某空压站冷却水系统控制策略

张成礼，刘丽萍，宋明磊

（中国汽车工业工程公司 自控工程院，天津 300190）

0 引 言

在工业现场有大量设备需要使用压缩空气作为其动力源，并要求压缩空气的压力保持在一定范围内［1］。为了达到这一要求，通常采用多台空压机组，根据用气量的多少确定投入运行的空压机组台数。空压机组在运行过程中产生大量的热，需要采用冷却水来保证其正常工作。因此空压机组对于冷却水系统的要求较高，不但要求适当的冷却水温度和流量，而且要保证冷却水供应的可靠性。每台空压机组设有水压联锁保护装置，当水压不满足要求时，空压机组将自动停机，从而导致设备停产的严重后果。如何保证冷却水温度和压力稳定、如何优化冷却水设备的启停控制、如何提高冷却水系统的可靠性是空压站冷却水控制系统面临的几个主要问题。本文结合某工程实例，提出了解决这些问题的控制策略。

1 工程概况

某工厂空压站制备的压缩空气通过管路传输到车间，为气动机械、气动夹具、气动扳手等提供动力。空压站的主要设备包括3套空压机组（3台压缩机和3台干燥机）、冷却水系统（3台变频泵和2台冷却塔）、新风机组、换热器、乙二醇箱及膨胀罐、软水站和调压泵站等，其简化系统图如图1所示。系统采用控制设备容错设计和工艺设备冗余设计来提高系统运行的可靠性。

1.1 控制设备容错设计

采用冗余结构、智能模块化设计及各种故障检测和保护措施来保证系统能够长时间安全可靠运行。PLC、I／O模板、通讯线、网卡、直流电源以及系统电源等重要控制设备采用热备份冗余设计，实现冗余设备的无忧自动切换。

1.2 工艺设备冗余设计

关键工艺设备采用冗余设备来提高设备可靠性：3台空压机组（2用1备）；3台冷却水泵（2用1备）。为了平衡冗余设备的运行时间，延长设备的使用寿命，可以根据设备运行时间定期改变设备的运行序列。当运行设备故障时，立即切换到备用设备，并将故障设备分离出系统；故障排除并复位后，再投入系统。

1.3 余热利用设计

当空压机组运行时，需要同时运行新风机组，用来补充空压机组消耗的空气，并使室内空气保持微正压［2］。在冬季，为了保证空压站的室内温度，还需要通过新风机组的加热器为新风加热。

在冬季，为了节约能源，新风机组加热器的循环水系统与空压机组的循环水系统通过换热器进行热交换，把空压机组产生的热量传送到新风机组加热器。这样，可以利用空压机组的冷却水为新风机组的新风加热，不仅能够降低冷却水降温所需的能耗，同时还会节约新风机组加热所需的能耗，达到余热利用的目的。

1.4 手动操作面板

为了防止PLC故障影响系统的运行，在PLC控制柜上安装了德国Neuberger公司生产的手动操作面板。使用该操作面板可以脱离PLC对冷却水系统的各个泵、阀等设备进行手动控制。

2 冷却水控制

冷却水系统共有3个冷却水泵，其中1个作为备用。根据空压机组负荷情况，启动1个或2个冷却水泵运行。只有冷却水泵运行时，才允许运行空压机组。

2.1 冷却水泵的联锁控制

冷却水泵与冷却水静压力联锁。当系统启动时，若静压力正常（≥0.5bar），一台冷却水泵启动运行；在运行过程中，若静压力过低（＜0.4bar），停止所有正在运行的冷却水泵，并发出报警。

2.2 冷却水供回压差控制

空压机组负荷的变化会引起冷却水供回压差的波动。通过PI（比例积分）法调节冷却水泵的转速，使供回压差达到设定值（1.5bar）。

2.3 第二个冷却水泵的启停控制

图1 空压站冷却水系统图

系统启动时，第一台泵启动运行；系统停止时，停止所有正在运行的泵。

当1个泵运行时，若泵的转速≥98%持续2分钟，第二个泵启动运行；当2个泵运行时，若泵的转速＜60%持续2分钟，第二个泵停止运行。

2.4 冷却水温度控制

通过正向PI法调节分集水器旁通阀的开度和冷却塔风机的转速［2］，使冷却水供水温度达到设定值（33℃），其控制方式如下：

（1）当PI值为0～50%时，调节分集水器旁通阀的开度100～0%；

当旁通阀执行器＜5%时，启动第1个冷却塔并打开相应的冷却塔阀；当旁通阀执行器＞75%时，关闭第1个冷却塔及相应的冷却塔阀。

（2）当PI值为50～100%时，调节冷却塔风机的变频器输出值0～100%。

当风机的变频器输出值＞40%时，启动第2个冷却塔并打开相应的冷却塔阀；当风机的变频器输出值＜10%时，关闭第2个冷却塔及相应的冷却塔阀。

2.5 冷却水泵故障切换

当冷却水泵故障（变频器故障、过载等）时，立即切换到备用泵运行。

3 冷却塔控制

（1）冷却塔模式

冷却塔为干湿两用冷却塔；当室外温度小于15℃持续3分钟后，以干式模式运行，关闭喷淋泵；当室外温度大于17℃持续3分钟后，以湿式模式运行，启动喷淋泵。

（2）冷却塔水位

在湿式模式下冷却塔通过浮球检测水位的方式自动补充由于喷淋而蒸发消耗的水量，使水位保持在设定高度。补水管路与软化水站连接。在湿式模式下冷却塔有最低水位限制，由水位开关检测，并与喷淋泵互锁。

（3）冷 却 塔 排 水报警

当室外温度低于5℃持续3分钟后，发出报警，通知维护人员手动排出冷却塔内的水。

（4）冷 却 塔 故 障切换

当正在运行的冷却塔发生下列故障时，自动转换到下一个冷却塔：变频器风机故障、维修开关关闭、喷淋泵故障、水位过低、通讯故障和 远 程I／O 站 电 源关闭。

4 空压机组控制

4.1 联锁信号

空压机组包括压缩机和干燥机。每台压缩机和干燥机本身有单独的控制器，它和系统PLC控制柜之间采用硬接点进行联锁控制。压缩机联锁信号有：故障、关闭、运行、运行模式；干燥机联锁信号有：故障、关闭、运行、PDP报警、低压报警。

4.2 空压机组启停控制

当冷却水泵正常运行时，按以下顺序启停控制空压机组：

（1）当空压机组状态正常时，打开相应的压缩机出水阀；当任一压缩机出水阀打开时，关闭压缩机冷却水旁通阀。

（2）压缩机内部的水流开关检测到冷却水流动时，启动空压机组。

（3）空压机组关闭后，延时10分钟关闭相应的压缩机出水阀；当所有压缩机出水阀关闭时，打开压缩机冷却水旁通阀。

5 新风机组控制

新风机组包括风阀、过滤器、加热器、风机等。风机为双速电机，当第1台空压机组启动时，新风机组打开风阀、风机以低速运行；当第2台空压机组启动时，新风机组的风机以高速运行。

5.1 出风温度控制

通过PI法调节新风机组水阀的开度0～100%，使送风温度达到设定值（20℃）。

5.2 水泵的启停控制

当水阀执行器＞10%且室外温度＜20℃时，启动水泵；当水阀执行器＜5%或室外温度＞21℃持续3分钟后，关闭水泵。

5.3 供回水压差控制

通过PI法调节新风机组水泵的转速，使供回水压差达到设定值（1.5bar）。

5.4 保护控制

新风机组长时间运行，过滤段可能破裂或被灰尘堵塞，需要及时更换或清洗［3］。为过滤段安装一个压差传感器，用于检测过滤段的状态：当过滤段破裂时，压差减小；当过滤段堵塞时，压差增大。当风机运行时，若过滤段压差小于最小允许值或大于最大允许值，发出报警。

为风机安装一个压差传感器，用于检测风机的运行状态：当风阀打开到位、风机启动命令发出60s后，若压差小于设定值，发出报警。

6 结束语

合理的空压站冷却水系统控制策略要有完善的设备保护功能，提高控制目标的稳定性，并达到节能高效的目的。控制策略要与工程实际需求相适应，并在实践中加以完善和改进。系统投入使用后，运行稳定可靠，满足了原设计要求。

［1］邵慧华，等.基于PLC的空气压缩机组控制系统［J］.电气自动化，2006，28（2）：67-69.

［2］江亿，姜子炎.建筑设备自动化［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］郭强，孙均兵，顾宏杰.现代大型厂房暖通空调计算机监控系统［J］.电气自动化，1998，20（6）：22-24.