離心式冷水機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能分析

李 達(dá)

(廣州博奕特機(jī)電技術(shù)有限公司,廣州510530)

0 引言

對(duì)于離心式冷水機(jī)組而言,冷凍水和冷卻水的出水溫度基本決定了飽和蒸發(fā)溫度 (壓力)和飽和冷凝溫度 (壓力)。因此在冷凍水側(cè),只要流量變化范圍和流量變化率在該機(jī)組的允許范圍之內(nèi),在相同的冷凍水出水溫度下,變冷凍水的流量變化基本上不會(huì)改變機(jī)組的運(yùn)行工況,與定流量系統(tǒng)相比,相同條件下 (冷量及冷卻水溫度)機(jī)組本身的性能不受影響,因此業(yè)主或使用者可以充分享受冷凍水泵變頻帶來(lái)的節(jié)能效果而無(wú)須考慮主機(jī)的影響。但對(duì)于冷卻水系統(tǒng),由于主機(jī)的冷凝溫度與冷卻水流量、冷卻水進(jìn)水 (即冷卻塔出水)溫度存在極強(qiáng)的相互依存關(guān)系,如果對(duì)冷卻水系統(tǒng)中的設(shè)備(冷卻泵和冷卻塔)實(shí)施變頻控制,都會(huì)影響到主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),在冷卻泵和冷卻塔獲得節(jié)能的同時(shí),必將導(dǎo)致主機(jī)的冷凝溫度升高,性能下降。更為關(guān)鍵的是,在一定的條件下,有可能出現(xiàn)離心式冷水機(jī)組固有的特性—喘震,對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行造成隱患。因此對(duì)于采用離心式冷水機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng),在冷卻水側(cè)實(shí)施變頻控制必須要特別的加以小心,需要綜合考慮,否則可能出現(xiàn)得不償失,因小失大的現(xiàn)象。

1 冷卻水泵變頻

目前對(duì)冷卻水泵實(shí)施變頻控制的主要方法有定溫差控制法、定冷凝溫度法[1]、定溫差+最小壓差、定冷凝溫度+最小壓差[2]、模糊控制法[3]等。筆者認(rèn)為文獻(xiàn) [3]中控制算法所采用的依據(jù) “在制冷機(jī)及蒸發(fā)器、冷凝器已確定的情況下,蒸發(fā)溫度通常取決于冷凍水的回水溫度,冷凝溫度取決于冷卻水的入口溫度;因此制冷量和制冷系數(shù)也是冷凍水回水溫度和冷卻水入口溫度的函數(shù)”較難實(shí)施,本文不做分析。本文主要討論在實(shí)際項(xiàng)目中使用比較多且易于實(shí)施的定溫差 (+最小壓差或流量)和定冷凝溫度 (+最小壓差或流量)控制方法。對(duì)系統(tǒng) (冷水機(jī)組+冷卻泵)的節(jié)能效果,文獻(xiàn) [2]認(rèn)為定溫差 (+最小壓差或流量)的節(jié)能效果優(yōu)于定冷凝溫度 (+最小壓差或流量)的節(jié)能效果,而文獻(xiàn) [1]、[4]更傾向于定冷凝溫度控制。那么這種控制方法是否適合于所有場(chǎng)合呢?

冷量Q與冷卻水流量G和冷卻水的進(jìn)出溫度t1,t2的關(guān)系為:式中Cp為水的比定壓熱容,COP為冷水機(jī)組的性能系數(shù)。

從式中可以看出,只要主機(jī)的冷卻水溫度能夠低于設(shè)計(jì)溫度,即使主機(jī)處于滿載或接近滿載工況,冷卻水泵也能實(shí)施變頻而獲得節(jié)能。文 [1]、[5]對(duì)某個(gè)廠家的同一臺(tái)1760 kW(500RT)離心式冷水機(jī)組的分析表明,定冷凝溫度方法對(duì)系統(tǒng) (主機(jī)和冷卻水泵)具有相當(dāng)好的節(jié)能效果 (相對(duì)于定流量水泵的耗電量),特別在機(jī)組負(fù)荷處于50%～70%負(fù)荷之間,節(jié)能效果更佳。但筆者認(rèn)為該分析結(jié)果不一定具有普遍的意義。

首先,不同型式的離心式壓縮機(jī)具有不同的特性曲線。因?yàn)閴嚎s機(jī)性能曲線(Compressor Map)屬于生產(chǎn)公司的機(jī)密信息,不可能公開,但我們不妨從一些主流公司的公開資料找到一些示意性的曲線來(lái)分析該方法的可行性。

D①公司在其樣本上的壓縮機(jī) (單級(jí))性能特性如圖1所示 (其中粗線為筆者所加,下同)。

圖1 D公司單級(jí)離心式壓縮機(jī)特性曲線

從圖1中可以看出,對(duì)于沒(méi)有配置可調(diào)擴(kuò)壓器的機(jī)組,在恒定的冷凝溫度下,機(jī)組在60%冷媒流量 (黑色實(shí)線)左右就進(jìn)入喘震區(qū)域。而如果配置了可調(diào)擴(kuò)壓器的機(jī)組,同樣工況下機(jī)組可以卸載到10%而不發(fā)生喘震。需要說(shuō)明的是,對(duì)于恒定冷凍水出水溫度的機(jī)組,冷媒流量基本上與冷量成正比。目前尚不清楚可調(diào)擴(kuò)壓器是否屬于該公司機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置。

M②公司在其應(yīng)用手冊(cè)上的壓縮機(jī) (單級(jí))性能特性如圖2所示。

圖2 M公司單級(jí)離心式壓縮機(jī)特性曲線

從圖2中可以看出,同樣對(duì)于沒(méi)有配置散流滑塊 (作用同可調(diào)擴(kuò)壓器)的機(jī)組,在恒定的冷凝溫度下,機(jī)組在40%負(fù)載開始喘震。而如果配置了散流滑塊的機(jī)組,同樣工況下機(jī)組可以卸載到27%左右。該裝置屬于該公司機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置。

而Y③和C④公司在其大多數(shù)單級(jí)離心式冷水機(jī)組型號(hào)上也配置了類似裝置,但沒(méi)有相關(guān)的性能曲線說(shuō)明其恒定冷凝溫度下的卸載能力。

T⑤公司在其資料上公布的雙級(jí)離心式壓縮機(jī)特性曲線如圖3所示。機(jī)組在很高負(fù)載附近就到了喘震區(qū)域,而且該公司不提供類似可調(diào)擴(kuò)壓器的裝置以提高卸載能力。

圖3 T公司雙級(jí)離心式壓縮機(jī)特性曲線

而另外一家公司H⑥的雙級(jí)離心式壓縮機(jī)的曲線如圖4所示。大致也是60%左右可能發(fā)生喘震。同樣,該公司也不能提供類似可調(diào)擴(kuò)壓器的調(diào)節(jié)裝置以提高卸載能力。

圖4 H公司雙級(jí)離心式壓縮機(jī)特性曲線

文獻(xiàn) [6]給出的定頻離心式壓縮機(jī)曲線模型如圖5所示,如果這個(gè)壓縮機(jī)曲線采用定冷凝溫度控制,則喘震點(diǎn)位于85%負(fù)載點(diǎn)左右,可運(yùn)行區(qū)域很窄,在實(shí)際項(xiàng)目中幾乎無(wú)法運(yùn)行。

從上面的離心機(jī)組特性曲線圖可以看出,如果直接采用定冷凝溫度控制來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水流量,有些壓縮機(jī)能卸載到50%左右而不發(fā)生喘震,采用該方法是可行的,但對(duì)于某些壓縮機(jī)而言,由于其喘震點(diǎn)很高,幾乎不能卸載,采用該方法很可能導(dǎo)致安全隱患。

圖5 定頻離心式壓縮機(jī)特性曲線(模型)

其次,與離心式冷水機(jī)組是否采用變頻驅(qū)動(dòng)有關(guān)。在冷卻水溫度較低的工況下,定流量下變頻冷水機(jī)組可以低頻運(yùn)行,其COP高達(dá)10以上。但如果將冷凝溫度固定在設(shè)計(jì)點(diǎn),則意味著變頻離心機(jī)組為了保證不喘震而不得不在工頻附近工況下運(yùn)行,冷水機(jī)組本身所導(dǎo)致的能耗增加將是水泵變頻節(jié)能所無(wú)法補(bǔ)償?shù)摹４藭r(shí)采用定冷凝溫度控制將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加。

最后,與系統(tǒng)控制模式,特別是增加和減少壓縮機(jī)運(yùn)行的策略密切相關(guān)。一般定頻機(jī)組的高效區(qū)間為60%～95%之間,變頻離心機(jī)組的高效區(qū)間是40%～80%之間。按照之前的分析,為了保證不喘震,必須讓主機(jī)的運(yùn)行負(fù)載率處于高位,這種控制模式對(duì)定頻機(jī)組是可行的。但如果有變頻冷水機(jī)組,這樣的控制模式無(wú)法發(fā)揮變頻離心機(jī)組的優(yōu)勢(shì),顯然是不合理的。

因此對(duì)于有變頻驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)組,筆者認(rèn)為最佳辦法是不對(duì)冷卻水泵進(jìn)行變頻控制。如果要變頻,定溫差的控制模式會(huì)比定冷凝溫度的控制模式好。

另外,冷卻泵的變頻控制還與建筑物類型及氣候特點(diǎn)有關(guān)。Steven[7]認(rèn)為對(duì)于寫字樓項(xiàng)目,冷卻水泵變頻在生命循環(huán)成本 (LCC)中一般是不節(jié)能的。

2 冷卻塔變頻

國(guó)外公司如Trane[8],Johnson Controls[9]都推出了獨(dú)有的控制策略,其中后者被ASHRAE[10]標(biāo)準(zhǔn)所采用推廣。他們都是以主機(jī)和冷卻塔作為分析對(duì)象來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化的。而目前國(guó)內(nèi)的自控公司都宣稱能夠?qū)鋮s塔實(shí)施變頻控制,但都沒(méi)有明晰的控制策略。一般在實(shí)際項(xiàng)目中采用定冷卻水出水溫度或定逼近度控制,以后者居多。

定逼近度的控制方法是將冷卻塔出水溫度 (即式1中的 t1)與室外濕球溫度之間的差值維持在一設(shè)定值 (一般為設(shè)計(jì)點(diǎn)的差值)。但文獻(xiàn) [11]表明,在目前常規(guī)的控制模式下,冷卻塔的變頻控制區(qū)間很小。

目前常規(guī)的機(jī)房控制模式簡(jiǎn)述如下:

(1)主機(jī)的加減以電流百分比或?qū)嶋H電流值為依據(jù),例如當(dāng)電流百分比達(dá)到或超過(guò)某一設(shè)定值(或冷凍水溫度不能維持)超過(guò)一定時(shí)間 (可設(shè)定)后加機(jī);當(dāng)電流百分比低于某一設(shè)定值超過(guò)一定時(shí)間 (可設(shè)定)后減機(jī);

(2)水泵,水塔與主機(jī)對(duì)應(yīng)啟停。

這樣控制的目的是讓單機(jī)冷量達(dá)到最大,運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量最少。但對(duì)于冷卻塔的變頻控制基本上無(wú)用武之地。

按照式 (1),冷卻塔的排熱量大部分是由冷量轉(zhuǎn)化而來(lái)的。如果采用定冷卻水流量系統(tǒng),則t2-t1的變化很小,雖然室外濕球溫度降低,但冷卻塔的性能也變差,導(dǎo)致實(shí)際的逼近度會(huì)拉大,此時(shí)冷卻塔根本無(wú)法在變頻狀態(tài)下運(yùn)行。文獻(xiàn) [7]、[8]的曲線清楚表明了這一點(diǎn)。

圖6⑦曲線表明:當(dāng)濕球溫度從設(shè)計(jì)的25.6℃(78℉)下降到15.5℃(60℉)時(shí),冷卻水出水溫度由 29.4℃ (85℉)降為 21.9℃ (71.5℉),逼近度由 3.9℃ (7℉=85℉-78℉)提高到 6.4℃(11.5℉=71.5℉-60℉)。這種情況下冷卻塔變頻只會(huì)導(dǎo)致逼近度加大,冷卻水出水溫度升高。此時(shí)的變頻器成了擺設(shè),反而因?yàn)樽冾l器本身的損耗而增加了能耗。

圖6 濕球溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水溫差關(guān)系示意圖

同樣,圖7⑧曲線也說(shuō)明要維持負(fù)荷 (即散熱量)、溫差和逼近度恒定,在低濕球溫度下需要加大冷卻塔型號(hào)才能滿足這個(gè)要求,反過(guò)來(lái)表明同一臺(tái)冷卻塔無(wú)法維持恒定的逼近度。

從上面的分析可以看出,要獲得恒定的逼近度,在常規(guī)控制模式下,必須要減少冷水機(jī)組的負(fù)載,但這樣與 “運(yùn)行設(shè)備越少越好”的控制邏輯相悖,因此對(duì)加減機(jī)組控制提出了更高的要求。

圖7 恒定散熱負(fù)荷、冷卻水溫差、逼近度工況下濕球溫度與冷卻塔規(guī)格關(guān)系圖

也有人提出在非設(shè)計(jì)工況下將采用多開冷卻塔以增加換熱面積的方法來(lái)解決上述問(wèn)題,理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。但問(wèn)題是冷卻塔的布水器設(shè)計(jì)能否滿足低流量的布水要求以滿足空氣與水的充分接觸。在國(guó)外,大部分的冷卻塔廠家都可以提供選配的擋水圍堰 (weir dams)或低流量噴嘴,使冷卻水流量可以減少到額定流量的50%,甚至33%或25%[12],也能保證空氣與水的充分接觸使恒定逼近度成為可能。但很遺憾的是,目前國(guó)內(nèi)能提供這樣選項(xiàng)的冷卻塔廠家很少。另外還與冷卻塔的初始調(diào)試是否到位有關(guān)。這種情況下多開冷卻塔不但不一定能達(dá)到理想的效果,甚至出現(xiàn)其它相反的結(jié)果。

同樣,變頻離心機(jī)組對(duì)壓頭 (飽和冷凝壓力—飽和蒸發(fā)壓力)的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定頻機(jī)組,冷卻水進(jìn)水溫度越低 (冷卻水不變頻或定溫差控制模式下),變頻機(jī)組的效率提高相對(duì)要快。但是在低濕球溫度下冷卻塔的逼近度增大的特點(diǎn)導(dǎo)致了即使是工頻運(yùn)行,冷卻塔的出水溫度也受到了一定限制(即不可能無(wú)限降低),顯然主機(jī)與冷卻塔兩者之間存在一定的平衡關(guān)系。筆者認(rèn)為,由于冷卻塔的功率與主機(jī)相比很小,對(duì)于采用變頻機(jī)組的系統(tǒng)而言,冷卻塔定頻控制比變頻控制會(huì)更有利一些,且控制程序相對(duì)簡(jiǎn)單可靠。

3 其它問(wèn)題

冷卻泵和冷卻塔的變頻還會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題,在分析的時(shí)候也必須加以考慮。

(1)冷凝器結(jié)垢速度加快,由于流量減少導(dǎo)致流速降低,增加冷凝器和冷卻水管道的結(jié)垢速度加快[1,13];

(2)冷卻水溫度比定流量系統(tǒng)高也將導(dǎo)致結(jié)垢速度加快[14];

(3)低流量下,冷卻塔容易出現(xiàn)干表面,阻力減小導(dǎo)致很多空氣沒(méi)有與水接觸就被旁通,在干濕邊界處由于水的蒸發(fā),不融性固體物質(zhì)將殘留在填料表面,由于沒(méi)有水的沖刷而導(dǎo)致結(jié)垢比常規(guī)嚴(yán)重[12]。

(4)冷卻水流量變化范圍也是一個(gè)必須加以重視的問(wèn)題,它與主機(jī)、冷卻塔的型號(hào)有關(guān),很多時(shí)候我們很關(guān)心主機(jī)的最小允許水流量,但卻忽視了冷卻塔的最小允許水流量,而事實(shí)上很多情況下很多選定冷卻塔的最小水流量要大于主機(jī)的允許最小水流量,而冷卻塔低流量下將導(dǎo)致受水不均、結(jié)垢、縮短壽命等一系列問(wèn)題。

(5)冷卻泵變頻和冷卻塔變頻優(yōu)先問(wèn)題。對(duì)采用恒定冷凝溫度的定頻離心機(jī)組的系統(tǒng)會(huì)更復(fù)雜,這是因?yàn)檫@種模式下主機(jī)對(duì)冷卻水的進(jìn)水溫度已經(jīng)不敏感,特別是冷卻泵頻率已經(jīng)到了低限的時(shí)候,冷卻塔可以在很低的頻率下運(yùn)行維持稍高的逼近度,但如果冷卻塔采用定逼近度控制則將同時(shí)增加冷卻泵和冷卻塔的能耗,其控制策略需要更深的考慮。

4 結(jié)論

在采用離心機(jī)組的系統(tǒng)中,冷卻水系統(tǒng)側(cè)實(shí)施變頻控制所能獲得的節(jié)能效果與壓縮機(jī)特性曲線、是否變頻、冷卻塔特性、冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建筑物類型、氣候特點(diǎn)等因素密切相關(guān),因此不能采用固定的系統(tǒng)控制模式而應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要而單獨(dú)設(shè)計(jì)、實(shí)施與調(diào)試,否則達(dá)不到所期望的節(jié)能效果,甚至適得其反。另外還會(huì)衍生出系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)垢速度加快等問(wèn)題,提高了運(yùn)行維護(hù)成本,需要在評(píng)估過(guò)程中加以考慮。

[1]李蘇瀧,鄒娜.空調(diào)冷卻水變流量控制方法研究[J].暖通空調(diào),2005,35(12):51-54

[2]封小梅,簡(jiǎn)棄非,左政.冷卻水系統(tǒng)變流量的全年工況節(jié)能分析[J].建筑科學(xué),2010,26(4):80-84

[3]蔡小兵.中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)自適應(yīng)優(yōu)化控制方法及裝置:中國(guó),200410040668.5[P].2005-3-23

[4]胡磊,盧軍,陳明,等.集中空調(diào)冷卻水變流量節(jié)能研究[J].暖通空調(diào),2011,41(9):137-140

[5]李蘇瀧,徐莉,朱海峰.水冷式冷水機(jī)組冷凝溫度控制法研究[J].制冷學(xué)報(bào),2005,26(4):58-62

[6]Brasz Joost,Tetu Lee.Variable-speed centrifugal chiller controls for variable primary flow(VPF)applications[C].International Compressor Engineering Conference,Purde U-niversity,2008

[7]StevenT.Tayloe.Optimizing Design and Controlof chilled water plants,part 5 Optimized control Sequences[J].ASHRAE Journal,2012,6:56-74

[8]Schwedler et al.Near Optimization of Cooling Tower Condenser Water:United Stated Patent,5,600,960[P].1997-2-11

[9]Braun et al.Cooling System With Improved Fan Control and Method:United Stated Patent,5,040,377[P].1991-8-20

[10]ASHR AE.2007 AHSR AE Handbook-HVAC Applications[S]

[11]殷萍.中央空調(diào)系統(tǒng)中冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的可行性分析[J].制冷,2012,30(2):56-60

[12]Steven T.Tayloe.Optimizing Design and Control of chilled water plants,part 2 condenser water system design[J].ASHR AE Journal,2011,9:26-36

[13]曾振威.節(jié)能不能因小失大 [J].暖通空調(diào),2002,32(4):32-33[14]AHRI,1997 GUIDELINE for Fouling Factors:A Survey of Their Application in Today′s Air Conditioning And Refrigeration

①頓漢布什(煙臺(tái))工業(yè)有限公司DCLC水冷離心機(jī)組

②McQuay Centrifugal chiller fundaments

③Johnson Controls,離心式冷水機(jī)組YK系列

④Carrier 19XR封閉型離心式冷水機(jī)組

⑤Trane,Centrifugalwater chillersA Trane Air Conditioning Clinic

⑥Hitachi,日立離心式冷水機(jī)組HC-FC系列

⑦M(jìn)arley,Cooling Tower information index

⑧Continuing Education and Development.Inc,Heat Rejection Options in HVAC Systems