水電站啟停式熱泵系統(tǒng)送風(fēng)溫度控制精度研究

張 濤，李 俊，汪高翔，袁 博

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 引言

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定控制送風(fēng)溫度是進(jìn)行室內(nèi)溫度控制的基礎(chǔ)[1,2]。尤其是在水電站對送風(fēng)溫度有特殊要求的場所，如機(jī)組單元控制室、電站計算機(jī)機(jī)房等，對送風(fēng)溫度的控制精度要求較高。通常，送風(fēng)溫度的控制是利用溫度傳感器測量實際的送風(fēng)溫度, 并利用其與設(shè)定送風(fēng)溫度的差值調(diào)節(jié)冷凍水供回水流量來實現(xiàn)[3]。控制方法一般使用試錯法、投票法等[4], 但這些方法均不能完全滿足電站重要設(shè)備間控制要求, 魯棒性較差。當(dāng)前，傳統(tǒng)的PID 控制使用最多。在PID 送風(fēng)溫度控制過程中，冷凍水供水溫度的穩(wěn)定性及大小將直接影響送風(fēng)溫度的控制效果。

在系統(tǒng)中，冷凍水供水溫度的穩(wěn)定性及大小取決于冷熱源系統(tǒng)的性能及工況。水電站常用熱泵機(jī)組為冷熱源，在某些水電站還利用水庫、主變等設(shè)備的二次冷卻水作為冷凍水在過渡季節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其控制方式主要為開關(guān)式控制及變?nèi)菔娇刂苹鶞?zhǔn)。對于較小容量的熱泵機(jī)組，多采用開閉控制方法[5]。開/關(guān)控制的熱泵機(jī)組一般采用冷凍水回水溫度作為控制依據(jù)，即當(dāng)冷凍水回水溫度高于設(shè)定溫度的上限值時，機(jī)組啟動，當(dāng)冷凍水回水溫度低于設(shè)定溫度的下限值時，機(jī)組關(guān)閉[6]。在這種情況下，冷凍水供水溫度將隨主機(jī)的啟停大幅度變化，對控制末端設(shè)備間送風(fēng)溫度造成了較大的干擾。為了減小冷凍水溫度的波動，一般是在冷凍水出口加一個緩沖的水槽。增加其穩(wěn)定性[6]。而冷凍水回水溫度的設(shè)定值，則直接決定冷凍水供水溫度的整體大?。淳彌_水箱內(nèi)的平均水溫大?。?。設(shè)定值越低，冷凍水供水溫度的平均值就越低，相反則越高。因此冷凍水回水溫度設(shè)定值將直接影響送風(fēng)溫度的控制精度。

本文針對目前水電站一般采用的啟停式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，采用模擬仿真的手段對送風(fēng)溫度的精確控制進(jìn)行研究。利用TRNSYS 仿真軟件，驗證在冷凍水出口處加一個緩沖水槽的效果。同時分析冷凍水回水溫度設(shè)定值的大小對送風(fēng)溫度控制精確的影響。

2 系統(tǒng)描述

本文研究的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示，設(shè)備間描述了一個水電站空調(diào)區(qū)域，面積為60 m2，設(shè)計負(fù)荷為240 W/m2。所選用的熱泵機(jī)組為小容量的渦旋式熱泵機(jī)組，其額定制冷量為17.2 kW，輸入功率為3.91 kW。壓縮機(jī)為定速壓縮機(jī)，由一個開關(guān)控制器根據(jù)冷凍水回水溫度進(jìn)行控制，冷凍水回水溫度控制范圍為設(shè)定值的±1℃。冷凍水流量為0.822 kg/s，冷卻水流量為1.006 kg/s，冷卻水回水溫度認(rèn)為始終保持不變?yōu)?0℃。緩沖水箱的容量為0.75 m3。末端為定風(fēng)量系統(tǒng)，風(fēng)量為2 400 m3/h。

圖1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

熱泵機(jī)組為開/關(guān)控制模式，即當(dāng)溫度傳感器測量的冷凍水回水溫度比設(shè)定的上限值高時，機(jī)組將啟動且滿負(fù)載運(yùn)行；當(dāng)冷凍水回水溫度比設(shè)定的下限值低時，機(jī)組將關(guān)閉，熱泵機(jī)組的最小運(yùn)行時間和最小停機(jī)時間均為3 min。末端為定風(fēng)量系統(tǒng)，即送風(fēng)量不變，對室內(nèi)溫度不做控制。送風(fēng)溫度控制器即為PI控制器，通過實時監(jiān)測的送風(fēng)溫度與設(shè)定值的比較，采用PI 控制算法，對電動三通閥的開度進(jìn)行控制，實現(xiàn)對冷水流量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)對送風(fēng)溫度的控制。

3 仿真模型

本文采用TRNSYS[7]軟件建立系統(tǒng)仿真平臺，如圖2 所示，包括設(shè)備間模型[8,9]，熱泵機(jī)組模型[10]，冷凍盤管模型[8]，風(fēng)機(jī)模型，水泵模型，水箱模型，三通水閥模型[11]，溫度傳感器模型以及閥門執(zhí)行器模型[12]?！癟ype9e”為TRNSYS 中自帶的數(shù)據(jù)讀取器模型，用以讀取設(shè)備間模型的邊界條件。

圖2 TRNSYS 仿真平臺

水箱模型如式（1）描述，認(rèn)為水箱是完全絕熱的且水箱內(nèi)水溫分布均勻。

式中，Mwater為水箱中的水量（kg），mw為流過水箱的冷凍水流量（kg/s），Twater為水箱內(nèi)水的溫度，Tout,HP為熱泵機(jī)組的冷凍水供水溫度，cpw為水的定壓比熱容（kJ/kg·K）。

冷凍水泵和風(fēng)機(jī)模型為定流量模型，流量分別為0.822 kg/s 和2 400 m3/h。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 邊界條件

在模擬過程中，采用夏季典型日的室外空氣溫度和濕度作為已知輸入?yún)?shù)，如圖3 所示，不考慮太陽輻射。本次研究中，僅考慮送風(fēng)溫度控制，設(shè)定值為16℃，室內(nèi)溫度不做控制，送風(fēng)量為2 400 m3/h，新風(fēng)量為送風(fēng)量的30%。水箱容量為0.75 m3。

圖3 夏季典型日室外溫濕度

4.2 水箱對送風(fēng)溫度控制的作用效果

采用相同的邊界條件，對有緩沖水箱和無緩沖水箱兩種情況送風(fēng)溫度的控制效果進(jìn)行對比。冷凍水回水溫度設(shè)定值為11℃，PI 的控制參數(shù)為Kp=2，Ti=60。如圖4 所示，給出了AHU 進(jìn)水溫度（即冷凍水供水溫度）從10 am 到12 am 的變化情況。如圖5所示，給出了冷凍水回水溫度從10 am 到12 am 的變化情況。圖6 則給出了送風(fēng)溫度的控制效果。從模擬結(jié)果可以看出緩沖水箱可以很好的減小冷凍水供水溫度的波動幅度，同時減少熱泵機(jī)組的啟停頻率。不加水箱時，冷凍水回水溫度遠(yuǎn)超出控制范圍，這是由于當(dāng)熱泵機(jī)組停機(jī)時，冷凍水供水溫度迅速升高，冷凍水回水溫度也隨之升高，在熱泵機(jī)組最小停機(jī)時間內(nèi)已經(jīng)超出控制范圍。冷凍水供水溫度大幅度的震蕩對末端送風(fēng)溫度的控制產(chǎn)生巨大的干擾，使得PI 控制器很難將送風(fēng)溫度控制在設(shè)定值，最大絕對偏差超過了1.5℃。當(dāng)采用緩沖水箱時，冷凍水供水溫度波動幅度較小且變化較為緩慢，冷凍水回水溫度可以很好地維持在控制范圍內(nèi)，對送風(fēng)溫度的控制干擾也相對較小，PI 控制器可以很精確的將送風(fēng)溫度控制在設(shè)定值，平均絕對偏差為0.037℃，最大絕對偏差為0.118℃。

圖4 加水箱和不加水箱AHU 進(jìn)水溫度變化情況

圖5 加水箱和不加水箱冷凍水回水溫度變化情況

圖6 加水箱和不加水箱兩種情況送風(fēng)溫度的控制效果

4.3 冷凍水回水溫度設(shè)定值對送風(fēng)溫度控制精度的影響

冷凍水回水溫度設(shè)定值是熱泵機(jī)組啟?？刂频囊罁?jù)，由于熱泵機(jī)組運(yùn)行時為滿負(fù)載運(yùn)行且冷凍水流量為定流量，冷凍水回水溫度設(shè)定值大小決定了緩沖水箱中水溫的平均大小，進(jìn)而影響送風(fēng)溫度的控制效果。圖7 給出了不同冷凍水回水溫度設(shè)定值時送風(fēng)溫度的控制精度。可以看出隨著冷凍水回水溫度設(shè)定值的增加，送風(fēng)溫度的最大絕對偏差不斷加大，即控制精度不斷減小。通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到送風(fēng)溫度控制的最大絕對偏差與冷凍水回水溫度設(shè)定值的關(guān)系，如式（2）表示。

圖7 不同冷凍水回水溫度設(shè)定值時送風(fēng)溫度的控制精度

式中，Y為最大絕對溫度偏差（℃），X為冷凍水回水溫度設(shè)定值（℃）。a1、a2均為修正系數(shù)，可通過參數(shù)辨識獲得。對于本系統(tǒng)，系數(shù)a1與a2的值分別為：a1=0.005 8，a2=0.274 5，R2=0.999 1。

可以看出，送風(fēng)溫度控制精度受冷凍水回水溫度設(shè)定值的影響較大，最大絕對偏差與冷凍水回水溫度設(shè)定值近似成指數(shù)關(guān)系。當(dāng)冷凍水回水溫度設(shè)定值減小1℃時，送風(fēng)溫度控制精度將大幅度提高。在實際應(yīng)用中，可通過降低冷凍水回水溫度設(shè)定值的方法，減小選用的緩沖水箱大小，同時不犧牲送風(fēng)溫度的控制精度。

5 結(jié)論

本文利用TRNSYS 仿真軟件建立水電站啟停式熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺，通過模擬仿真的方法，對送風(fēng)溫度的精確控制進(jìn)行研究。驗證了緩沖水箱在啟停式熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的作用效果，研究了冷凍水回水溫度設(shè)定值對送風(fēng)溫度控制精度的影響。模擬結(jié)果表明緩沖水箱可以很好的穩(wěn)定冷凍水供水溫度，減小熱泵機(jī)組的頻繁啟停對末端送風(fēng)溫度控制的干擾。研究結(jié)果還表明了冷凍水回水溫度設(shè)定值對送風(fēng)溫度控制精度有較大影響，設(shè)定值越低，送風(fēng)溫度控制精度越高。