PLC在冷凝器胶球自动在线清洗装置中的应用

PLC在冷凝器胶球自动在线清洗装置中的应用

      冷水机组在运行过程中由于水质较差和管理不善等原因必然在冷凝器冷却水侧产生污垢，其引起机组压缩机功耗增加，带来经济损失。以可编程逻辑控制器PLC为控制核心代替传统的继电器控制电路，以触摸屏（人机界面）为控制面板，基于PLC的逻辑计算功能，开发了冷凝器胶球自动在线清洗装置。该装置根据不同的水质条件和机组运行要求，可灵活控制清洗过程，在线显示污垢热阻，并进行经济性分析，实现自动化控制，达到节能目的。
       据调查，90％以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。换热器在实际运行过程中不可避免要产生污垢热阻，并且污垢热阻的形成过程受换热器的几何参数、换热条件、换热器管内流体的物性参数以及流体水质等因素的影响。在对换热器进行设计时往往都是参照一定的设计标准来选取污垢热阻，为达到设计要求，必须增加一定的冗余面积，以弥补因污垢热阻而导致传热能力的降低，这使得换热器的成本和占地面积增加。同时，由于污垢的存在，造成了大量能量的浪费。为尽量减少因污垢所带来的经济损失，通常要求在不停机的情况下对换热器进行清洗以维持换热管很好的清洁状态，并对清洗过程进行监测，实现工业生产过程自动化控制，降低生产成本。随着计算机技术的发展，计算机技术在自动化控制领域的应用也越来越广泛，可编程逻辑控制器PLC的广泛应用使得工业控制过程更准确、可靠，系统更容易维护。PLC已成为很多中央空调机组的控制核心，并逐步完善，PLC在电厂凝汽器和冷水机组冷凝器清洗装置自动控制方面的应用也具有广泛的前景。
2、冷凝器胶球自动在线清洗装置工作原理及分析
2.1可编程逻辑控制器PLC与人机界面
2.1.1可编程逻辑控制器
       PLC（ProgrammableLogicalController）通常称为可编程逻辑控制器，已经在各个领域得到日益广泛的应用，并且取得了较好的效果，PLC是取代电磁继电器的逻辑控制形式，主要用来控制开关量（ON/OFF）。可编程逻辑控制器能够进行逻辑判断和计算，同时可以直接输入和输出多路开关量（ON/OFF）、模拟量、频率和温度等信号，省去了很多中间信号变送器。PLC采用了模块化结构，通过R232通信接口直接接入功能模块以满足大量信号输入和输出的要求，简化了控制系统，提高了自动化程度。
2.1.2人机界面
       人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及随时刷新变化信息的多功能显示屏幕。触摸屏是一种新型的人机界面，它的操作非常简单，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。通过与PLC进行通讯，可以直接在触摸屏上输入控制参数和计算参数，实现对PLC工作状态的现场控制，同时PLC也可将逻辑控制的结果实时反映到触摸屏上，通过触摸屏可以直观地掌握系统的工作情况。
2.1.3冷凝器胶球自动在线清洗装置的工作原理
       冷凝器胶球自动在线清洗装置以PLC为控制核心，以Microwin3.1（32位）为编程软件，根据用户的控制要求，编写了计算污垢热阻和控制清洗过程的逻辑控制程序，将已编好的程序下载到PLC中去，PLC将按照预定程序完成计算和控制任务。
       由触摸屏输入清洗装置的结构参数和运行参数，就可以控制清洗装置的清洗过程。清洗过程中，污垢热阻的历史数据以及清洗装置的工作状态都实时反映在触摸屏上，实现清洗过程的自动化控制和监视，减少运行成本。胶球自动在线清洗装置的工作原理如图1所示。
2.2PLC计算污垢热阻
       冷水机组冷凝器的换热管一般都采用肋管，肋管的污垢热阻可以表示为：Rf=-（＋＋）（1）其中：Rf——污垢热阻，m2·K/W；K——冷凝器总传热系数,W/（m2·K）；αw——肋管水侧对流换热系数，W/（m2·K）；αc,fz——肋管外侧制冷剂的凝结换热系数，W/（m2·K）； Ai，A0，A——分别为换热管内表面积、外表面积和平均面积，m2；δp——换热管壁厚，m；λp——换热管导热系数，W/（m·K）。
       利用PLC的逻辑运算功能，根据梯形图的编程原理在Microwin3.1环境下编写计算公式和逻辑关系的控制程序。由触摸屏（人机界面）输入冷凝器换热管的几何参数、冷却水的进出口温度、冷却水流量、冷凝温度及制冷剂的物性参数，PLC就可以根据式（1）求得冷凝器的污垢热阻Rf。
3、冷凝器胶球自动在线清洗装置
       开式循环的冷凝器一般选用河水、江水或海水作为冷却水，其较容易产生污垢。闭式循环的冷凝器一般采用自来水作为循环冷却水，由于冷却水蒸发量大，长期运行而不进行换热管清洗和水质处理，冷却水中的微尘颗粒和微生物的浓度会不断增加而产生污垢。冷凝器自动在线清洗装置能够定期对冷水机组进行清洗，有效地将冷水机组维持在设计工况以满足实际运行要求，减少压缩机的电耗。
3.1冷凝器胶球自动在线清洗装置硬件构成
       冷凝器胶球自动在线清洗装置由发球机、回收水泵、控制系统、收球机、胶球和系统阀件等五部分组成。控制系统由西门子s7-200型PLC、MT500型触摸屏和电气元件等组成。收球机是根据特殊的水力原理设计的，压降小，安装于冷凝器的出水口处，能够收集冷凝器出口的海绵胶球为下一次循环清洗工作做准备。海绵胶球采用海绵、橡胶等特殊成分，塑性极好，按一定的配方制成，其密度与水的密度相当，使其进入管中如流体般流动，以清洗管路、管壁表面的污垢和微生物细菌膜，且不会在管程中造成滞留和阻塞现象。
3.2冷凝器胶球自动在线清洗装置工作原理
       胶球由发球机输送到冷凝器换热管，在水流的作用下，与换热管内壁面不断的摩擦和碰撞以清洗管壁污垢，当胶球完成管程的清洗工作后汇集到冷凝器出口，由收球机回收以循环利用。该装置根据水质、主机的规格型号、运行工况、装机时间等因素可在人机界面内设定进水阀、出水阀、发球阀、收球阀和输水阀的开闭时间、泵启停时间及清洗频率等运行参数。由PLC来执行运行指令以控制清洗装置自动对冷凝器进行清洗。在清洗过程中，可以直接在触摸屏上输入冷却水的进出口温度、冷却水流量和冷凝温度等状态参数，PLC根据输入的参数进行计算，得到该工作状态下的污垢热阻，并进行经济性分析，其工作流程如图2所示。
4、冷凝器胶球自动在线清洗装置的功能
4.1自动控制清洗过程
       通过触摸屏（人机界面）可以对控制系统进行现场控制、参数设置和数据显示，按设定程序和生产要求自动控制清洗过程。以触摸屏作为操作面板，完全取代常规的开关按钮、指示灯等器件，使控制柜面变得更整洁。该冷凝器胶球清洗装置能够在线显示冷凝器的污垢热阻、历史趋势和清洗状态，并能对进水、出水、发球、回水、收球、输水工况的动作时间和工作时段进行设置和监控。对适用于冷却水闭式循环冷水机组的清洗装置，还带有自动化学加药和水质监测报警的功能，可以减少化学药剂的使用量，降低环境污染。
4.2PLC实现经济性分析
       在1998年发布的《ARI550/590-1998》标准中规定了冷却水侧污垢热阻为0.44×10-4W/（m2·K），我国2001年发布的《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水（热泵）机组》的国家标准GB/T18430.1－2001中规定了机组名义工况时的冷却水侧污垢热阻为0.86×10-4W/（m2·K）。各个标准所规定的污垢热阻都不一样，其对能耗的要求也不一样，为满足生长要求，换热设备设计时预选的污垢热阻值都比较大，由于冷水机组运行管理不善，大部分冷水机组冷凝器的污垢热阻远远大于设计值，导致了很大的经济损失。
       现利用该冷凝器胶球自动在线清洗装置的核心部件PLC以深圳某厂一台约克YORK850RT型冷水机组为例进行经济性分析，冷水机组运行按4000h/年、电价0.5元/kW·h进行计算。在人机界面输入电价等相关参数之后，经PLC运算分析知道该机组在运行一年半之后，冷凝器污垢热阻值高达4.9×10－4m2·K/W，远远高于我国标准规定值。在满足同样的制冷量的条件下，比设计工况要多耗电25万元/年，并且冷凝器的传热效果恶化，难以满足正常的生产要求。根据现场数据测量和理论分析，利用PLC定量地分析污垢热阻对该机组压缩机年耗电量和总传热系数的影响，分析结果如图3和图4所示。
从以上分析结果知道，利用PLC的逻辑运算功能，能对比分析不同的污垢热阻对冷水机组经济性运行的影响，实时计算出不同污垢热阻条件下压缩机的运行费用，为清洗装置运行工况的设定提供理论依据。根据PLC的经济性分析结果、水质情况和生产要求，设定清洗周期，能够将污垢热阻维持在设计值或低于设计值的工作状态，以满足生产要求，达到节约能源的目的。根据统计，使用该装置对冷水机组进行在线清洗可节能降耗7%～15%，并且能够消除腐蚀根源，延长列管使用寿命，减少换热设备初投资，减少维护费用，降低环境污染。
5结论
       （1）污垢热阻的存在对冷水机组的运行带来很大影响。冷凝器冷却水侧污垢热阻越大，则在同样制冷量的条件下，压缩机的功耗就越大，导致了很大的经济损失。
       （2）以Microwin3.1（32位）编程软件，编写了污垢热阻计算程序和清洗装置控制程序，实现冷凝器自动在线清洗装置的自动化控制。
       （3）以人机界面（触摸屏）作为现场控制面板，完全取代常规的开关按钮、指示灯等器件，使控制柜面变得更整洁。
       （4）在线显示污垢热阻变化趋势，并根据运行参数进行经济性分析，为冷凝器自动在线清洗装置的运行控制提供指导性意见。
       （5）以PLC和触摸屏为控制核心部件，开发的冷凝器胶球自动在线清洗装置能够根据不同水质条件和生产要求，灵活地控制清洗装置的清洗过程，维持冷凝器较高清洁度，节约能耗。