工業(yè)冷凍水集群控制系統(tǒng)新型節(jié)能策略研究

張歡，王壽川，黃靜，李光曼

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

為了響應(yīng)國家“十三五”期間節(jié)能減排和科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略需求，對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能化、環(huán)?；踩椭悄芑脑?、升級(jí)依然是企業(yè)降本增效的核心方向。作為新型工業(yè)園區(qū)在冷源利用過程中節(jié)能與智能化方面的重要突破，冷凍水集群系統(tǒng)得以推廣應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)在于解決了重復(fù)性建設(shè)和占地面積問題，降低了投資和維護(hù)成本，便于集中管理[1-2]。受限于系統(tǒng)的自動(dòng)控制及人員管理水平，我國冷凍水集群系統(tǒng)的綜合能效比為2.5～3.0，與發(fā)達(dá)國家相比有較大差距[3]。因此，冷凍水集群系統(tǒng)的節(jié)能控制成為亟需解決的關(guān)鍵問題。

針對(duì)冷凍水集群系統(tǒng)的節(jié)能控制方案，諸多學(xué)者進(jìn)行了研究與探討。唐伯平等[4]和朱肖晶等[5]分別提出了以時(shí)序控制和均等運(yùn)行時(shí)間控制為導(dǎo)向，通過判斷機(jī)組負(fù)載和出水溫度進(jìn)行節(jié)能控制。劉靜紈等[6]分析了基于流量控制的弊端，提出了冷凍機(jī)房變水流量和變水溫相結(jié)合的節(jié)能控制策略。姚健等[7]分析了冷凍側(cè)、冷卻側(cè)的水流量對(duì)制冷機(jī)房綜合能效的影響，提出大溫差模式的節(jié)能控制策略。卓明勝等[8]從變頻離心式冷水機(jī)組的特性角度，研究了冷凍機(jī)房的節(jié)能方案，并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。上述研究集中于常規(guī)商用中央空調(diào)的一次回路系統(tǒng)的節(jié)能控制，工業(yè)冷凍水集群的末端多而雜，負(fù)荷隨機(jī)性強(qiáng)、變化大，傳統(tǒng)的群控方式并不適用。

本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，以某中央空調(diào)互聯(lián)工廠的集中冷凍水系統(tǒng)為案例，通過3層網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，通過節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)冷水機(jī)組群、泵組和閥組進(jìn)行聯(lián)控聯(lián)調(diào)，進(jìn)而提升系統(tǒng)的節(jié)能性和穩(wěn)定性，為類似工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 項(xiàng)目概況

某中央空調(diào)互聯(lián)工廠的集中冷凍水（冷凍水集群）系統(tǒng)，系統(tǒng)包括冷凍水池、冷水機(jī)組群、機(jī)組冷凍泵組、集中冷凍水供液泵組及分集水器等設(shè)備[9]，主要對(duì)水冷機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)冷機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)、廠房降溫系統(tǒng)等提供集中、干路冷凍水（出水溫度不高于7℃），其控制部分獨(dú)立于末端各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置和組合式空調(diào)，自成調(diào)控回路實(shí)現(xiàn)恒壓供水和恒溫供水功能。機(jī)組冷卻水由工廠集中冷卻水系統(tǒng)供應(yīng)，本文不作深入探討。

該集中冷凍水系統(tǒng)工作原理如圖1所示，設(shè)備配置如表1所示。

圖1 集中冷凍水系統(tǒng)工作原理

表1 集中冷凍水系統(tǒng)設(shè)備配置表

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集中冷凍水節(jié)能控制系統(tǒng)，通常由3層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：管理層、控制層和設(shè)備層[10-11]。

管理層包括服務(wù)器或工作站、節(jié)能控制軟件和網(wǎng)絡(luò)接口等。系統(tǒng)節(jié)能控制軟件擁有良好的兼容性、擴(kuò)展性和開放性，可實(shí)現(xiàn)能耗上傳和web訪問功能。

控制層包括節(jié)能控制中心、節(jié)能控制單元、現(xiàn)場(chǎng)操作屏和現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)等。主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析，并采用合理的控制策略對(duì)冷水機(jī)組群、泵組和閥組進(jìn)行邏輯控制，最終提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，減少運(yùn)行能耗。

設(shè)備層包括主機(jī)設(shè)備、輔助設(shè)備、末端設(shè)備、智能儀表和傳感器等。

通過3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集中冷凍水節(jié)能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)豐富的參數(shù)測(cè)量功能：冷水機(jī)組群、集中冷凍水供液泵組、機(jī)組冷凍水泵組和冷卻水流量調(diào)節(jié)閥等運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障自檢；機(jī)組冷凍水進(jìn)出水溫差及瞬時(shí)冷量；機(jī)組累計(jì)冷量；機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫差及瞬時(shí)冷量；集中冷凍水供液溫度、回液溫度、供液壓力和瞬時(shí)冷量等。節(jié)能控制系統(tǒng)還具備一定的能量調(diào)節(jié)功能，如冷水機(jī)組及其附屬設(shè)備的負(fù)荷控制、臺(tái)數(shù)控制和起?？刂频?。

3 系統(tǒng)節(jié)能控制策略

3.1 冷水機(jī)組節(jié)能控制策略

由于大型工業(yè)園區(qū)的末端負(fù)荷具備隨機(jī)性強(qiáng)、變化區(qū)間大的特點(diǎn)[12]，傳統(tǒng)的冷水機(jī)組控制系統(tǒng)容易導(dǎo)致水溫波動(dòng)較大，機(jī)組頻繁啟停，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，且定頻水泵無法實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，不利于節(jié)能[13-14]。本項(xiàng)目采用冷水機(jī)組節(jié)能控制策略，如圖2所示具體分為5個(gè)步驟。

圖2 冷水機(jī)組節(jié)能控制策略

1）啟動(dòng)策略：開機(jī)時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力、溫度等參數(shù)和機(jī)組的故障情況，結(jié)合內(nèi)置的專家節(jié)能數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析計(jì)算后，自動(dòng)確定開機(jī)組合，也可由操作人員進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定。

2）系統(tǒng)運(yùn)行：機(jī)組完成開機(jī)動(dòng)作并輸出了相應(yīng)的冷量后，系統(tǒng)采集當(dāng)前冷水機(jī)組進(jìn)出水溫度和流量信息，計(jì)算系統(tǒng)負(fù)荷率f(a)和單機(jī)負(fù)荷率f(b)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募虞d和加檔策略。

3）加載策略：壓縮機(jī)采用變頻控制，通過冷凍水出水溫度和轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍來實(shí)現(xiàn)制冷量的無極調(diào)節(jié)；冷凍水泵采用變頻控制，冷卻水回水安裝兩通流量調(diào)節(jié)閥，通過供回水溫差監(jiān)控實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)。

4）加檔策略：通過機(jī)組能效曲線，結(jié)合離心壓縮機(jī)的運(yùn)行特性，分析其運(yùn)行的高效區(qū)段，對(duì)不同能力的多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化匹配組合，提高運(yùn)行效率。

5）關(guān)機(jī)策略：當(dāng)出現(xiàn)冷凍水池液位低時(shí)，則依次關(guān)閉所有設(shè)備；當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)供液泵過流或變頻器報(bào)警時(shí)，則立即停止相應(yīng)的設(shè)備。

鑒于以上策略，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行定義。

系統(tǒng)負(fù)荷率：

單機(jī)負(fù)荷率：

式中：

n——開啟機(jī)組臺(tái)數(shù)，臺(tái)；

t1——冷凍水進(jìn)水溫度，℃；

t2——冷卻水進(jìn)水溫度，℃；

I——機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)下實(shí)際運(yùn)行電流，A；

Iref——機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)下滿載運(yùn)行電流，A。

3.1.1 冷水機(jī)組加載控制策略

為更好地應(yīng)對(duì)大型工業(yè)園區(qū)的需冷量隨機(jī)性強(qiáng)、變化大等負(fù)荷要求，本系統(tǒng)冷水機(jī)組壓縮機(jī)采用變頻控制，每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)一套比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）調(diào)節(jié)功能。通過可編程邏輯控制器實(shí)時(shí)采集機(jī)組冷凍水出水溫度t3pv，不斷與目標(biāo)值t3sp進(jìn)行對(duì)比，由節(jié)能控制系統(tǒng)計(jì)算后，對(duì)冷水機(jī)組控制器發(fā)出指令，進(jìn)而控制壓縮機(jī)的變頻調(diào)節(jié)。冷水機(jī)組加載控制策略如圖3所示。

實(shí)時(shí)采集冷水機(jī)組的啟停信息，進(jìn)而判斷相應(yīng)機(jī)組冷媒水泵的啟停和冷卻水調(diào)節(jié)閥的供電，實(shí)現(xiàn)機(jī)組開啟則相應(yīng)輔助設(shè)備自動(dòng)開啟的功能。機(jī)組冷凍水泵采用變頻控制，通過冷凍水供回水溫差△T1pv與目標(biāo)值△T1sp值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合流量可調(diào)范圍來實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)；機(jī)組冷卻水，通過供回水溫差△T2pv與目標(biāo)值△T2sp值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合流量可調(diào)范圍來實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)。

圖3 冷水機(jī)組加載控制策略

3.1.2 系統(tǒng)加檔控制策略

冷水機(jī)組的加檔策略是基于優(yōu)化模型來執(zhí)行的，即滿足冷負(fù)荷需求的前提下，以機(jī)組的高能效為控制目標(biāo)，在不同運(yùn)行檔位中尋優(yōu)并確定機(jī)組運(yùn)行組合，進(jìn)行加減檔判斷。

根據(jù)磁懸浮離心壓縮機(jī)的特性，結(jié)合機(jī)組廠家給出的能效數(shù)據(jù)庫，在相同狀況下，單個(gè)壓縮機(jī)在負(fù)荷率75%以上為其高效區(qū)[15-17]。因此，控制系統(tǒng)采集當(dāng)前冷水機(jī)組進(jìn)出水溫度和流量信息，計(jì)算系統(tǒng)負(fù)荷率f(a)和單機(jī)負(fù)荷率f(b)，進(jìn)行加檔和降檔程序，盡量使壓縮機(jī)工作維持75%負(fù)荷以上運(yùn)轉(zhuǎn)，不同負(fù)荷率下冷水機(jī)組的加檔策略如圖4所示。

加檔程序：當(dāng)出水溫度大于設(shè)定值，即t3pv＞t3sp，持續(xù)時(shí)間5 min（可調(diào)整）并且已運(yùn)行的機(jī)組的負(fù)載f(b)都持續(xù)大于95%（可調(diào)整）時(shí)，進(jìn)行加檔程序。降檔程序：當(dāng)出水溫度小于設(shè)定值，即t3pv＜t3sp，持續(xù)時(shí)間5 min（可調(diào)整）并且已運(yùn)行的機(jī)組的f(b)負(fù)載都持續(xù)小于75%（可調(diào)整）時(shí)，進(jìn)行減檔程序。

系統(tǒng)加減檔的檔位設(shè)計(jì)，充分考慮到實(shí)際運(yùn)行中，末端負(fù)荷的大小是實(shí)時(shí)變化的，因此系統(tǒng)需要頻繁切換運(yùn)行檔位，而在切換過程中各設(shè)備加載需要一定的響應(yīng)時(shí)間，所以在檔位設(shè)計(jì)時(shí)為系統(tǒng)負(fù)荷切換觸發(fā)值留下一定裕量，使相鄰兩檔的系統(tǒng)負(fù)荷存在5%的重合區(qū)間。系統(tǒng)的檔位設(shè)計(jì)如下：1檔為1#+2#+3#+4#+5#+6#機(jī)組，滿載能力 4,212 kW；2檔為1#+2#+3#/4#+5#/6#機(jī)組，滿載能力3,161 kW；3檔為1#+2#+3#/4#機(jī)組，滿載能力 2,844 kW；4檔為1#+2#+5#機(jī)組，滿載能力2,427 kW；5檔為1#/2#+3#/4#機(jī)組，滿載能力 1,789 kW；6檔為1#/2#+5#/6#機(jī)組，滿載能力1,372 kW；7檔為1#/2#機(jī)組，滿載能力1,055 kW。不同負(fù)荷率下的檔位切換模式如表2所示。

圖4 系統(tǒng)加檔控制策略

對(duì)于不同檔位中，相同型號(hào)機(jī)組的啟停順序，遵照時(shí)序控制和均等運(yùn)行時(shí)間控制原則?？删幊踢壿嬁刂破靼褭C(jī)組的運(yùn)行時(shí)間納入啟停邏輯，遵循先開先停、先停先開、均勻配置的控制模式。該模式的優(yōu)點(diǎn)在于，自動(dòng)地控制各機(jī)組進(jìn)行輪流工作，延長設(shè)備的使用壽命。

表2 不同負(fù)荷率下檔位切換模式

3.2 供液泵組節(jié)能控制策略

集中冷凍水供液系統(tǒng)，為多臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)的變流量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用恒壓供水的控制邏輯，基于總供水壓力恒定的原則，采用時(shí)序和均等運(yùn)行時(shí)間相結(jié)合的模式進(jìn)行泵組的同步變頻控制。通過集中冷凍水供液壓力ppv與目標(biāo)值psp，經(jīng)節(jié)能控制系統(tǒng)計(jì)算后，控制水泵變頻器的輸出，進(jìn)行供液壓力調(diào)節(jié)。針對(duì)水泵的高效運(yùn)行范圍，設(shè)置運(yùn)行頻率的上限和下限，作為加減泵的判斷依據(jù)。

與傳統(tǒng)的多泵并聯(lián)供水方式相比，該控制方式有顯著的節(jié)能效果，但仍存在一定的節(jié)能空間。由于末端流量變化幅度較大，隨機(jī)性較強(qiáng)，存在不同的流量范圍內(nèi)同步變頻和不同步變頻兩種運(yùn)行模式下的節(jié)能問題。為了滿足最不利末端環(huán)路負(fù)荷，給定的供水壓力往往較大，且不能根據(jù)流量變化而改變，不利于系統(tǒng)節(jié)能。因此，后續(xù)項(xiàng)目的供液泵組節(jié)能控制策略可進(jìn)行如下改進(jìn)：采用流量與供水壓力的聯(lián)合控制方式對(duì)水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，以供水壓力為控制目標(biāo)，結(jié)合多臺(tái)同類型水泵并聯(lián)時(shí)同步變頻和不同步變頻的運(yùn)行特點(diǎn)，引入單泵允許流量區(qū)間，分段選擇運(yùn)行模式，即單泵循環(huán)水量介于允許流量區(qū)間時(shí)，采用多泵同步變頻模式優(yōu)于多泵不同步變頻模式；單泵循環(huán)水量高于或低于允許流量區(qū)間時(shí)，采用多泵不同步變頻模式優(yōu)于多泵同步變頻模式[18-19]，其控制流程見圖5。

圖5 集中冷凍水供液泵變頻優(yōu)化控制流程

4 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)，確定7月需冷負(fù)荷較高且相近的某兩天為典型日，對(duì)集中冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。方案1選擇現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟停切換設(shè)備，泵組、閥組為滿載運(yùn)行，方案2選擇節(jié)能控制系統(tǒng)，分別記錄這兩個(gè)工作日的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。以系統(tǒng)綜合能效比為指標(biāo)，對(duì)集中冷凍水系統(tǒng)全套設(shè)備運(yùn)行的節(jié)能效果進(jìn)行考核，如圖6所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用節(jié)能控制系統(tǒng)下的系統(tǒng)綜合能效比有著明顯的提升，全天綜合能效比為5.32，達(dá)到新加坡對(duì)新建非居住建筑制冷機(jī)房能效比 5.0的綠色建筑要求[20]。系統(tǒng)綜合節(jié)能率約為27.4%，按照預(yù)期 1,620 MW 的規(guī)劃年用電量，1.00 元/(kW·h)的電費(fèi)費(fèi)率，每年可節(jié)省電費(fèi)約44.39萬元。

采用節(jié)能控制系統(tǒng)下的綜合能效比數(shù)值較為穩(wěn)定，歸因于變頻技術(shù)的應(yīng)用，以及響應(yīng)時(shí)間、檔位裕量等設(shè)置，有效改善了傳統(tǒng)模式下穩(wěn)定性較差的缺陷，系統(tǒng)保持高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖6 集中冷凍水系統(tǒng)綜合能效

5 結(jié)論

本文從某中央空調(diào)互聯(lián)工廠的集中冷凍水系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)際出發(fā)，進(jìn)行節(jié)能控制系統(tǒng)方案探討，研究了冷水機(jī)組群、泵組和閥組的節(jié)能控制策略，探討了并聯(lián)泵組的同步異步變頻技術(shù)的節(jié)能邏輯，得到如下結(jié)論：

1）該節(jié)能控制系統(tǒng)，有效提升了系統(tǒng)的綜合能效比，全天綜合能效比為5.32，相比于傳統(tǒng)模式下的綜合節(jié)能率約為27.4%；

2）該節(jié)能控制系統(tǒng)，有效提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，改善了機(jī)組頻繁啟停而導(dǎo)致的系統(tǒng)波動(dòng)；

3）本文并未應(yīng)用并聯(lián)泵組的同步異步變頻技術(shù)，且未采用多維尋優(yōu)算法方式對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)效率點(diǎn)進(jìn)行探討，仍有一定的節(jié)能空間以待挖掘。