一次冷冻水泵变压差变频控制

一次冷冻水泵的控制项目报告第八组陈玉升1253193董飞1253118余世杰1253070刘琦1253513指导老师黄治钟一次冷冻水泵的控制引言常见的空调二级泵水系统及一级泵水系统分别如图1a,b所示。通常水系统中冷水机组按定流量方式运行。随着空调负荷的减少,负荷侧的需水量也减少,当冷水机组的运行台数不变时,超过用户侧需求部分的水量,在一级泵系统中,通过图1b中的旁通调节阀从供水管流至回水管;在二级泵系统中,则是通过调节二次泵的转速来满足负荷侧的需求。同时,一次泵一般情况下由于冷水机组的流量限制不采用变频控制，总水量多出二次泵总水量部分由平衡管流回，这就造成了一定的能量浪费。若对一次泵采用变流量控制，则可以节省大量能源。在实际过程中，实践证明冷水机组中蒸发器流量保持在其额定流量的50%及以上时冷水机组均可长期运行。一、建筑基本况本文为某商业建筑一次泵水系统控制设计。该建筑地上28层，地下2层，总高110m，总建筑面积80,000㎡，其中裙房3层共20,000㎡，为商场，主楼地上总面积50,000㎡，地下室为10,000㎡，为办公楼。裙房周日到周四工作时间为10:00~21:00，周五、周六工作时间为10:00~22:00；主楼工作时间为周一到周五：8:00~18:00。大楼一次冷冻水泵有4台，与冷水机组一一对应连接，其中3台额定流量500m3/h，扬程18m，电机功率45kW；1台额定流量250m3/h，扬程18m，电机功率22kW。裙房为一次水系统，主楼为二次水系统，裙房、主楼合用一次冷冻水泵。系统结构图如图1-1。目前，大楼的一次泵定流量运行，且只有对应冷水机组的启停控制。这种控制方案简单、安全，但是使得空调系统中冷冻水泵不仅不会跟从主机的部分负荷运行而改变流量，也不会跟随冷水机组的减载而减载。因此照成了大量的能源浪费。二、一次泵变频控制方法的确定1、压差控制：部分负荷下，室内温控器根据室内温度的变化来改变电动调节阀的开度，从而引起供回水管压差的变化，压差传感器将这一信号传送给变频器，与设定值进行比较，从而通过变频器控制水泵的转速。按控制点的不同，可分为控制供回水总管间压差和裙房最不利环路用户端压差。具体实施中，根据管路特性设定一预设压差值，将传感器测得的某两个控制点之间压差与之比较，若实测压差值大，则变频器动作，降低输出频率，减小水泵转速；反之，则需调整转速加大。压差设定值越小水泵能耗越少，但为了保证末端设备的正常运行不能无限减小，压差设定值的确定有下限，而这个下限值与压差传感器的位置有关，压差传感器通常设置在供回水干管之问和最不利环路末端两侧，压差传感器设置在供回水干管之间时，压差设定值的下限为额定状况时压差传感器与最不利环路用户端之问的压降，水泵的变频动作不会引起支路之间的相互影响；压差传感器设置在最不利环路末端两侧时，压差设定值的下限为最不利环路末端压降，在这种方式下由于流量的变化可能会引起最不利环路发生变化，此时就需要对各个时刻的管路进行水力计算，确定不同时刻下的最不利环路，如果最不利环路没有改变，则不需要增设压差传感器，如果发生了变化，则在变化后的最不利环路末端设置压差传感器，并且控制水泵的变频。1.1定压差控制：预设的压差值保持恒定，当分集水器两端的差压变化时，可以通过控制器对其惊喜哦难怪呢旁通调节或者一次水泵变频调节，从而使用户端的负荷保持稳定。优点：流量调节余地大,能够从容地应对扰动,并能满足不同环路对空调个性化的要求。可以基本消除温差控制中存在的迟滞性，较为及时反映用户端负荷变化。缺点：稳定且控制效果良好的压差预设值不容易求得。对供回水总管采用定压差控制时，变频器理论有效功率仅与流量一次方成正比，节能效果不明显。流量调节余地大,也意味着在阀门上的压差常常较大,造成无谓的能量消耗。1.1变压差控制（压差重置）：设定压差值随负荷的变化而变化。给出一种具体做法：a．任何时候所有的阀门开启度都小于90％，此状态连续保持十分钟，把压差设定值减少10％；b．任何时候所有的阀门开启度都大于95％，此状态连续保持8分钟，则压差设定值增加10％。用变压差控制能最大限度的降低压差设定值，从而减少阀门的节流损失，具有更好的节能效果，但需复杂的控制系统和相应的控制算法。变压差控制方式需要设置较多的传感器，且控制过程较为复杂，日后的维护保养工作较重，适合于各空调支路上压差各不相同且需要精确控制的场合，也适用于传感器以及变频控制装置在整个空调系统当中的初投资比例较小的场合。2、温差控制根据供回水温差一定时冷量与流量成正比的关系。利用制冷机房供、回水干管的温差控制水泵的流量，使空调负荷变化直接影响流量变化的方式被称为温差控制法。在供回水管上设置温度检测装置，供水温度通常控制在7摄氏度，供回水温差为5摄氏度。温度检测装置通过分析用户侧温差的变化情况就可以控制水泵的变频调节，其特点是末端不设随负荷变化而动作的流量调节阀。当温度传感器检测到的末端回水温度上升，表明用户端的负荷上升，对水量的需求也因此变大，则水泵接收到温差变大的信号后，加大频率以加大供水量，来满足用户侧的水量需求。反之，当供回水温差小于设定值时，表明用户端的水量需求减小，则一次泵必须降低频率，减小流量，来保证供回水温差再次回到设定值，但是前提是必须保证冷水机组的最小流量。2.1定温差控制2.2变温差控制温差控制方法控制方式比较简单，当二次泵系统使用压差控制时，一次泵温差控制不会出现震荡。而且在部分负荷下，系统的阻力系数不变或变化很小，功率与转速满足水泵的三次方定律，因而具有显著的节能效果。但该控制系统然存在较大缺陷，温差控制虽然体现负荷变化，但是反应的是系统平均负荷变化，特别是当用户端符合变化不一致或者相差较大时，存在最不利房间空调制冷的效果问题。另外，由于温度传感器设置在总回水管路上，使得系统负荷的变化不可能迅速得到反应，导致温差控制系统不可避免地存在较大的滞后延迟，对于负荷变化较快的系统，该控制方法精度不高。3、阀位控制空调水系统是一个由许多管道、热交换器、调节阀、截止阀以及各种管路附件组的分布参数系统,每一个调节阀或截止阀的动作都会造成整个管系阻力分布的变化,而供、回水干管间的差压只是一个集总参数,只能反映总流量的变化,而不能反映流量分配关系的变化。一般而言,用一个集总参数来描述一个分布参数系统总是不够精确的。考虑到在控制系统正常工作的前提下,空调水系统中各调节阀的开度基本上能够反映负荷的大小,因此接采用各调节阀的开度作为流量调节的参数，当用户所需冷负荷降低时，阀门开度减小，通过阀位变送器将阀位信息传输给控制器，使水泵能够迅速准确地根据用户负荷调节运行频率，起到节能作用。而阀位的控制则是根据室内温度来调节。4、在受控二次泵基础上对一次泵的控制策略本方法是考虑到主楼与裙房负荷的变化可能存在差异，为得到更接近实际负荷的参数输入，同时决定使用双输入双输出的控制策略。在假定二次泵的台数与输入频率是按照主楼的实时负荷得到了很好的控制的前提下，那么对于一次泵来说输入值一是二次泵的输入频率与开启台数，并认为开启（台数*频率）代表着主楼的负荷；第二个输入值是裙房最不利供水端的压差。本策略中还需在主楼与裙房水支路的分叉点与汇合点安装分、集水器，实现对两个支路流量的分配。分水器的分配比例是按照主楼的负荷变化（即（台数*频率）的变化）以及裙房最不利点供回水压差的变化来调节的，控制的最终结果要使裙房的供回水压差维持在设定值（此处可使用前述的定压差或者压差重置控制）。而一次泵的频率是根据整合两个输入值，得出总负荷的变化来改变的。优点：不使用旁通管，节能潜力大；充分考虑裙房与主楼的负荷以及变化的差异，控制更具有针对性。缺点：传感器与执行器数量较多，初投资大；因存在两个控制对象，控制复杂，并可能出现振荡；对于两个输入值的整合以及整合的结果与一次泵频率输出值的关系较难得到。三、控制方式的确定考虑到温差控制滞后性比较大，需要预测用户负荷变化，而预测用户的负荷变化又不易，故不采用；而阀位控制所需传感器数量多，价格过于昂贵，实际也不可能采用；而在二次泵受控基础上，同时采用裙房两端供回水压差控制的方法，需建立在二次泵良好控制的基础上，且存在两个控制对象，控制复杂，并可能出现振荡，最后对于两个输入值的整合以及整合的结果与一次泵频率输出值的关系较难得到。因此，我们最终选择，以分集水器前两端压差作为压差信号输入，进行变压差变频控制及旁通控制将结合的方式，对水泵进行调节；但是，采用压差控制，需考虑到以下几点：1.一次水泵的启停必须和冷水机组联动，所以在设计一次泵变频和变台数的控制策略限制很多，并且由于水泵和冷水机组之间为并联连接，为了不使水倒流，必须所有水泵同时变频，并且在运行中必须保持一次泵运行台数和冷机台数相同。2.在一次泵变流量系统中，变流量的关键在于冷水机组的变流量性能，即机组本身对负荷变化的响应速度决定了整个系统的节省潜力。在本次设计中也必须考虑最小流量的限制，故我们采用变频控制控制，采用差压旁通作为辅助控制，以保证冷水机组安全。3、对于压差控制方法，存在定压差和变压差两种控制方法；对于温差控制方法，同样存在变温差控制和定温差控制。（1）定压差控制与变压差控制的比较空调冷冻水泵变频调节的定压差控制点一般是位于分集水器之间的，如图2所示，这将整个冷冻水系统分成了空调末端侧和空调主机侧两部分，在定压差控制过程中这两部分的工作特性是截然不同的：对于空调末端侧，其压力损失H，是等于控制压力值P的，阻力系数S，是随着流量的减少而增大的；对于空调主机侧，其阻力系数S,是保持不变的，而压力损失H：是随着流量的减少而减小的。因此，定压差控制的控制方程如公式6所示，调节过程如图3中的AB线所示。PQSH22变压差控制的目标在于尽量保持管路阻力特性曲线小变，减少系统的无用能耗，从控制角度来说，就是使压差妒随着流量的减少而减小，保持整个系统的阻力系数S小变仍将压差控制点设在分集水器之间，对于空调主机侧，其阻力系数S,仍然是保持小变的。因此，要求压力控制值要保证空调末端侧的阻力系数S,保持小变，所以变压差的控制力程可用公式7表示又根据相似律，沿着管路特性曲线，水泵效率基本小变，所以变压差控制的调节过程如图3中的AO线所示21QSP图3为同一流量小同控制力式的工作点比较，点1为阀门节流调节的工作点，点2为定压差变频的工作点，点3为变压差变频的工作点结合图1，容易得到:321QQQ；321HHH；321rrr；321。又水泵输入功率QgHN。为水的密度，g为重力加速度，所以321NNN,可见，空调水泵变频采用变压差控制要比定压差控制的耗功要少，节能率要高，故采用变压差控制。（2）变压差控制的实现变压差控制过程如图4所示与定压差控制相比，变压差控制过程需要增加一个流量传感器和一个计算实际空调末端侧阻力系数21QPS的计算环节，给定的比较值由P变为系统设计工况的空调末端侧阻力系数1S,当1'1SS，说明空调末端的调节阀开度过小，系统阻力大，有不必要的压头损失，应降低变频器频率，使冷冻水流量减小，同时为保证S变化尽可能小，应减小压差设定值;当1'1SS，说明空调末端的调节阀开度过大，有的已达100%，但仍然满足小于空调对冷冻水流量的要求，这时则应提高变频器频率，使冷冻水流量增加，同时为保证S变化尽可能小，应增大压差设定值。其具体函数应由变频泵的实际特性曲线与管路实际特性曲线△p=S*Q^2确定。4、裙房的冷冻水由一次泵直接供给，而主楼由二次泵加压供给，故一次泵需克服的是冷水机组的阻力和裙房的阻力；一方面，当裙房用户负荷变化时，会导致分集水器前端压差和流量变化，会同时影响主楼的冷冻水流量及供回水压差，对二次泵产生影响；另一方面，主楼侧用户负荷发生变化时，也会影响裙房侧冷冻水流量。为解决上述问题，我们在集水器前端各支路安装调节阀，通过阀门控制器，跟踪二次泵的运行参数及裙房供回水压差的变化，来判断负荷的变化是由裙房还是主楼引起的，并通过控制调节阀来抵消某一条支路的变化对另