攻克不連續(xù)負(fù)載下冷水機(jī)組冬季不能運(yùn)行難題.doc

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全國工程建設(shè)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組 申報材料 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)動機(jī)試驗(yàn)室QC小組 活動時間： 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)為一臺水冷式單螺桿冷水機(jī)組和一臺離心式冷水機(jī)組并聯(lián)。設(shè)計階段未考慮冬季運(yùn)行時負(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。 實(shí)驗(yàn)室工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)設(shè)計為“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，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。因此在冬季就會出現(xiàn)負(fù)載太小且不連續(xù)而無法滿足單臺冷水機(jī)組的使用要求。 圖1 二、 小組概況 小組名稱 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)室QC 小組 成立時間 2012年 10月 8日 活動時間 2012年10月～2012年12月 注冊編號 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 姓名 性別 年齡 職 務(wù) 學(xué)歷 組內(nèi)職務(wù) QC教育時間 1 李俊 男 40 項(xiàng)目經(jīng)理 本科 組長 72小時以上 2 李武超 男 26 工程師 本科 副組長 48小時以上 3 韓國軍 男 40 項(xiàng)目副經(jīng)理 組員 48小時以上 4 萬書祥 男 47 施工管理 組員 48小時以上 5 李 文 男 37 工程師 中專 組員 48小時以上 6 黃治國 男 49 工程師 中專 組員 48小時以上 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”的報警。 理由三：微型中間繼電器燒毀，PLC無輸入無輸出。 基于以上理由我QC小組選擇了“攻克不連續(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。 四、 總目標(biāo)：冷水機(jī)組不論春夏秋冬，隨時都能正常啟動。 分目標(biāo)1：消除油差報警 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，末端負(fù)載很小，主機(jī)只需開啟一臺單螺桿冷水機(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=69m/h，冷凍水壓降ΔP=86.1KPa，冷卻水流量L’=86.2m/h，冷卻水壓降ΔP’=75.4KPa，啟動方式為星三角啟動。 機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行環(huán)境：電壓380V，電壓波動范圍10%，相電壓不平衡率2%，頻率501Hz，工作環(huán)境溫度3~40℃（即機(jī)組安裝空間環(huán)境溫度），相對濕度≤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280m/h。 冷卻塔流量為850m/h，Δt=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 11.7 7 12 5 68.25 燃油恒溫 3.4 7 12 5 19.83 進(jìn)氣空調(diào) 18 7 12 5 105.00 組合風(fēng)柜 28.8 7 12 5 168.00 負(fù)荷總計： 361.08 通過上表可看出此系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時的負(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361.080.224=80.9m/h，僅為一臺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)行一段時間后，微型中間繼電器被燒毀（型號為LY2NY，見圖1），更換了同一型號的中間繼電器后，冷水機(jī)組仍不能工作，故障現(xiàn)象為設(shè)備全部報警又不能消除、觸摸屏上顯示的參數(shù)均不正常。 我們再仔細(xì)查看，發(fā)現(xiàn)可編程控制器PLC（型號為：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的輸入和輸出信號燈是不可能全部不亮的，因?yàn)椋魏我粋€PLC不可能連一個輸入或輸出信號都沒有。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 我們對所有線路進(jìn)行檢查和測試，沒有發(fā)現(xiàn)短路等異常情況，于是更換一臺同型號的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)報警”。我們對照隨機(jī)提供的圖紙結(jié)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對觸點(diǎn)，其中的1對觸點(diǎn)接有2個電加熱器和一個KA6線圈，使用的電源是220V。與之鄰近的另1對觸點(diǎn)接油位開關(guān)，作為PLC的輸入信號；使用的電源來自PLC，為直流24V。這2對觸點(diǎn)都封裝在一個塑料罩內(nèi)。當(dāng)與電加熱器相連的強(qiáng)電觸點(diǎn)起火拉弧時，引起鄰近的與PLC相連的弱電觸點(diǎn)過壓而造成為這個24V提供電源的PLC也燒壞。 這個推斷的依據(jù)是：由于中間繼電器的這對觸點(diǎn)帶2組電加熱器和一個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，黑煙薰黑了整個塑料罩。這就驗(yàn)證了上述推斷。 圖3 隨機(jī)原理圖 該公司設(shè)計的冷水機(jī)組主要是用于夏日制冷，在夏季油溫較高，啟動冷水機(jī)組所需給油加熱的時間短，甚至不用對油加熱就能滿足冷水機(jī)組正常啟動、運(yùn)行。因此，大多數(shù)情況下不會出現(xiàn)燒毀這個中間斷電器的現(xiàn)象。而這臺冷水機(jī)組在這個項(xiàng)目被用來對發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，由于發(fā)動機(jī)做試驗(yàn)的時間是晝夜24小時不停的，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)動機(jī)試驗(yàn)提供制冷功能，而此時冷水機(jī)組可能在其油溫低至幾度的情況下啟動，這樣一來，給油加熱到能正常啟動的時間就會很長，于是，這個中間繼電器就出現(xiàn)長時間超負(fù)荷運(yùn)行狀況，也就會出現(xiàn)繼電器的觸點(diǎn)過熱而燒毀繼電器、連帶燒毀PLC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大容量電熱器，并增加3個溫度探頭和閥門，利用DDC對系統(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，2號閥門關(guān)閉，1號閥門開啟。 2、開機(jī)前，水泵低頻啟動，2號溫度探頭溫度低于20度時，電加熱器工作。 3、2號溫度探頭溫度達(dá)到25度左右時，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)。 4、當(dāng)冷卻水回水處1號探頭溫度達(dá)到25度時，電加熱器停止，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 5、3號探頭時刻監(jiān)視出水溫度，電加熱器停止后，時刻對水泵進(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，當(dāng)負(fù)荷非常大時，自動開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。 方案2： 在冷卻塔進(jìn)水主管上增加一個電加熱器和一個開關(guān)型電動蝶閥，并在進(jìn)出水主管增加一個旁通和一個開關(guān)型電動蝶閥，在出水主管上安裝一個溫度探測器，利用溫度對電動蝶閥和電加熱器進(jìn)行自動控制，如圖所示。 使用步驟如下： 1、冬季使用時，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℃時開始工作，高于24℃時停止工作； 2、當(dāng)溫度感應(yīng)器溫度低于24℃時，電動蝶閥1打開，電動蝶閥2關(guān)閉； 3、當(dāng)溫度感應(yīng)器溫度高于35℃時，電動蝶閥1關(guān)閉，電動蝶閥2打開； 4、以上所有自控由DDC模塊進(jìn)行控制。 5、水泵開啟臺數(shù)可根據(jù)情況手動控制，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，當(dāng)負(fù)荷非常大時，自動開啟冷卻塔風(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，關(guān)閉1號、2號、3號、4號閥門，打開5號、6號、7號、8號閥門，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4： 在冷卻水進(jìn)回水主管增加一個管徑合適的旁通，在旁通上安裝一個調(diào)節(jié)型電動蝶閥，并在冷水機(jī)組進(jìn)水口安裝一個溫度感應(yīng)器，以此對電動蝶閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。如圖所示。 當(dāng)旁通管徑合適（管徑可以通過計算得出），電動閥100%開啟時，冷卻水就不會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，通過控制模塊設(shè)置通過電動蝶閥水溫為30℃，2℃。即在水溫為28℃時電動閥全開，水溫為32℃時電動閥全閉。 2、開啟一臺冷卻水泵，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，先分析各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)，再選擇最佳方案。 對于第一種方案，需要增加安裝兩個閥門、一個大功率加熱器、三個溫度探頭和旁通管，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，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，能源浪費(fèi)很嚴(yán)重。 第二種方案中，增加兩路旁通及兩個開關(guān)型電動蝶閥、三個普通閥門、一個電加熱器、一個溫度探頭，并安裝相應(yīng)的自控模塊電動蝶閥進(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，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，電加熱器實(shí)際上只在啟動時進(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，即使在報警停機(jī)狀態(tài)下，冷卻水溫度長時間并不會降低很快，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，直接使用冷卻塔通過板式換熱器為末端提供溫度相對恒定的冷凍水，而不使用冷水機(jī)組，這樣可以最大限度的節(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，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，通過計算只增加了一路旁通、一個調(diào)節(jié)型電動蝶閥及一個溫度探測計，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觸點(diǎn)并接到2個加熱器的線路上，以增大觸點(diǎn)容量。另一種方法是選用1個觸點(diǎn)容量大些的繼電器，然后再由這個繼電器的2 對觸點(diǎn)分別控制這2個電加熱器，達(dá)到一對一地控制。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冷水機(jī)組進(jìn)行了改進(jìn)。 七、 方案計算 對于第四種方案，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，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1-1的能量方程，即 式中——各斷面相對基準(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。 對于此發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)，單臺泵流量為Q=280m/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。此為理論計算值，實(shí)際可選擇型號大一個等級的旁通及電動蝶閥，以便更好的滿足使用需求。因此對于此系統(tǒng)可選擇DN150的鍍鋅管道作為旁通管道，調(diào)節(jié)型電動蝶閥型號亦為DN150。 八、 實(shí)施結(jié)果論證 對于此工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)，我們選擇的旁通管道為DN150的鍍鋅管道，電動蝶閥型號為EOA-40，DN150，調(diào)節(jié)型。各主要性能參數(shù)為：輸出力矩400Nm，動作時間30s，回轉(zhuǎn)角度0~90，電機(jī)功率90W，輸入信號2~10VDC，輸出信號2~10mADC。安裝如圖所示，然后在電動蝶閥控制模塊中設(shè)置電動蝶閥溫度為30℃，2℃，再按步驟開啟整個工藝?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)載自動調(diào)節(jié)，而冷卻水溫度由電動蝶閥來控制。 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)組一臺壓縮機(jī)啟動，能量范圍為50%~60%，冷凍水進(jìn)水溫度為7.0℃~7.3℃，出水溫度一直維持在7.0℃左右。由此可得出此改造系統(tǒng)冬季使用時，在相對較低的并且不連續(xù)的負(fù)荷下能正常并穩(wěn)定的運(yùn)行。 時間項(xiàng)目 第一天 第二天 第三天 第四天 第五天 第六天 第七天 冷卻水進(jìn)水溫度℃ 30.3 29.8 30.3 29.5 29.7 29.9 30.4 冷卻水出水溫度℃ 30.8 29.7 30.5 29.3 29.6 30.2 30.8 冷凍水進(jìn)水溫度℃ 7.2 7.0 7.2 7.1 7.0 7.2 7.0 冷凍水出水溫度℃ 7.0 6.9 7.0 6.9 6.9 7.1 6.9 環(huán)境溫度℃ 3.3 4.1 4.5 5.6 8.0 7.2 4.9 壓縮開啟數(shù) 1 1 1 1 1 1 1 壓縮機(jī)能量 58% 55% 56% 54% 54% 53% 63% 電動閥開度 55% 50% 50% 50% 40% 45% 50% 有無報警 無 無 無 無 無 無 無 經(jīng)濟(jì)效益：本次成果通過技術(shù)措施優(yōu)化了方案，盡可能減少不必要的材料設(shè)備及能源浪費(fèi)，最大限度的節(jié)省成本及能源，大大提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。 社會效益：本次QC小組活動的成功，體現(xiàn)了我公司先進(jìn)的管理水平和技術(shù)能力，也為保證工程創(chuàng)優(yōu)作出了積極的貢獻(xiàn)。 九、 鞏固措施 通過QC活動、實(shí)踐，我們積累了制冷系統(tǒng)在冬季且不連續(xù)負(fù)載的運(yùn)行環(huán)境下的處理經(jīng)驗(yàn)。同時我們撰寫論文《低負(fù)載冷水機(jī)組系統(tǒng)技術(shù)改造》，以鞏固成果。 十、 下一步打算 隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，在以后工程中我們將會遇到新問題，我們將組織組員不斷學(xué)習(xí)、實(shí)踐，進(jìn)一步提高組員分析問題解決問題的能力，不斷攻克施工難關(guān)。 我們將《高精度中央空調(diào)系統(tǒng)溫濕度控制調(diào)試方案探討》作為下次QC活動課題，解決大體積混凝土施工難題，使我們小組的活動深入持久地開展下去，為企業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。