工艺冷却水系统温控改造研究

黄福山

上海源仝机电设备有限公司 上海 201419

1 工艺冷却水概述

笔者单位有一台大型高级医用设备，耗电量大，对温度要求严格，一般要求温度控制在27℃，误差要求在1℃范围内。为了保证这一设备恒温工作，配备了一次工艺冷却水、二次工艺冷却水、三次工艺冷却水三叠式冷却系统，以及五组电加热器、三台冷水机组、36台水泵、15台风机、多种电柜等控制设备。设备一旦开启，每小时的耗电量在1 160 kWh以上。即使配置了如此多的制热制冷设备，有时仍然难以保证温度满足要求，还浪费了能源。

基于此，需要对工艺冷却水系统进行温控改造。为了保证脱硫系统的安全运行，需要保持工艺水箱水位为给定数值。当脱硫吸收塔入口温度、蒸汽温度等因素变化时，会引起工艺冷却水箱水位的变化。这时，值班操作员根据水位计指示值与标尺上给定值之差，操作控制阀的开度，改变给水流量，使工艺冷却水箱水位回到给定值。如果用设备代替值班操作员，那么工艺冷却水箱水位h经测量变送器测量并转换为具有一定函数关系的电信号h1，与水位给定值h2进行比较，将两者之差（h2-h1）送入控制器。控制器根据偏差的正负及大小，发出一定规律的输出控制信号，指挥执行器操作给水控制阀的开度，改变给水流量，从而改变工艺冷却水箱的水位。

自动控制系统按工作原理分为反馈控制系统、前馈控制系统和反馈前馈控制系统，工艺冷却水箱的水位控制为反馈控制系统。反馈控制系统的基本工作原理是根据被控量与给定值之间的误差进行控制，最后消除误差。为了取得误差信号，需要有被控量测量值的反馈信号，从而将系统构成一个闭合回路，这种系统也称为闭环控制系统。控制器根据水位与给定值的误差控制给水量，以改变水位。水位测量值反馈到控制器构成闭环，控制器再根据误差校正给水量，最后消除误差。

工艺冷却水系统的联锁保护为：工艺水箱液位不超过1 m，延时30 s停工艺冷却水泵；工艺水箱温度超过70℃停工艺冷却水泵；床层压降低于500 Pa超过5 s，停工艺冷却水泵；吸收塔出口温度低于70℃，停工艺冷却水泵；工艺冷却水泵出口电动阀关到位超过10 s，停工艺冷却水泵。工艺冷却水泵启动顺序为：启动工艺冷却水泵，工艺冷却水泵出口电动阀打开，水枪回水调节阀打开至100%，回水关断阀打开。工艺冷却水系统自动控制设备有水箱液位计、水箱水温测点、水泵出口电动阀、水箱补水气动阀、回水调节阀、电磁流量计等。

2 改造前温控情况

如图1所示，负载的工作温度要求为27±1℃ 。当负载温度高于27℃时，三叠式工艺冷却系统对设备降温。当负载温度低于27℃时，冷却系统自动停机，电加热器自动通电加热，使设备升温。通过升温和降温保证负载温度为27±1℃，控温精度要求高。

▲图1 温控系统示意图

由图1可知，使设备恒温实际上是对一次工艺冷却水调温。当设备超温需要降温时，一次工艺冷却水带走设备的热量，自身温度有升高的趋势，二次工艺冷却水带走一次工艺冷却水的热量，又使一次工艺冷却水温度降温。一次工艺冷却水到底是升温还是降温，取决于设备产生的热量和二次工艺冷却水带走的热量是否平衡。如果二次工艺冷却水带走的热量不足以抵消设备产生的热量，那么二次工艺冷却水要提升流量，加强对一次工艺冷却水的降温效果。如果还不行，那么三次工艺冷却水将自动启动，帮助二次工艺冷却水提升冷却能力。当设备温度低于27℃需要升温时，自动关闭冷却控制，启动电加热器，根据升温强度自动选择加热的挡位和功率。只要控制合理，调节得当，就可以保证负载设备达到基本恒温。但实际情况是，这一温控方案并不完善，如三通阀的开度调节仅受温度取样点温度的约束。温度取样点温度高于标定温度，三通阀就打开。温度取样点温度等于标定温度，三通阀门就关闭。温度取样点温度低于标定温度，加热器就自动开启。控制粗糙，控制变量选择单一，造成了控制精度差，出现过调或欠调。特别是过调，会使制热或制冷装置过度工作，从而造成能源浪费，降低控制效率。由此可见，需要对工艺冷却水系统进行温控改造。

3 温度检测点

对系统温控最有影响的变量是一次工艺冷却水的温度，因此对测温进行研究。

如图2所示，在一次水回路中，温度从B点传导到A点约有25 s的延时，温度有损失。温度从D点传导到C点约有15 s的延时，温度有损失。一次水循环一周大约要40 s。

设备侧是产热源，也是受控源。根据水的流向，不难判定：降温控制时，A点温度高于B点温度，D点温度高于C点温度；升温控制时，A点温度高于B点温度。

根据分析结果，可以得到结论：用单一的A点温度来进行恒温控制，过于粗糙，控制准确度低。要达到所要求的精度，必须进行温控改造。

▲图2 温度测点示意图

4 温控改造方案

进行温度改造时，需要制订控制关系表，具体包括：① 负载在标准温度（27℃）下，每升高0.1℃所需要的热量；② 负载在标准温度（27℃）下，每降低0.1℃所需要的冷量；③电加热功率强度的切换温度表；④工艺冷却水系统接入的温度调节表；⑤以上各表的输入地址。编制控制关系的运作程序，制订温度取样规则，并送入计算机由运作程序进行处理。这其中，最重要的是温度取样规则。

一次工艺冷却水从B点经电加热器到达A点，有35 s的延时，造成B点温度低于A点。假设B点温度为27℃，A点温度为28℃，这时如果将B点视为温度检测点，那么一次工艺冷却水不需要调控，但实际上负载温度已是28℃，导致欠调，负载温度超标。如果将A点视为温度检测点，那么负载因温度超标而需调控，结果会导致三通阀的开度加大，一次工艺冷却水温度降温，B点温度降为26℃，A点温度降为27℃。B点低温水流到电加热器，就会启动电加热器加热，关断三通阀，引起错控，造成加热器能源浪费。以上分析表明，只要A点、B点之间有1℃以上的温差，A点或B点就都不能单独用来作为温度检测点。

通过研究探讨，在系统设备出水口设置D点，在板交进水口设置C点。为了解决三通阀调节延时性导致超温的问题，取C点和D点两点温度的大值进行提前调节，将A点的温度设为27℃基础值，B点温度仍然为电加热器工作的监测点。

通过以上方案，解决了调节延时的问题，也解决了过调的问题。

5 改造后成效

改造前工艺冷却水系统温控效果不理想，虽然大多数情况温度被控制为27±1℃，但有相当时间超出了1℃。温度曲线波动大，说明过调频繁，能源浪费多。

改造后温控效果理想，工艺冷却水系统温度均没有超过27±0.5℃，能源浪费也有所减少。可见，改造后节能效果明显。