打开文本图片集

摘要：药品生产车间的制冷系统对于药品生产具有至关重要的作用，本文根据某制药工厂的中央冷站改造项目，对冷冻水系统的节能改造进行分析，首先介绍了中央空调的冷冻水系统，然后分别从公共管流量控制、冷机组开启组合优化、切机逻辑优化和冷却水流量限制四个方面详细分析了改造措施，最终项目顺利完工，节能优化效果明显。

关键词：中央冷站；年综合COP；生产工艺；逻辑优化

1.项目概况

项目为制药工厂，位于江苏省无锡市，属于改造项目。项目中的中央冷站需要负担工艺生产，因此需要全年运行。

2014年，工厂冷冻站新增了机房自控系统，采用变频冷水机、水泵变频、优化管路等措施，运用经典的PID控制原理，实现了冷冻站的自动运行，能效比有了显著提升。2022年，在原有BA系统架构的基础上，增加了智能化控制系统，由算法服务器、数据库服务器、操作员站等组成，以逻辑优化为基础、算法提升为核心，对历史运行数据清洗分析，输入算法模型自我训练、验证、持续更新控制策略，提前预测用能模型，实现“以需定产”、运行结果可视化，从自动控制上升到精准控制，通过输出的算法模型反向控制运行策略，从而实现能效比的再次提升。

2.中央空调冷冻水系统简介

该中央空调冷冻水系统，包含6台冷水机组、8台一次冷冻泵、5台二次冷冻泵、8台冷却泵、13台冷却塔。其中，CH106和CH107这2台冷机冷量为1000Ton，有相对应的水泵、冷却塔组成一个小系统；另外4台冷机冷量相对较低，有另外一套小系统。两套系统相对独立又相互联通。项目通过早期的陆续改造，将4台传统离心机更换成了磁悬浮离心机，使得系统在低负荷的时候能够稳定、高效地运行。

其中，冷水机组参数如下：

改造前，项目年综合COP为4.69。各月份的具体数据如下：

3.主要改造措施

3.1公共管流量控制

系统中有一个缓冲罐（储罐）及对应的一根公共管，原设计是希望能够应付工艺生产过程的冲击波负荷。通过现场观察、数据分析，发现：

1）从两台典型冷机分析，从公共管流量和COP的等高图、散点图可以看出，流量与COP呈较明显的负相关的线性关系，即公共管流量越大，COP越低；

2）公共管流量常态化偏高，造成系统负荷降低。以改造前10天内的数据为例， 流量低于60ton/h的时间比例不到15%，而流量高于150ton/h的时间比例为57.9%，即超过大半的时间在高流量旁通：

3）公共管的水路循环，没有达到设计的目标，即原先期望的：当没有冲击波的时候，公共管水路正向循环，通过制冷机组产生的冷冻水，补充给储罐；当有冲击波到来时，公共管的水路反向循环，从储罐释放出冷冻水，补充系统冷冻水量；但是运行中的实际状态是：系统常态化的处于正向循环状态，没有冲击波的时候，持续的以较大的流量旁通；有冲击波的时候，也没有反向循环。

4）在公共管的管路上，有手动阀门。通过关闭阀门，可以切换循环回路。经过分析发现，如果关闭公共管之后，系统变成了二级泵系统（水泵串联系统），由于水泵缺少控制必须的参数，会容易出现水泵出工不出力的情况，不仅浪费能源，更有可能增加系统压力，造成安全隐患。

改进办法：在控制系统中，设定公共管流量目标值为10ton/h，通过一次泵PID调节流量. 自适应调节一次泵的频率。同时，结合项目运行情况及水泵性能特性，综合考虑能耗最优组合方案，具体实施方法如下：

①一次冷冻泵实时运转频率上限低于当前二次冷冻泵频率；

②一次泵频率PID调节以公共管流量目标值趋近于设定值进行调节；

③调整一次泵运转优先级，开机的先后循序为： P214、P213 、 P211、 P215 、P212；

④减泵策略：一次泵的频率均在设定的最下限运转；且公共管流量大于100Ton/h，且持续运行1分钟；

⑤加泵策略：一次泵的运转频率均在设定的最上限运转；且公共管流量显示为负值，且持续运行1分钟。

通过控制逻辑改进后，公共管流量明显处于理想水平，流量低于60ton/h的时间比例为将近78%。系统能耗得到了有效提升。10天内的公共管流量数据如下：

3.2负荷提前预判，优化冷机开启组合

项目中的冷负荷，除了稳定的空调负荷以外，还有一大部分来源于工艺生产。但是工艺生产的特点是不确定性：不确定什么时候生产，以及对应的工艺冷负荷有多大。如果等冷冻水温度上升了再增开冷机，则无法应对迅速上升的冷负荷，短时间内冷冻水温迅速上升，不能满足工艺产线的生产要求。

为了保证工艺生产品质，冷站的空调系统往往都是超配开机的状态：在工艺负荷到来之前，有可能多开了一台冷机运行。在这种状态下，冷机的负荷低，流量低，冷机能效偏低；

当大、小冷机两套系统同时运行时，尤其是CH103、CH104、CH106和CH107同时运行时，CH103和CH104流量偏低。大部分状态，运行在额定流量50左右。有研究显示：冷冻水流量从额定流量的100%降至42.8%时，冷水机组的制冷量与COP同步降低，分别减小8.6%与8.8%。

为了解决这个问题，就需要提前知道工艺生产的使用情况。但是工艺本身的信号是封闭的，虽然技术上可行，但是根据生产的安全等级要求，没法对外开放。根据现场调研发现，生产线上产品的冷却分为2个阶段：第一阶段，使用常温水对蒸汽灭菌后的高温产品线进行预冷，持续时间约为20分钟；第二阶段，使用7-12度的空调冷冻水对初降温后的产品线进行深度降温。根据这样的产线特征可知，在第一阶段预冷开始的时候，判断接下来的空调负荷需求。如果当前的冷机组合满足不了接下来的冲击波负荷，则执行加机动作。于是，解决问题的办法就转为，获取第一阶段中常温水的开启状态。通过安装压力开关，当常温水流动时，压力开关的阀门被顶开，信号输出为1，从输出的信号即可知道工艺产线在工作了。

现场接入信号的产线共有9条，通过数据分析发现，极短时间内，出现过2条产线同时使用的情况。下图中，count_signal代表两条产线叠加的情况。从信号记录上看，冲击负荷频次规律性不明显。

通过数据归一化处理，比对系统总冷负荷与总的信号接入的变化趋势显示，产线信号的开启数量与冲击负荷峰值之间并不完全一致：

通过逐一分析各类型产线信号与负荷的关系，发现EB产线与负荷波动强相关。主要冲击负荷峰值，由EB产线贡献。

通过层层分析可知，只有2条EB产线是对系统负荷产生实质性影响的。因此，将加机判断从复杂的多条线索中抽离出来，形成加机判断的逻辑：

1）当产线出现EB信号时，将前60分钟的已经包括有部分冲击负荷的平均负荷作为基准量，在此基础上增加20%的余量，作为系统在EB产线到来时所需的负荷，并使机组运行在80%负荷以内。

2）产线出现除EB以外的信号时，将前60分钟的已经包括有部分冲击负荷的平均负荷作为基准量，在此基础上增加10%的余量，作为系统在产线到来时所需的负荷，并使机组运行在80%负荷以内。

3.3优化切机逻辑

①优先级调整：根据冷机的实际COP，调整冷机启动优先级。

冷机的额定COP与实际运行表现的真实COP存在较大差异。为了确定冷机的优先级顺序，单单依赖冷机本身的性能曲线还不够，需要根据实际运行效果和季节特性即部分负荷下的性能特性来判定。

②运行区间调整：机组运行在COP较优的区间。

根据历史运行数据，结合系统冷量与冷机的组合能力，确定如下冷机组合关系：

跟优化前的冷机组合相比较，系统COP的对比效果如下：

在两个曲线中间的部分即为冷机性能提升空间。

3.4冷却水流量限制

冷机的冷却水流量与冷冻水流量的比值，额定设计值为1.25；现场观察发现比值过大。

下面的散点图为：冷机在不同冷却水流量与冷冻水流量比值下的COP表现。对于冷机而言，比值越高，COP并没有呈现上升趋势，相反，反而有下降的趋势。同时，由于冷却侧的冷却泵和冷却塔需要额外多做功，使得系统COP进一步下降。

因此，改进过程中，根据冷冻水与冷却水的的比值与COP的关系，限制冷却水的流量，从而降低冷却泵的功耗。

冷却泵侧的调节逻辑为：冷却水流量与冷冻水流量比值的上限设定为１.３； 冷却水供回水温差设定为5度。

4. 节能效果分析

传统项目的节电量和节约的最大负荷可以通过比较节能项目实施前后的电量和负荷来确定。一般情况下，可以采用下面公式：节能量=基准年能耗量-改造后能耗量+调整量。调整量影响因素有：气候、占用率、工厂产量、及这些条件要求的设备运行情况等。

由于该项目的负荷和电量与现场生产紧密相关，存在不稳定性。因此，项目的节能效果不比对绝对节能量，而是比对年综合COP。

项目选用的测量与验证流程有：制定基准能耗模型；收集并记录基准期相关的能耗和运行数据；根据M&V计划，收集报告期的能耗与运行数据；根据项目实际情况，确定调整量；根据M&V计划，计算节能量和经济效益；根据M&V计划，报告节能量。

项目最终年综合COP为5.34，与基准的4.69相比，提升了13.9%。

5. 结论

在不依赖更换冷机、更换水泵、增加传感器、优化管路等需要大量施工的前提下，仅通过从现场观察、数据分析、逻辑优化等方面着手，即可达到中央冷站性能提升13.9%的目标。这样的实施方法，即没有影响车间生产，也没有大量的成本投入，最终实现社会效益和经济效益双丰收。

参考文献：

[1]江楚遥，梁彩花，张晓松. 冷水机组变流量性能预测模型与实验研究. 东南大学学报：自然科学版.， 2014年3月.

[2]袁明月， 李征涛， 吴会来等. 制冷机房群控系统的高效节能控制[J]. 制冷技术， 2012， 40（12）.

[3]焦乾峰，曾艺，杨丹. 上海市某研发中心空调系统整体节能优化分析[J]. 建筑节能， 2020.

作者简介：张季娟（1981.6-），女，江苏通州人，本科，工程师，研究方向：暖通空调。