一次泵系統(tǒng)冷水機組變流量控制方案1

次皺泉州冷水機組一初級蟄土欣漿水系統(tǒng)康理圖朽次乘水系統(tǒng)頃理明次皺泉州冷水機組一初級蟄土欣漿水系統(tǒng)康理圖朽次乘水系統(tǒng)頃理明一次泵系統(tǒng)冷水機組變流量控制方案簡介：介紹了一次泵空調(diào)水系統(tǒng)在冷水機組采用變水量運行過程中可能出現(xiàn)的問題。根據(jù)對負(fù)荷側(cè)（表冷器）冷量和流量特性的分析，給出不同冷水機組臺數(shù)組合時的控制方案和其他環(huán)節(jié)的控制策略。關(guān)鍵字：壓差控制,供水溫度控制，臺數(shù)控制，變流量控制0引言常見的空調(diào)二次泵水系統(tǒng)（其二次泵采用變速控制方式）及一次泵水系統(tǒng)分別如圖1a,b所示。通常水系統(tǒng)中冷水機組按定流量方式運行。隨著空調(diào)負(fù)荷的減少負(fù)荷側(cè)的需水量也減少，當(dāng)冷水機組的運行臺數(shù)不變時,超過用戶側(cè)需求部分的水量，在一次泵系統(tǒng)中,通過圖1b中的旁通調(diào)節(jié)閥從供水管流至回水管;在二次泵系統(tǒng)中，則是通過調(diào)節(jié)次級泵的轉(zhuǎn)速來滿足負(fù)荷側(cè)的需求，同時，初級泵總水量多出次級泵總水量部分由平衡管流回。理論上說如果把次級泵取消，將圖1b的一次泵系統(tǒng)直接改為水泵變流量運行，肯定比二次泵系統(tǒng)更為節(jié)能,同時系統(tǒng)也會變得較為簡單，這樣做是否可行?引發(fā)了許多同行的思索。用戶側(cè)—L—.一I一 為通電力閥 圖1 空調(diào)水系統(tǒng)圖當(dāng)冷水機組側(cè)為定流量運行時,通常冷水溫差控制在5?6°C，此時相當(dāng)于蒸發(fā)器管束內(nèi)的水流速在2.4?2.8m/s之間，冷水機組的效率和水泵的耗功率都達(dá)到較佳值。對于冷水機組變水量運行的要求，目前許多冷水機組生產(chǎn)廠家并沒有提出太多的異議，有的廠家資料還給出了蒸發(fā)器和冷凝器的水流速可以在1.07?3.66m/s之間變化的數(shù)據(jù)。當(dāng)供水溫度低于5.6C時，蒸發(fā)器內(nèi)水流速最低值為1.45m/s,相當(dāng)于最小流量在額定流量的28%?40%之間。為

了安全起見，要求運行時冷水機組的流量不得小于其最小流量，因此通常的做法是在機組冷水進(jìn)、出水管口之間設(shè)壓差控制器，當(dāng)流量減小、壓差降低到整定值時,冷水機組自動停機。通常國產(chǎn)離心式冷水機組的壓差整定值為10kPa,按蒸發(fā)器總阻力在50?100kPa之間變化來計算,對應(yīng)于10kPa整定值時的最小流量應(yīng)在額定流量的31.6%?44.7%之間變化。因此，冷水機組運行時，要求的流量下限必須高于壓差保護(hù)所對應(yīng)的最小流量否則不起保護(hù)作用，還有可能出現(xiàn)局部冰凍。從使用上來看，蒸發(fā)器流量過大或過小都是不合理的。過大會對管道造成沖刷侵蝕，過小會使傳熱管內(nèi)流態(tài)變成層流而影響冷水機組性能并有可能增加結(jié)垢速度。綜上所述,將冷水機組的下限流量定為其額定流量的50%?60%是有一定道理的。盡管下限流量越小，水泵的運行能耗越小,但安全是首要考慮的因素且系統(tǒng)綜合能耗也可能并不完全如此（與冷水機組的類型甚至不同的廠家品牌等因素有關(guān)）。在冷水機組的運行過程中，其供冷量應(yīng)滿足下式：Q=cAtG（1）式中Q為制冷量；c為比熱容；At為水溫差;G為流量。在通常的空調(diào)水系統(tǒng)中，冷水機組都是定流量運行的。即式⑴中G是一定的,c為常數(shù),因此冷水機組的供冷量只與水溫差有關(guān),所以離心式、螺桿式和吸收式冷水機組才能設(shè)計成固定的出水溫度以調(diào)節(jié)供冷量。定速離心機主要采用導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)蒸汽或熱水吸收式機組則根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)熱媒流量，變速離心機在負(fù)荷變化的全過程中同時調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速與導(dǎo)流葉片（分不同的區(qū)域采用不同的方式），直燃機則是由燃燒器追蹤高壓發(fā)生器溫度，同時調(diào)節(jié)溶液泵轉(zhuǎn)速使溶液的循環(huán)量始終隨負(fù)荷變化，后兩者的特點都是在負(fù)荷變化過程中調(diào)節(jié)兩個參數(shù)（或設(shè)備），目的都是為了減少能耗?？偟膩砜?，上述冷水機組的一個共同特點是:根據(jù)負(fù)荷側(cè)需冷量的變化，保持出水溫度不變，調(diào)節(jié)容量。從空調(diào)水系統(tǒng)本身來看,由于大多數(shù)表冷器具有非線性熱工特性,使得當(dāng)供水量減少時冷水溫差通常并不是固定不變的。因此，如果要冷水機組處于變流量工況下運行，進(jìn)出機組的水溫差和水流量都將發(fā)生變化。這時，必須根據(jù)實時的溫差和流量來計算實時的冷量需求以控制冷水機組制冷量。如果還是按照前述的定流量方式通過機組出水溫度來調(diào)節(jié)供冷量將與實際需求無法對應(yīng)，甚至有可能導(dǎo)致制冷量控制的不穩(wěn)定。另外一個要注意的問題是變流量冷水機組運行時其油冷卻器的冷卻。一般油冷卻器的出口油溫為30?45°C，通常采用冷水進(jìn)行冷卻。當(dāng)負(fù)荷減少時，對于機組定流量運行來說，油冷卻器的冷卻是有保證的（水量恒定）；但如果機組采用變流量方式運行,則必須向制造廠商提出保證油冷卻器冷卻水量的要求,因為不論供冷量大小，油冷卻器的發(fā)熱量基本上變化不大。當(dāng)其冷卻水量無法保證時,油冷卻器應(yīng)采用冷媒冷卻的方式。

1一次泵系統(tǒng)中冷水機組變流量控制方案1.1負(fù)荷側(cè)的冷量與流量特性表冷器供冷量通常通過電動兩通閥自動控制。當(dāng)空氣處理機組在定風(fēng)量方式下運行時,隨著需冷量的減少，電動兩通閥將自動關(guān)小，從而減少流過的水量，但同時表冷器水溫差將加大。當(dāng)空氣處理機組變風(fēng)量運行時，通常前半程由送風(fēng)溫度控制電動兩通閥，通過室溫控制末端裝置的風(fēng)量來達(dá)到對風(fēng)機總送風(fēng)量的控制;當(dāng)送風(fēng)量降至下限時（后半程），則由回風(fēng)（或室溫）直接控制電動兩通閥。在工程中,也有一些沒有設(shè)置末端裝置的變風(fēng)量系統(tǒng)，其控制方式通常是前半程由室溫直接控制風(fēng)機風(fēng)量，后半程與定風(fēng)量系統(tǒng)相同。對于風(fēng)機盤管而言，其兩通電動閥通常采用位式控制模式,打開時為設(shè)計流量,關(guān)閉時流量為零。在一個大工程中，可能有上述多種空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)形式并存,其對水系統(tǒng)總冷量與流量特性的綜合作用大致有3種情況，如圖2所示。圖2中曲線1反映空氣處理機組全部采用定風(fēng)量方式運行的情況曲線3反映多種風(fēng)系統(tǒng)并存且定風(fēng)量系統(tǒng)占較小比例的情況曲線2表示冷量與水流量呈線性關(guān)系。圖2空調(diào)水系統(tǒng)特性在圖1b系統(tǒng)中，假定冷水泵可以進(jìn)行變速運行，冷水機組與冷水泵一一對應(yīng)設(shè)置，冷水機組與冷水泵的運行臺數(shù)控制也一一對應(yīng)，那么對于節(jié)能來說是有利的。但是，如果特性曲線不同,采用的控制方式不同，對系統(tǒng)的影響是完全不同的。

1.2冷量與水流量特性為曲線1時，冷水機組和水泵臺數(shù)的控制假定采用總供水流量Gz來控制冷水機組的運行臺數(shù)。以3臺泵為例，通常以總流量的1/3,2/3作為臺數(shù)轉(zhuǎn)換的流量點，即：33%Gz,66%Gz,考慮控制的滯留區(qū)（主要是防止設(shè)備在該點頻繁動作）為8%Gz，則各轉(zhuǎn)換點的動作下限為:25%Gz,58%Gz。因此，確定臺數(shù)控制的方式為:a）增加流量（運行臺數(shù)增加）的過程中，0<GW33%Gz時，1臺機組運行;33%Gz<GW66%Gz時,2臺機組運行;G>66%Gz時，3臺機組運行。b）減少流量（運行臺數(shù)減少）的過程中,G>58%Gz時，3臺機組運行;25%Gz<GW58%Gz時,2臺機組運行;0<GW25%時，1臺機組運行。上述整個過程如圖3所示。圖3設(shè)備運行臺數(shù)控制過程示意圖但是，從圖2可以看出，當(dāng)流量下降至58%Gz時,系統(tǒng)的需冷量遠(yuǎn)大于2臺冷水機組的額定供冷量（66%Gz）,如果這時停止1臺機組運行會造成供冷量不足，其結(jié)果是供水溫度升高，表冷器冷卻能力下降，必然要求開大與表冷器相連接的電動兩通閥，從而導(dǎo)致用戶側(cè)水系統(tǒng)壓差下降而要求提高正在運行的2臺冷水泵的轉(zhuǎn)速。這時變成了一個增加流量過程，當(dāng)這2臺泵流量超過額定流量（由于電動兩通閥的不斷開大，系統(tǒng)阻力降至設(shè)計值之下是完全可能的）時,系統(tǒng)總流量已超過66%Gz,此時需要啟動第3臺機組，這時剛停運的機組又重新啟動，頻繁的啟停顯然不利于設(shè)備穩(wěn)定的工作且容易影響設(shè)備的使用壽命。

這時必須根據(jù)冷量來控制設(shè)備的運行臺數(shù)。當(dāng)流量下降至58%Gz時，由于用戶側(cè)的需冷量遠(yuǎn)大于2臺冷水機組的額定供冷量,因此冷水機組不能停止運行。同時，由于流量已降至冷水機組的下限流量值，故此時水泵不宜再降低轉(zhuǎn)速,因而這時冷水機組只能定流量運行，同時應(yīng)通過壓差旁通閥使多余的水流量旁通,直到用戶側(cè)的需冷量下降至58%時（圖2中對應(yīng)的用戶側(cè)的供水總流量為33%Gz,此時水泵的總流量仍然為58%Gz），才停止1臺機組及相應(yīng)的水泵。之后，逐漸關(guān)閉壓差旁通閥以使得用戶側(cè)供水總流量達(dá)到33%Gz的要求。整個過程如圖3所示。1.3冷量與流量特性為曲線3時,冷水機組和水泵臺數(shù)的控制由圖2可知，當(dāng)用戶側(cè)的需冷量減少至58%時,用戶側(cè)需要的流量大約為73%Gz,大于2臺泵的額定供水量。如果這時用冷量來作為機組臺數(shù)控制的依據(jù)，則停止1臺機組和相應(yīng)的水泵后，會導(dǎo)致總供水量不足。盡管表冷器所配的電動兩通閥會開大要求增加供水流量，但此時正在運行的2臺水泵流量已經(jīng)達(dá)到額定值,電動兩通閥的開大只會使系統(tǒng)水阻力降低而導(dǎo)致水泵的工作點向低揚程、大流量方向移動（右移），嚴(yán)重時可能造成水泵電機過載而發(fā)生事故。因此,與曲線1的情況相反，這時應(yīng)采用流量來控制運行臺數(shù)。只有當(dāng)系統(tǒng)需要的流量降至58%Gz時（圖2中，此時對應(yīng)的系統(tǒng)需冷量為45%），才能停止1臺機組和相應(yīng)水泵的運行。2臺向1臺轉(zhuǎn)換過程以此類推。對于曲線2的情況，由于冷量與流量的關(guān)系呈線性特性，因此無論用冷量還是流量方式來控制設(shè)備的運行臺數(shù)都是可行的。1.4水泵的轉(zhuǎn)速控制前面已述,水泵的啟停臺數(shù)與冷水機組一一對應(yīng)。對于水泵的轉(zhuǎn)速,通常的思路是根據(jù)用戶側(cè)水路的壓差通過變頻器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。從理論上講，水泵流量的變化與頻率的變化呈線性關(guān)系，但在實測中發(fā)現(xiàn)，由于水泵出口止回閥的作用，在低流量時，二者不是線性關(guān)系，而是隨頻率的降低越來越向下彎曲，尤其是低轉(zhuǎn)速時此點更為突出。變頻器的最大頻率一般不應(yīng)超過額定頻率的10%（55Hz）,最小頻率則與冷水機組的類型和水系統(tǒng)的要求有關(guān)即使同一冷水機組在不同應(yīng)用場所時其流量調(diào)節(jié)下限也是不同的。在本文中，流量的變化范圍為50%Gz?100%Gz，此范圍內(nèi)流量與頻率的變化基本上呈線性關(guān)系，因此流量降為50%Gz時,對應(yīng)的水泵變頻器頻率近似為25Hz。同時，變頻器在低負(fù)荷時的效率將下降，也不宜無限制地擴(kuò)大頻率變化范圍，只要能滿足流量調(diào)節(jié)的變化范圍即可。水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通常采用壓差控制。假定部分負(fù)荷率為qi,相應(yīng)負(fù)荷率下全年運轉(zhuǎn)時間百分?jǐn)?shù)為ti。以國內(nèi)某地夏季空調(diào)分布規(guī)律（見表1）并結(jié)合圖2中的曲線1,2,3來進(jìn)行分析。表1某建筑空調(diào)負(fù)荷分布規(guī)律

時% 10禁捫4。局和如昵901如W% 355.09.411M15.4醐一114.91?！?1土5對于曲線1,流量變化到下限值50%Gz?60%Gz時,冷量變化至額定值的75%?80%。由表1可算出，水泵低負(fù)荷運轉(zhuǎn)的總時間比例為35.3%?21.4%,流量調(diào)節(jié)下限越大和曲線1越向上凸，這個時間比例就越小，由此帶來的水泵變速總的節(jié)能效果是有限的。因此，在此情況下，是否采用水泵變速控制方案應(yīng)進(jìn)行較詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。也許采用冷水大溫差供、回水方案是一個較好的選擇（也應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較）。如果是曲線2,流量下限為50%Gz?60%Gz時，冷量也變化至額定值的50%?60%,由表1可算出低負(fù)荷運轉(zhuǎn)的總時間比例為70.8%?55.4%,節(jié)能效果明顯高于前者。對于曲線3,流量下限為50%Gz?60%Gz時,冷量已低于額定值的50%?60%,由表1可算出低負(fù)荷運轉(zhuǎn)的總時間超過了70%,是節(jié)能效果最好的。在圖2中，3臺冷水機組在運轉(zhuǎn)過程中，如果流量已降至50%Gz?60%Gz,當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)下降時，就不能再調(diào)節(jié)水量。流量調(diào)節(jié)的下限信號發(fā)出后，冷水機組由變流量運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成定流量運行，必須停止采用用戶側(cè)供、回水壓差來控制水泵變速的方式,而改用壓差控制供、回水管之間的旁通電動兩通閥，同時恢復(fù)采用冷水機組出水溫度進(jìn)行容量控制的措施。因此，設(shè)計采用初級泵變速控制時，壓差旁通電動閥是必不可少的。1.5供水溫度控制上述控制沒有涉及到冷水機組的供水溫度控制。對于一次泵系統(tǒng)而言，當(dāng)冷水機組采用變流量方案時，不可能像定流量運行那樣保持供水溫度不變來調(diào)節(jié)制冷量因為由于變流量運行,其供水溫度也是不斷變化的。對應(yīng)于某一個冷量，是改變供水溫度還是改變流量以及在變流量過程中供水溫度如何變化才能適應(yīng)需求,是此節(jié)要討論的問題。在冷水機組變流量運行時，其供水溫度傳感器不再起控制調(diào)節(jié)作用，它的主要用途是監(jiān)測水溫并通過設(shè)定水溫的上、下限對冷水機組起聯(lián)鎖保護(hù)作用。以離心式冷水機組為例，通常設(shè)置供水溫度低限保護(hù)：當(dāng)設(shè)定供水溫度為7°C時,其低限水溫通常為4°C;當(dāng)供水溫度設(shè)定為5°C時,其低限水溫通常為2°C。一旦供水溫度降至低限溫度時，冷水機組將會自動停機以防止機組內(nèi)水流速較緩的區(qū)域結(jié)冰,這也就是冷水機組不能在很低的供水溫度下運行的原因（蓄冰系統(tǒng)除外）。當(dāng)然，除了低限水溫保護(hù)外，冷水機組也還有其他的自動保護(hù)的功能，如:油壓或油壓差過低、電機線圈溫度過高、電機過載、軸承溫度過高、冷水或冷卻水?dāng)嗔?、冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之差過低（有些機組）或冷凝壓力過高或蒸發(fā)壓力過低、油溫過高等。對于非全天連續(xù)使用的空調(diào)系統(tǒng)（如為辦公室服務(wù)）來說，晚上或節(jié)假日機組停止運行后，系統(tǒng)內(nèi)冷水溫度會上升（停機時間較長時有可能會上升到與周圍的環(huán)境溫度相同）；白天通常會在上班前開機，將系統(tǒng)內(nèi)的冷水溫度逐漸降低至負(fù)荷側(cè)所需的溫度，在這個降溫過程中，通常并不需要冷水機組全部投入運行,而是通過負(fù)荷預(yù)測方式來確定其運行臺數(shù)。做法是:上班初次開機時，1臺初級泵（及相應(yīng)的冷水機組）全速運轉(zhuǎn),壓差旁通閥正常工作，待系統(tǒng)內(nèi)的水溫降至設(shè)定值的高、低限之內(nèi)時，再讓水泵作變流量運行，這時有以下4種情況。

1.5.1供水溫度達(dá)到高限而負(fù)荷側(cè)的電動兩通閥并沒有全開這種情況說明負(fù)荷側(cè)的冷量供應(yīng)是足夠的，供水溫度低于或供水流量高于實際需求。由于供水溫度已達(dá)到高限，不可能再提高,因此此時應(yīng)采用的方法是降低水泵的轉(zhuǎn)速，減小供水量。盡管由此也會帶來供水溫度的下降,但最終會達(dá)到一個平衡狀態(tài) 供水量低于額定流量且供水溫度在高、低限范圍內(nèi)，既節(jié)能又有利于冷水機組的運行。1.5.2供水溫度達(dá)到高限而負(fù)荷側(cè)的電動兩通閥已經(jīng)全開這種情況說明負(fù)荷側(cè)的冷量供應(yīng)不足。由于水閥已經(jīng)全開，說明水泵流量已經(jīng)達(dá)到額定流量（全速運轉(zhuǎn)），因此產(chǎn)生供冷量不足的原因是供水溫度過高。解決的方法是增大冷水機組的制冷量，使水溫降低以滿足負(fù)荷側(cè)的冷量需求。1.5.3供水溫度降至低限而負(fù)荷側(cè)的電動兩通閥并沒有全開這種情況說明冷水機組的供冷量是足夠的。從分析上看■，可以通過兩個辦法來解決。一是降低水泵的轉(zhuǎn)速，減少供水流量;二是調(diào)節(jié)并減少冷水機組的制冷量，提高供水溫度。從節(jié)能角度看，這兩種辦法各有利弊,前者因降低水泵轉(zhuǎn)速而節(jié)能，但冷水機組處于低供水溫度而使制冷效率下降;后者雖提高了冷水機組的效率，但水泵的運行能耗比前者大。從實際運行來看，采用前者且對冷水機組的容量不進(jìn)行調(diào)節(jié)時,流量的下降必定導(dǎo)致供水溫度的進(jìn)一步下降,這顯然是不能接受的（供水溫度已經(jīng)降至低限），因此，采用后者顯然更為合理。當(dāng)然，如果經(jīng)過詳細(xì)的計算后認(rèn)為保持冷水機組最低限供水溫度的同時降低水泵流量的方式更有利于節(jié)能的話，則也可以在降低水泵轉(zhuǎn)速的同時調(diào)節(jié)冷水機組的制冷量或者為了安全起見，先適當(dāng)調(diào)節(jié)制冷量以使水溫有所上升并保持（比如高于低限水溫1?2°C）的同時調(diào)節(jié)水泵流量。1.5.4供水