水源熱泵控制系統(tǒng)

水源熱泵控制系統(tǒng)

水源熱泵作為一種用地下恒溫水源代替冷卻塔的高效節(jié)能空調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，還應(yīng)盡可能減少主機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵等主要耗能設(shè)備的用能。傳統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)使用定流量的運(yùn)行方式，水源熱泵主機(jī)本身具有能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)負(fù)載變化輸出的能量可以在額定值的25％-100％的范圍內(nèi)調(diào)整。但是，冷凍水泵和冷卻水泵卻不隨著負(fù)載變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，流量保持不變，導(dǎo)致水系統(tǒng)經(jīng)常在大流量、小溫差的工況下運(yùn)行，電能浪費(fèi)很大。采用定溫差變流量的水系統(tǒng)控制，可以避免這種浪費(fèi)。采用這種控制方式，可以把進(jìn)回水的溫差固定在一個較大的給定值上，在用戶負(fù)荷較小時，通過減少流量來滿足用戶要求，這樣水泵的能耗可以大大減少。隨著冷機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，蒸發(fā)器的流量可以在額定流量的60%-100%范圍內(nèi)變化，這樣就為采用交流變頻調(diào)速器對水源熱泵系統(tǒng)中的水泵進(jìn)行變流量節(jié)能控制提供了技術(shù)保證。本文將利用PLC、觸摸屏和變頻器對水源熱泵進(jìn)行變頻節(jié)能控制。2

變頻節(jié)能控制方案

采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元,其中冷卻水泵、冷凍水泵均采用溫度自動閉環(huán)調(diào)節(jié)，即用溫度傳感器對冷卻水、冷凍水的水溫進(jìn)行采樣,并轉(zhuǎn)換成電信號(一般為4-20mA,0-10V等)后送至PLC,通過PLC將該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較再作PID運(yùn)算后，決定變頻器輸出頻率,以達(dá)到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到節(jié)能目的。2.1

冷凍水系統(tǒng)

系統(tǒng)采用定溫差變流量的方式運(yùn)行，在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍水泵變頻器工作的最小工作頻率作為水泵運(yùn)行的下限頻率并鎖定；將電動機(jī)工頻設(shè)定為上限頻率，改變變頻器頻率就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量。另一方面，在系統(tǒng)運(yùn)行時，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)，一般冷凍水出水溫度設(shè)定為8-10℃,因此，只需控制高溫冷凍水(回水)的溫度,即可控制溫差。為了確保冷凍水的出水回水溫差在設(shè)定的范圍內(nèi)，方案采用溫度傳感器在冷凍水入口測量水溫T，并與PLC、變頻器及水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，將冷凍水回水溫度控制在△T（一般取5-7℃）。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，回水溫度跟著變化，控制系統(tǒng)跟著溫差的變化調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷凍水的流量，直到滿足新的負(fù)荷對冷凍水流量和溫差要求。圖1

冷凍水系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

當(dāng)水源熱泵系統(tǒng)首次起動時，電機(jī)在工頻下全速運(yùn)行，冷凍水系統(tǒng)充分循環(huán)一段時間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對頻率進(jìn)行無級調(diào)速。其目的是促進(jìn)冷凍水的流動，保證換熱效果。2.2

冷卻水系統(tǒng)

水源熱泵系統(tǒng)采用溫度不變的地下恒溫水源作為冷凝器的冷卻水源，負(fù)荷變化，冷凝器散發(fā)的熱量也會變化。取冷凝器兩側(cè)冷卻水的溫度作為控制參數(shù),維持溫差不變，采用溫度傳感器、PLC和變頻器及冷卻水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷卻水流量跟隨熱負(fù)載變化。系統(tǒng)在滿足冷卻需要的前提下,可以避免水泵全功率運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電的目的。

圖2

冷卻水系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖3

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1

水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備

以某醫(yī)院病房水源熱泵系統(tǒng)為例，有兩臺螺桿壓縮機(jī)，每臺輸入功率65kW，Y-△起動，每臺壓縮機(jī)帶有3個能量調(diào)節(jié)電磁閥，使壓縮機(jī)能分別工作在25%、50%、75%、100%能級。每臺壓縮機(jī)帶有排氣溫度過高保護(hù)，內(nèi)部溫度過高保護(hù)，高、低壓力保護(hù)，油壓差保護(hù)，均為開關(guān)量。系統(tǒng)有冷凍水泵兩臺(1臺備用)，功率均為11kW，冷卻水泵兩臺(1臺備用),功率均為15kW，每臺泵各匹配一個變頻器。系統(tǒng)設(shè)水流開關(guān)兩個,一個用于冷凍水水流，一個用于冷卻水水流，兩個水流開關(guān)中任何一個在斷時，壓縮機(jī)不能起動。這些設(shè)備和保護(hù)元件都需要檢測其運(yùn)行狀態(tài)和起、?？刂?，都是開關(guān)量。3.2

控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)分析和控制要求,系統(tǒng)安全運(yùn)行要求控制端計(jì)有:系統(tǒng)啟動/停機(jī)按扭2個,壓縮機(jī)排氣溫度保護(hù)2個,高、低壓保護(hù)4個,內(nèi)部溫度過高保護(hù)2個,油壓差保護(hù)2個,電機(jī)過流保護(hù)6個,水泵電機(jī)保護(hù)4個，水流繼電器2個,出水溫度過低保護(hù)1個,電源相序保護(hù)2個,共要求控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行輸入27個開關(guān)量以及4個模擬量信號，對這些信號進(jìn)行處理后，給出的控制信號包括：驅(qū)動水泵變頻器4個,驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)行6個,驅(qū)動壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)電磁閥6個，驅(qū)動水回路電磁閥2個,共計(jì)輸出開關(guān)量18個。

根據(jù)以上系統(tǒng)要求的輸入/輸出端數(shù)量和系統(tǒng)特性，選擇日本歐姆龍(OMRON)公司生產(chǎn)的PLC系列產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，包括有CP1H-XA40DR-A型號的PLC1臺，NT5Z-ST121B-EC型號的觸摸屏1臺，3G3RV系列的變頻器4臺，CPM1A-TS102型號溫度傳感器單元1臺組成。其中觸摸屏和變頻器通過RS-485串行通訊接口連接到PLC。溫度傳感器單元通過其所帶的擴(kuò)展I/O連接電纜和PLC相連，4路Pt100直接連接在溫度傳感器單元的接線端。遮

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