攻克不連續(xù)負(fù)載下冷水機(jī)組冬季不能運(yùn)行難題

1、全國工程建設(shè)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組申報(bào)材料攻克不連續(xù)負(fù)載下冷水機(jī)組冬季不能運(yùn)行難題課題名稱：攻克不連續(xù)負(fù)載下冷水機(jī)組冬季不能運(yùn)行難題 小組名稱： 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室QC小組 活動(dòng)時(shí)間： 2012年10月2013年1月 中國機(jī)械工業(yè)第二建設(shè)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(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目是華菱汽車有限公司重點(diǎn)項(xiàng)目之一，我方負(fù)責(zé)項(xiàng)目暖通空調(diào)、給排水、動(dòng)力系統(tǒng)及鋼結(jié)構(gòu)的安裝工程。其中工藝?yán)鋬鏊糠种鳈C(jī)為一臺(tái)水冷式單螺桿冷水機(jī)組和一臺(tái)離心式冷水機(jī)組并聯(lián)。設(shè)計(jì)階段未考慮冬季運(yùn)行時(shí)負(fù)載的不連續(xù)性，冷水機(jī)組在夏季工作正常，可進(jìn)入冬季后就無法正常運(yùn)行，導(dǎo)致工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)無法正常使用，甚至燒毀電氣元件

2、。實(shí)驗(yàn)室工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)設(shè)計(jì)為“螺桿機(jī)+離心機(jī)”搭配使用，工藝流程圖如圖1所示，以滿足不同負(fù)荷段的使用需要，提高運(yùn)行效率，節(jié)省費(fèi)用。在冬季時(shí)，系統(tǒng)末端的設(shè)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(jī)組提供的冷凍水。因此在冬季就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載太小且不連續(xù)而無法滿足單臺(tái)冷水機(jī)組的使用要求。圖1二、 小組概況小組名稱發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室QC 小組成立時(shí)間2012年 10月 8日活動(dòng)時(shí)間2012年10月2012年12月注冊(cè)編號(hào)課題類型攻關(guān)型課題名稱攻克不連續(xù)負(fù)載下冷水機(jī)組冬季不能運(yùn)行難題小 組 成 員 簡 介序 號(hào)姓名性別年齡職 務(wù)學(xué)歷組內(nèi)職務(wù)QC教育時(shí)間1李俊男40項(xiàng)目經(jīng)理本科組長72小時(shí)以上2李武超男

3、26工程師本科副組長48小時(shí)以上3韓國軍男40項(xiàng)目副經(jīng)理組員48小時(shí)以上4萬書祥男47施工管理組員48小時(shí)以上5李 文男37工程師中專組員48小時(shí)以上6黃治國男49工程師中專組員48小時(shí)以上三、 選題理由理由一：隨著工業(yè)的發(fā)展，從冷水機(jī)組僅用于夏季空調(diào)制冷到一年四季用于工藝設(shè)備，工藝對(duì)冷水機(jī)組的要求也越來越高。理由二： 根據(jù)實(shí)際情況需要一種針對(duì)此類問題更加高效、經(jīng)濟(jì)、適用的解決方案。理由三： 由于水冷式冷水機(jī)組是對(duì)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(jī)組在冬季經(jīng)常出現(xiàn)“油壓差過大”的報(bào)警。理由三：微型中間繼電器燒毀，PLC無輸入無輸出?；谝陨侠碛晌襋C小組選擇了“攻克

4、不連續(xù)負(fù)載下冷水機(jī)組冬季不能運(yùn)行難題”為課題進(jìn)行活動(dòng)。四、 總目標(biāo)：冷水機(jī)組不論春夏秋冬，隨時(shí)都能正常啟動(dòng)。分目標(biāo)1：消除油差報(bào)警分目標(biāo)2：消除PLC無輸入和輸出。五、 現(xiàn)狀調(diào)查及原因分析我QC小組對(duì)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，在冬季系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，末端負(fù)載很小，主機(jī)只需開啟一臺(tái)單螺桿冷水機(jī)組即可滿足使用需求。單螺桿冷水機(jī)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=69m³/h，冷凍水壓降P=86.1KPa，冷卻水流量L=86.2m³/h，冷卻水壓降P=75.4KPa，啟動(dòng)方式為星三角啟動(dòng)。機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行環(huán)境：電壓380V，電壓波動(dòng)范圍&#

5、177;10%，相電壓不平衡率±2%，頻率50±1Hz，工作環(huán)境溫度340（即機(jī)組安裝空間環(huán)境溫度），相對(duì)濕度90%、無凝結(jié)水，室內(nèi)安裝、不被陽光直射和雨淋，水源熱泵機(jī)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(yáng)程為44米，流量280m³/h。冷卻塔流量為850m³/h，t=5。末端負(fù)載情況如下表所示：名稱最大水流量（m3/h）進(jìn)水溫度（）最高出水溫度（）最大溫差（）最大負(fù)荷（kw)中冷器11.7712568.25 燃油恒溫3.4712519.83 進(jìn)氣空調(diào)187125105.00 組合風(fēng)柜28.87125168.00 負(fù)荷總計(jì)：3

6、61.08 通過上表可看出此系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)的負(fù)載大約只有螺桿機(jī)額定冷量的25%，此負(fù)載下需要的冷卻水量為361.08×0.224=80.9m³/h，僅為一臺(tái)冷卻水泵額定流量的28.9%，并且負(fù)荷不連續(xù)，加之環(huán)境溫度很低，導(dǎo)致冷水機(jī)組冷卻水的溫度通過冷卻塔后迅速下降，當(dāng)降至水源熱泵機(jī)組允許的水溫范圍之外后機(jī)組報(bào)警停機(jī)，無法正常使用。另外，單螺桿式冷水機(jī)組（規(guī)格為PFS410.3）在冬季運(yùn)行一段時(shí)間后，微型中間繼電器被燒毀（型號(hào)為LY2NY，見圖1），更換了同一型號(hào)的中間繼電器后，冷水機(jī)組仍不能工作，故障現(xiàn)象為設(shè)備全部報(bào)警又不能消除、觸摸屏上顯示的參數(shù)均不正常。我們?cè)僮屑?xì)查看

7、，發(fā)現(xiàn)可編程控制器PLC（型號(hào)為：S7-200 CPU226）的SF/DIAG燈和RUN燈均亮綠燈，而所有的輸入和輸出信號(hào)燈全部不亮。這是一種極反常的現(xiàn)象，因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，PLC的輸入和輸出信號(hào)燈是不可能全部不亮的，因?yàn)?，任何一個(gè)PLC不可能連一個(gè)輸入或輸出信號(hào)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(duì)所有線路進(jìn)行檢查和測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)短路等異常情況，于是更換一臺(tái)同型號(hào)的PLC，并恢復(fù)程序后，故障消除。但運(yùn)行不到十分鐘，又出現(xiàn)以前經(jīng)常發(fā)生的“油位開關(guān)報(bào)警”。我們對(duì)照隨機(jī)提供的圖紙結(jié)

8、合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)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(duì)觸點(diǎn)，其中的1對(duì)觸點(diǎn)接有2個(gè)電加熱器和一個(gè)KA6線圈，使用的電源是220V。與之鄰近的另1對(duì)觸點(diǎn)接油位開關(guān)，作為PLC的輸入信號(hào)；使用的電源來自PLC，為直流24V。這2對(duì)觸點(diǎn)都封裝在一個(gè)塑料罩內(nèi)。當(dāng)與電加熱器相連的強(qiáng)電觸點(diǎn)起火拉弧時(shí)，引起鄰近的與PLC相連的弱電觸點(diǎn)過壓而造成為這個(gè)24V提供電源的PLC也燒壞。這個(gè)推斷的依據(jù)是：由于中間繼電器的這對(duì)觸點(diǎn)帶2組電加熱器和一個(gè)KA6線圈，其觸點(diǎn)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(diǎn)燒得最嚴(yán)重，黑煙薰黑了整個(gè)塑料

9、罩。這就驗(yàn)證了上述推斷。 圖3 隨機(jī)原理圖該公司設(shè)計(jì)的冷水機(jī)組主要是用于夏日制冷，在夏季油溫較高，啟動(dòng)冷水機(jī)組所需給油加熱的時(shí)間短，甚至不用對(duì)油加熱就能滿足冷水機(jī)組正常啟動(dòng)、運(yùn)行。因此，大多數(shù)情況下不會(huì)出現(xiàn)燒毀這個(gè)中間斷電器的現(xiàn)象。而這臺(tái)冷水機(jī)組在這個(gè)項(xiàng)目被用來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)做試驗(yàn)的時(shí)間是晝夜24小時(shí)不停的，試驗(yàn)室內(nèi)的溫度相當(dāng)高，這就要求冷水機(jī)組即使在冬季，也要為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供制冷功能，而此時(shí)冷水機(jī)組可能在其油溫低至幾度的情況下啟動(dòng)，這樣一來，給油加熱到能正常啟動(dòng)的時(shí)間就會(huì)很長，于是，這個(gè)中間繼電器就出現(xiàn)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行狀況，也就會(huì)出現(xiàn)繼電器的觸點(diǎn)過熱而燒毀繼電器、連帶燒毀PLC

10、的現(xiàn)象。因此可以判定：出現(xiàn)的問題是設(shè)備的自身缺陷，如果不從根本上解決問題，日后還會(huì)出現(xiàn)此類故障。六、 解決方案分析及選擇根據(jù)冷水機(jī)組的使用要求，要使機(jī)組正常開機(jī)使用， 關(guān)鍵在于如何保證在冬季末端連續(xù)負(fù)載不夠的情況下，冷卻水溫度處于一個(gè)滿足機(jī)組正常運(yùn)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(guān)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(gè)大容量電熱器，并增加3個(gè)溫度探頭和閥門，利用DDC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖所示。此改造方案使用步驟如下：1、冬季使用時(shí)，2號(hào)閥門關(guān)閉，1號(hào)閥門開啟。2、開機(jī)前，水泵低頻啟動(dòng)，2號(hào)溫度探頭溫度低于20度時(shí)，電加熱器工作。3、2號(hào)溫度探頭溫度達(dá)到

11、25度左右時(shí)，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)。4、當(dāng)冷卻水回水處1號(hào)探頭溫度達(dá)到25度時(shí)，電加熱器停止，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。5、3號(hào)探頭時(shí)刻監(jiān)視出水溫度，電加熱器停止后，時(shí)刻對(duì)水泵進(jìn)行變頻控制。6、以上所有自控由DDC模塊進(jìn)行控制。7、可將冷卻塔風(fēng)機(jī)與模塊聯(lián)動(dòng)，當(dāng)負(fù)荷非常大時(shí)，自動(dòng)開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。方案2：在冷卻塔進(jìn)水主管上增加一個(gè)電加熱器和一個(gè)開關(guān)型電動(dòng)蝶閥，并在進(jìn)出水主管增加一個(gè)旁通和一個(gè)開關(guān)型電動(dòng)蝶閥，在出水主管上安裝一個(gè)溫度探測(cè)器，利用溫度對(duì)電動(dòng)蝶閥和電加熱器進(jìn)行自動(dòng)控制，如圖所示。使用步驟如下：1、冬季使用時(shí)，電加熱器旁通閥門關(guān)閉，加熱器兩端閥門打開，當(dāng)溫度感應(yīng)器溫度低于24時(shí)開始工作，高于24時(shí)停止工作；2、當(dāng)

12、溫度感應(yīng)器溫度低于24時(shí)，電動(dòng)蝶閥1打開，電動(dòng)蝶閥2關(guān)閉；3、當(dāng)溫度感應(yīng)器溫度高于35時(shí)，電動(dòng)蝶閥1關(guān)閉，電動(dòng)蝶閥2打開；4、以上所有自控由DDC模塊進(jìn)行控制。5、水泵開啟臺(tái)數(shù)可根據(jù)情況手動(dòng)控制，或增加溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自控。6、將冷卻塔風(fēng)機(jī)與模塊聯(lián)動(dòng)，當(dāng)負(fù)荷非常大時(shí)，自動(dòng)開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。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(shí)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(jī)組，如圖所示。當(dāng)冬季最高溫度低于7時(shí)，關(guān)閉1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)閥門，打開5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)閥門，開啟板式換熱器和冷卻水泵，停用冷水機(jī)組。在低負(fù)荷下利用冷卻塔和板式換熱器為末端提供冷凍水。方案

13、4：在冷卻水進(jìn)回水主管增加一個(gè)管徑合適的旁通，在旁通上安裝一個(gè)調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥，并在冷水機(jī)組進(jìn)水口安裝一個(gè)溫度感應(yīng)器，以此對(duì)電動(dòng)蝶閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。如圖所示。當(dāng)旁通管徑合適（管徑可以通過計(jì)算得出），電動(dòng)閥100%開啟時(shí)，冷卻水就不會(huì)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(dòng)蝶閥開啟度，以控制通過冷卻塔與旁通的流量，達(dá)到控制進(jìn)入冷水機(jī)組冷卻水溫度的目的。此方案操作步驟如下：1、冬季使用時(shí)，通過控制模塊設(shè)置通過電動(dòng)蝶閥水溫為30，±2。即在水溫為28時(shí)電動(dòng)閥全開，水溫為32時(shí)電動(dòng)閥全閉。2、開啟一臺(tái)冷卻水泵，讓冷卻水通過旁通進(jìn)行閉式循環(huán)，調(diào)節(jié)冷卻水管上的水流開關(guān)，使其在低流量下也能使

14、冷水機(jī)組開啟，然后開啟冷水機(jī)組及冷凍水泵，關(guān)小冷水機(jī)組出口冷卻水閥門。上訴步驟是為了增大冷卻水進(jìn)出水溫度差，從而增加油壓差，防止冷水機(jī)組由于冷卻水溫度太低導(dǎo)致報(bào)警。3、觀察冷水機(jī)組控制面板上的參數(shù)，當(dāng)冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度達(dá)到23后再將冷卻水閥門全部開啟，冷水機(jī)組即可正常運(yùn)行。以上即是此問題的4種解決方案，先分析各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，再選擇最佳方案。對(duì)于第一種方案，需要增加安裝兩個(gè)閥門、一個(gè)大功率加熱器、三個(gè)溫度探頭和旁通管，并增加相應(yīng)的自控模塊，施工成本并不是很高，但當(dāng)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(shí)，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

15、費(fèi)很嚴(yán)重。第二種方案中，增加兩路旁通及兩個(gè)開關(guān)型電動(dòng)蝶閥、三個(gè)普通閥門、一個(gè)電加熱器、一個(gè)溫度探頭，并安裝相應(yīng)的自控模塊電動(dòng)蝶閥進(jìn)行控制。根據(jù)控制原理，在冬季，當(dāng)冷卻水溫度在一定范圍內(nèi)時(shí)，只通過旁通而不通過冷卻塔循環(huán)，可以避免能量的浪費(fèi)。但需要改造的量很大，成本很高，且當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電加熱器實(shí)際上只在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行了加熱工作，而系統(tǒng)運(yùn)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(bào)警停機(jī)狀態(tài)下，冷卻水溫度長時(shí)間并不會(huì)降低很快，導(dǎo)致電加熱器使用率很低，造成資源浪費(fèi)。第三種改造方案中，系統(tǒng)在冬季使用時(shí)，直接使用冷卻塔通過板式換熱器為末端提供溫度相對(duì)恒定的冷凍水，而不使用冷水機(jī)組，這樣可以最大

16、限度的節(jié)約能源。但此改造系統(tǒng)需要增加安裝的內(nèi)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(dāng)晝夜溫差很大，中午溫度過高時(shí)，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(jì)算只增加了一路旁通、一個(gè)調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥及一個(gè)溫度探測(cè)計(jì)，并安裝相應(yīng)的自控裝置，施工成本低廉。在系統(tǒng)使用前，利用冷水機(jī)組本身的特點(diǎn)對(duì)冷卻水進(jìn)行一次溫度提升，穩(wěn)定后即可連續(xù)正常運(yùn)行，達(dá)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(jīng)濟(jì)實(shí)用，又節(jié)約能源，因此選擇第四種

17、方案進(jìn)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(duì)觸點(diǎn)并接到2個(gè)加熱器的線路上，以增大觸點(diǎn)容量。另一種方法是選用1個(gè)觸點(diǎn)容量大些的繼電器，然后再由這個(gè)繼電器的2 對(duì)觸點(diǎn)分別控制這2個(gè)電加熱器，達(dá)到一對(duì)一地控制。由于后者要做較多的電路改進(jìn)，我們選用上述最簡單的方案對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行了改進(jìn)。七、 方案計(jì)算對(duì)于第四種方案，系統(tǒng)中各參數(shù)如圖所示。設(shè)泵在額定流量下運(yùn)行，則對(duì)于系統(tǒng)主管，流量與速度及主管半徑的關(guān)系為 式中R為主管半徑，當(dāng)剛好水流處于不通過冷卻塔的臨界點(diǎn)時(shí)，旁通中水流速最大，設(shè)為v2。設(shè)在理想情況下，以旁通管中心作為基準(zhǔn)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

18、-1的能量方程，即 式中各斷面相對(duì)基準(zhǔn)面的高度為水的容重，冷卻塔水平面壓強(qiáng)，管道斷面壓強(qiáng)，修正系數(shù)，取修正系數(shù)均為1水頭損失， ，為局部阻力系數(shù)化簡式2得 因泵在額定流量下工作，設(shè)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(duì)于此發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)，單臺(tái)泵流量為Q=280m³/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(jì)算值，實(shí)際可選擇型號(hào)大一個(gè)等級(jí)的旁通及電動(dòng)蝶閥，以便更好的滿足使用需求。

19、因此對(duì)于此系統(tǒng)可選擇DN150的鍍鋅管道作為旁通管道，調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥型號(hào)亦為DN150。八、 實(shí)施結(jié)果論證對(duì)于此工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)，我們選擇的旁通管道為DN150的鍍鋅管道，電動(dòng)蝶閥型號(hào)為EOA-40，DN150，調(diào)節(jié)型。各主要性能參數(shù)為：輸出力矩400Nm，動(dòng)作時(shí)間30s，回轉(zhuǎn)角度090°，電機(jī)功率90W，輸入信號(hào)210VDC，輸出信號(hào)210mADC。安裝如圖所示，然后在電動(dòng)蝶閥控制模塊中設(shè)置電動(dòng)蝶閥溫度為30，±2，再按步驟開啟整個(gè)工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)。壓縮機(jī)能量冷卻水進(jìn)水溫度冷卻水出水溫度冷凍水進(jìn)水溫度冷凍水出水溫度閥體旁通管道電動(dòng)蝶閥執(zhí)行器 正常開啟系統(tǒng)后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行狀況如圖所示。其中冷水機(jī)組壓縮機(jī)的能量根據(jù)末端負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)，而冷卻水溫度由電動(dòng)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(jī)組一臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)，能量范圍為50%60%，冷凍水進(jìn)水溫度為7.07.3，出水溫度一直維持在7.0左