
所使用的冷却水泵主要参数为：
扬程为44米，流量280m³/h。
冷却塔流量为850m³/h，Δt=5℃。
末端负载情况如下表所示：
名称
最大水流量（m3/h）
进水温度（℃）
最高出水温度（℃）
最大温差（℃）
最大负荷（kw）
中冷器
11.7
7
12
5
68.25
燃油恒温
3.4
7
12
5
19.83
进气空调
18
7
12
5
105.00
组合风柜
28.8
7
12
5
168.00
负荷总计：
361.08
通过上表可看出此系统在冬季运行时的负载大约只有螺杆机额定冷量的25%，此负载下需要的冷却水量为361.08×0.224=80.9m³/h，仅为一台冷却水泵额定流量的28.9%，并且负荷不连续，加之环境温度很低，导致冷水机组冷却水的温度通过冷却塔后迅速下降，当降至水源热泵机组允许的水温范围之外后机组报警停机，无法正常使用。
另外，单螺杆式冷水机组（规格为PFS410.3）在冬季运行一段时间后，微型中间继电器被烧毁（型号为LY2NY，见图1），更换了同一型号的中间继电器后，冷水机组仍不能工作，故障现象为设备全部报警又不能消除、触摸屏上显示的参数均不正常。
我们再仔细查看，发现可编程控制器PLC（型号为：
S7-200CPU226）的SF/DIAG灯和RUN灯均亮绿灯，而所有的输入和输出信号灯全部不亮。
这是一种极反常的现象，因为在正常情况下，PLC的输入和输出信号灯是不可能全部不亮的，因为，任何一个PLC不可能连一个输入或输出信号都没有。
这说明PLC也烧坏了。
我们拆开PLC，就发现PLC的电源板上的DC24V稳压块烧坏了（见图2）。
我们对所有线路进行检查和测试，没有发现短路等异常情况，于是更换一台同型号的PLC，并恢复程序后，故障消除。
但运行不到十分钟，又出现以前经常发生的“油位开关报警”。
我们对照随机提供的图纸结合现场实际进行系统分析，从电气控制原理图纸上（见图3）可以看出：
烧毁的中间继电器KA5只用了2对触点，其中的1对触点接有2个电加热器和一个KA6线圈，使用的电源是220V。
与之邻近的另1对触点接油位开关，作为PLC的输入信号；使用的电源来自PLC，为直流24V。
这2对触点都封装在一个塑料罩内。
当与电加热器相连的强电触点起火拉弧时，引起邻近的与PLC相连的弱电触点过压而造成为这个24V提供电源的PLC也烧坏。
这个推断的依据是：
由于中间继电器的这对触点带2组电加热器和一个KA6线圈，其触点容量不足，长期发热氧化后引起自燃。
从图1上可以看出，也是与电加热器相连的那组触点烧得最严重，黑烟薰黑了整个塑料罩。
这就验证了上述推断。
该公司设计的冷水机组主要是用于夏日制冷，在夏季油温较高，启动冷水机组所需给油加热的时间短，甚至不用对油加热就能满足冷水机组正常启动、运行。
因此，大多数情况下不会出现烧毁这个中间断电器的现象。
而这台冷水机组在这个项目被用来对发动机进行试验，由于发动机做试验的时间是昼夜24小时不停的，试验室内的温度相当高，这就要求冷水机组即使在冬季，也要为发动机试验提供制冷功能，而此时冷水机组可能在其油温低至几度的情况下启动，这样一来，给油加热到能正常启动的时间就会很长，于是，这个中间继电器就出现长时间超负荷运行状况，也就会出现继电器的触点过热而烧毁继电器、连带烧毁PLC的现象。
因此可以判定：
出现的问题是设备的自身缺陷，如果不从根本上解决问题，日后还会出现此类故障。
六、解决方案分析及选择
根据冷水机组的使用要求，要使机组正常开机使用，关键在于如何保证在冬季末端连续负载不够的情况下，冷却水温度处于一个满足机组正常运行的恒定位置。
于是如何解决冷却水温度问题，成为此问题的关键所在。
据此可有如下几种方案：
方案1：
在回水主管上增加一个大容量电热器，并增加3个温度探头和阀门，利用DDC对系统进行控制，如图所示。
此改造方案使用步骤如下：
1、冬季使用时，2号阀门关闭，1号阀门开启。
2、开机前，水泵低频启动，2号温度探头温度低于20度时，电加热器工作。
3、2号温度探头温度达到25度左右时，机组运转。
4、当冷却水回水处1号探头温度达到25度时，电加热器停止，系统正常运转。
5、3号探头时刻监视出水温度，电加热器停止后，时刻对水泵进行变频控制。
6、以上所有自控由DDC模块进行控制。
7、可将冷却塔风机与模块联动，当负荷非常大时，自动开启冷却塔风机。
方案2：
在冷却塔进水主管上增加一个电加热器和一个开关型电动蝶阀，并在进出水主管增加一个旁通和一个开关型电动蝶阀，在出水主管上安装一个温度探测器，利用温度对电动蝶阀和电加热器进行自动控制，如图所示。
使用步骤如下：
1、冬季使用时，电加热器旁通阀门关闭，加热器两端阀门打开，当温度感应器温度低于24℃时开始工作，高于24℃时停止工作；
2、当温度感应器温度低于24℃时，电动蝶阀1打开，电动蝶阀2关闭；
3、当温度感应器温度高于35℃时，电动蝶阀1关闭，电动蝶阀2打开；
4、以上所有自控由DDC模块进行控制。
5、水泵开启台数可根据情况手动控制，或增加温度节点进行自控。
6、将冷却塔风机与模块联动，当负荷非常大时，自动开启冷却塔风机。
方案3：
在冷却水管与冷冻水管之间加一套板式换热器装置，冬季使用时直接利用冷却塔的冷量为末端提供7℃的冷冻水，而不使用冷水机组，如图所示。
当冬季最高温度低于7℃时，关闭1号、2号、3号、4号阀门，打开5号、6号、7号、8号阀门，开启板式换热器和冷却水泵，停用冷水机组。
在低负荷下利用冷却塔和板式换热器为末端提供冷冻水。
方案4：
在冷却水进回水主管增加一个管径合适的旁通，在旁通上安装一个调节型电动蝶阀，并在冷水机组进水口安装一个温度感应器，以此对电动蝶阀进行调节控制。
如图所示。
当旁通管径合适（管径可以通过计算得出），电动阀100%开启时，冷却水就不会通过冷却塔而直接通过旁通循环，再由温度变化控制电动蝶阀开启度，以控制通过冷却塔与旁通的流量，达到控制进入冷水机组冷却水温度的目的。
此方案操作步骤如下：
1、冬季使用时，通过控制模块设置通过电动蝶阀水温为30℃，±2℃。
即在水温为28℃时电动阀全开，水温为32℃时电动阀全闭。
2、开启一台冷却水泵，让冷却水通过旁通进行闭式循环，调节冷却水管上的水流开关，使其在低流量下也能使冷水机组开启，然后开启冷水机组及冷冻水泵，关小冷水机组出口冷却水阀门。
上诉步骤是为了增大冷却水进出水温度差，从而增加油压差，防止冷水机组由于冷却水温度太低导致报警。
3、观察冷水机组控制面板上的参数，当冷水机组冷却水进水温度达到23℃后再将冷却水阀门全部开启，冷水机组即可正常运行。
以上即是此问题的4种解决方案，先分析各个方案的优缺点，再选择最佳方案。
对于第一种方案，需要增加安装两个阀门、一个大功率加热器、三个温度探头和旁通管，并增加相应的自控模块，施工成本并不是很高，但当大功率加热器开启后，由于冷却水循环为开式循环，在冬季使用时，室外环境温度越低，加热器功率消耗越大，且能量全部被冷却塔消耗，能源浪费很严重。
第二种方案中，增加两路旁通及两个开关型电动蝶阀、三个普通阀门、一个电加热器、一个温度探头，并安装相应的自控模块电动蝶阀进行控制。
根据控制原理，在冬季，当冷却水温度在一定范围内时，只通过旁通而不通过冷却塔循环，可以避免能量的浪费。
但需要改造的量很大，成本很高，且当系统连续运行时，电加热器实际上只在启动时进行了加热工作，而系统运行中由于闭式循环的热量损耗很小及水泵不停做功，即使在报警停机状态下，冷却水温度长时间并不会降低很快，导致电加热器使用率很低，造成资源浪费。
第三种改造方案中，系统在冬季使用时，直接使用冷却塔通过板式换热器为末端提供温度相对恒定的冷冻水，而不使用冷水机组，这样可以最大限度的节约能源。
但此改造系统需要增加安装的内容很多，包括板式换热器、管道、阀门等，成本很高。
且此方案需要考虑系统所在地的冬季长短及昼夜温差，特别在我国中部及南方地区，冬季比较短，改造系统在一年中使用率很低，而且当昼夜温差很大，中午温度过高时，此系统无法满足要求，则需要再切换至原系统，操作繁琐。
第四种方案中，通过计算只增加了一路旁通、一个调节型电动蝶阀及一个温度探测计，并安装相应的自控装置，施工成本低廉。
在系统使用前，利用冷水机组本身的特点对冷却水进行一次温度提升，稳定后即可连续正常运行，达到最大限度的节约能源的目的。
综合上述四种方案的比较，可看出第四种方案既经济实用，又节约能源，因此选择第四种方案进行改造。
至于烧毁电气元件，最简单的解决方法是将中间继电器的两对触点并接到2个加热器的线路上，以增大触点容量。
另一种方法是选用1个触点容量大些的继电器，然后再由这个继电器的2对触点分别控制这2个电加热器，达到一对一地控制。
由于后者要做较多的电路改进，我们选用上述最简单的方案对冷水机组进行了改进。
七、方案计算
对于第四种方案，系统中各参数如图所示。
设泵在额定流量下运行，则对于系统主管，流量与速度及主管半径的关系为
式中R为主管半径，当刚好水流处于不通过冷却塔的临界点时，旁通中水流速最大，设为v2。
设在理想情况下，以旁通管中心作为基准面，列出旁通断面2-2与冷却塔水平面0-0和主管中心断面1-1的能量方程，即
式中
——各断面相对基准面的高度
——为水的容重，
——冷却塔水平面压强，
——管道断面压强，
——修正系数，取修正系数
均为1
——水头损失，
，
为局部阻力系数
化简式2得
因泵在额定流量下工作，设旁通半径为r，根据等流量原理，旁通中的流量与主管流量相等，即与泵的额定流量相等，可得
联合公式1、3、4可得旁通的最小半径r，单位为米。
对于此发动机实验室工艺冷冻水系统，单台泵流量为Q=280m³/h，系统主管为DN300的镀锌钢管，h0=4米，局部阻力系数
=0.06，代入此公式5中解得理想情况下最小旁通管半径r=54mm。
此为理论计算值，实际可选择型号大一个等级的旁通及电动蝶阀，以便更好的满足使用需求。
因此对于此系统可选择DN150的镀锌管道作为旁通管道，调节型电动蝶阀型号亦为DN150。
八、实施结果论证
对于此工艺冷冻水系统，我们选择的旁通管道为DN150的镀锌管道，电动蝶阀型号为EOA-40，DN150，调节型。
各主要性能参数为：
输出力矩400Nm，动作时间30s，回转角度0~90°，电机功率90W，输入信号2~10VDC，输出信号2~10mADC。
安装如图所示，然后在电动蝶阀控制模块中设置电动蝶阀温度为30℃，±2℃，再按步骤开启整个工艺冷冻水系统。
压缩机能量
电动蝶阀执行器
正常开启系统后，机组运行稳定，运行状况如图所示。
其中冷水机组压缩机的能量根据末端负载自动调节，而冷却水温度由电动蝶阀来控制。
根据一周的观察，如下表所示。
室外环境平均温度约为5℃，冷却水温度一直维持在30℃左右，冷水机组一台压缩机启动，能量范围为50%~60%，冷冻水进水温度为7.0℃~7.3℃，出水温度一直维持在7.0℃左右。
由此可得出此改造系统冬季使用时，在相对较低的并且不连续的负荷下能正常并稳定的运行。
时间项目
第一天
第二天
第三天
第四天
第五天
第六天
第七天
冷却水进水温度℃
30.3
29.8
30.3
29.5
29.7
29.9
30.4
冷却水出水温度℃
30.8
29.7
30.5
29.3
29.6
30.2
30.8
冷冻水进水温度℃
7.2
7.0
7.2
7.1
7.0
7.2
7.0
冷冻水出水温度℃
7.0
6.9
7.0
6.9
6.9
7.1
6.9
环境温度℃
3.3
4.1
4.5
5.6
8.0
7.2
4.9
压缩开启数
1
1
1
1
1
1
1
压缩机能量
58%
55%
56%
54%
54%
53%
63%
电动阀开度
55%
50%
50%
50%
40%
45%
50%
有无报警
无
无
无
无
无
无
无
经济效益：
本次成果通过技术措施优化了方案，尽可能减少不必要的材料设备及能源浪费，最大限度的节省成本及能源，大大提高了综合经济效益。
社会效益：
本次QC小组活动的成功，体现了我公司先进的管理水平和技术能力，也为保证工程创优作出了积极的贡献。
九、巩固措施
通过QC活动、实践，我们积累了制冷系统在冬季且不连续负载的运行环境下的处理经验。
同时我们撰写论文《低负载冷水机组系统技术改造》，以巩固成果。
一十、下一步打算
随着社会的发展，科技的进步，在以后工程中我们将会遇到新问题，我们将组织组员不断学习、实践，进一步提高组员分析问题解决问题的能力，不断攻克施工难关。
我们将《高精度中央空调系统温湿度控制调试方案探讨》作为下次QC活动课题，解决大体积混凝土施工难题，使我们小组的活动深入持久地开展下去，为企业的发展贡献力量。
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