基于反饋—前饋控制的一次泵變流量系統設計

陳珊珊,姚善化

(安徽理工大學電氣與信息工程學院,安徽淮南232001)

0 引 言

通常情況下,中央空調制冷系統是根據滿載負荷設計的,當外在負載變化時,冷水機組雖然可以根據負荷調節出相應的冷量輸出,但因為冷凍水循環系統在冷水機組的蒸發器側的流量配置是固定不變的,冷凍水泵定流量運行,這樣使得空調系統中冷凍水泵不僅不會跟從主機的部分負荷運行而改變流量,也不會跟隨冷水機組的減載而減載。

近年來隨著智能樓宇控制技術、計算機網絡技術以及變頻調速技術的不斷發展,使得中央空調一次泵變流量系統的實現成為可能,從而完成從定流量到變流量的過渡。通常來說,冷水機組蒸發器水流量變化較大時,一定會導致冷水機組的出水溫度的劇烈波動,從而造成冷水機組運行不穩定,嚴重時蒸發器會產生結冰現象。所以在一次泵變流量系統中,變流量的關鍵取決于冷水機組的變流量性能,即機組本身對負荷變化的響應的速度決定了整個系統的節能潛力。現有一次泵變流量系統設計多依賴于冷水機組硬件的性能,本文中反饋—前饋控制器的設計則是從軟件方面提高冷水機組允許的流量變化率,這樣融合了先進自控技術的冷水機組通過供水溫度而變蒸發器側水流量控制機組負荷運行,從而保證冷水機組的出水溫度在允許的最大偏差范圍內正常平穩的運行。因此,當外在負載變化時,為了節約了蒸發器側冷凍水泵的能耗,冷水機組的蒸發器側的流量則會隨著用戶的需求而不斷變化,即冷凍水泵實現變流量,這樣整個系統方能實現真正的變流量運行。

1 一次泵變流量系統的基本原理

在一次泵變流量系統的設計中,不同與一次泵定流量系統的一臺冷水機組一定要對應一臺冷凍水泵,而是多臺冷水機組并聯對應多臺冷凍水泵并聯。當冷水機組運行時,總管的供回水溫差基本保持穩定,為了達到 “按需供應”,負荷側的流量變化必須控制著蒸發器側的流量變化,這樣當主機部分負荷時,冷凍水泵的供水量才可能降低,從而降低系統運行的能耗。一次泵變流量系統中,冷凍水泵控制末端冷量的多少,而供回水總管的溫差和流經蒸發器的流量決定了冷水機組生產的冷量,如圖1。需要增加一些自控設備,來實現負荷側流量對蒸發側流量的控制,即冷水機組的變流量及冷凍水泵的變流量。

圖1 一次泵變流量系統原理圖Fig.1 Principle of variable primary flow system

2 冷水機組的變流量

衡量冷水機組性能的兩個重要指標分別是冷水機組每分鐘允許流量變化率和流量變化范圍。冷水機組的流量變化范圍越大,空調系統的節能效果就越顯著。機組的每分鐘允許流量變化率越大,則空調變流量運行時,蒸發器側出水溫度波動就越小。

2.1 冷水機組允許的流量變化率

當用戶側的冷量需求還沒有滿足,而正在運行冷水機組已經接近滿載,即已經達到95%的滿載電流,這時系統應該執行加機命令來滿足負荷側冷量的需求,就是再開動一臺主機。在一次泵變流量系統中末端供回水管的壓差決定了冷凍水泵的流量,因為冷水機組和冷凍水泵是分別并聯連接,則它們的啟停也是各自獨立的,所以冷水機組與冷凍水泵之間不存在連鎖控制,因此,新加入的冷水機組與原先已運行的冷水機組平分水量,而冷凍水泵的臺數則不會變化,沒有跟進增加。假設在一個已經有一臺機組運行的空調系統中,若所有的冷水機組容量都相同,此時新加入一臺冷水機組,則將有一半的水量會被分配到這臺機組上。

在一次泵變流量系統中水泵要求并聯,水泵出水通過公共分集水器再分流到冷水機組上,在每臺冷水機組下游都要求設置一個開關量的電動兩通閥,如圖1所示。因為經過公共分集水器后,并聯的冷凍水泵的水量要分流到各個冷水機組上,從而造成冷水機組水量的變化,只要電動兩通閥的行程足夠慢,在機組啟停過程中單位時間承受的流量變化就會相對較小。

2.2 機組允許的流量變化范圍

機組允許的最低流量和最高流量之間是該機組允許的流量變化范圍。

蒸發側的水流速度在 3英尺/分鐘左右(0.914m/s到3.35m/s)。一般來講,為了提高蒸發器的換熱效果,流速越高越好;而從減少蒸發器震動和管壁磨損角度,流速越低越好。近年來通過研究和試驗,一些生產商已經可以將流速提升至1.5英尺/分鐘 (4.57m/s),這也推動了一次泵變流量系統的發展。允許的最低流量越小,系統節能的潛力就越大;而要降低蒸發器的最低流量,則要使蒸發器的回程盡可能的多。

2.3 冷水機組的反饋—前饋功能

合理的控制方法,控制策略能夠增大機組每分鐘允許的流量變化率。中央空調系統的實際負荷情況非常復雜,季節天氣的變化,建筑物內人員的流動以及設備的一些變動等都會引起負荷側冷量需求的變動,即實際負荷的不斷變化。把實際的冷機負荷作為干擾量,在反饋控制中,干擾造成被控制量的偏差,測得這個偏差后反饋消除,但在存在大滯后,大延遲性的空調系統中,僅僅使用反饋控制不能滿足人體的舒適度要求,所以必須加入前饋控制。對干擾進行實時的控制,即在干擾對被控制對象產生影響之前就對干擾進行矯正,而不是對已經造成的偏差進行處理,使得干擾完全消除,系統達到穩定運行。這樣相對于反饋控制對所有干擾的滯后補償,前饋控制反而能夠進行超前控制,但因為空調系統的復雜性,對所有干擾實行單獨的前饋控制又不太可能實現。所以綜合前饋和反饋的各自優勢共同組成的前饋—反饋控制器,則能實現控制過程的高精度控制要求。

圖2 反饋—前饋控制系統圖Fig.2 Feedback-feed-forward control system

如圖2,M(s)為可測干擾即冷機負荷,我們利用現行的冷負荷計算公式,根據各項負荷各個時刻的各種系數,從而計算出整個建筑的冷負荷;X(s)為出水溫度,Y(s)為回水溫度,在反饋系統中接入Gd(s)后,則變為動態的反饋—前饋控制,通過Gd(s)=G1(s)/G2(s),干擾對系統的影響可完全消除。

在一次泵變流量系統中,使用該反饋—前饋控制器不但可以根據冷水機組出水溫度變化調節機組負荷,還能反過來在已知進水溫度的變化量的前提下,根據機組負荷的變化來預測出水溫度的變化。因此使用該控制器的冷水機組每分鐘的允許的流量變化率將大大提高,可達到每分鐘30%。該控制器同時還能擴展蒸發器側的壓差補償,這樣離心式冷水機組的允許流量變化率可以近一步加大到每分鐘50%。

通過蒸發器的水流量短時間內減少一半后,常規冷水機組出水溫度和回水溫度會在相當長一段時間內失控,如圖3,溫度偏離時間長達25分鐘,而配備帶有反饋—前饋控制器的冷水機組則能快速穩定出水溫度,如圖4。

圖3 無前饋控制的機組Fig.3 Without the feedforward control unit

圖4 有前饋控制的機組Fig.4 Have the feedforward control unit

2.4 變流量的機組效率

冷水機組能耗也是衡量機組性能優劣的重要指標之一。在變流量的條件下,冷水機組部分負荷時,蒸發器工況與定流量運行時相比,能效比COP變化非常小。而在實際應用的多機并聯的一次泵變流量系統中,冷水機組的運行權重一般會保持在55%以上,這時的COP變化會更小。以500冷噸(1758kW)機組為例,其能耗比在機組不同負荷時,變流量機組在低負荷時變現了更好的節能效果,如圖5。

圖5 定流量與變流量機組能耗比較Fig.5 Comparison of energy consumption of variable flow and flow unit

3 冷凍水泵的變流量

3.1 變頻水泵運行

在不改變管路系統的前提下,變頻水泵的效率變化和水系統的阻力變化方向相一致,即冷凍水泵的能耗在理論上與水流量成3次方關系,根據公式:(W1/W2)2=P1/P2(式中W為水量,P為水阻),系統的阻力隨著部分負荷時流量的下降而下降。

在一次泵變流量系統中,機組蒸發器側的流量可以隨著負荷的變化不斷做出調整,這樣蒸發器側的水泵就不需全年保持滿負荷運行,在部分負荷運行時,冷水機組減小流量對應的冷凍水泵也會減小流量,同時為配合系統阻力的下降,水泵的揚程也相應減少。所以,水泵的變頻能夠為系統節約更多的能耗。

因為冷凍水泵與冷水機組之間的啟停相互獨立,則兩者的數量可以不一致。一般水泵可以多出一臺作為備用。為了滿足用戶側冷量的需求,一般用干管的末端壓差來控制變頻水泵流量;而冷水機組的啟停由機組運行電流來控制,用運行電流與額定電流的比值也可作為判斷加減機的邏輯依據。

在變頻變流過程中,水泵的效率變化不大,與系統的阻力特性相對吻合。

變頻水泵的變頻范圍通常會設置一個下限,如15Hz,低于該頻率運行會引起電動機散熱不暢甚至發生燒壞電動機等現象。

3.2 旁通控制閥

由于冷水機組蒸發器側變流量有范圍的限制,因此當用戶側流量超出冷水機組允許流量范圍時,需要旁通部分流量,用以保證通過蒸發器的水流量要高于冷水機組的最低允許流量。

所以,需安裝流量傳感器測量水系統的總流量,一般安裝在冷凍水回水干管上,通過總流量與用戶需求量的差值來控制旁通閥。一旦系統只剩最后一臺機組運行,當用戶側的冷量需求繼續下降直到系統僅有一臺機組運行,而該機組也達到其最低流量時,旁通控制閥動作,使得冷水機組的最小流量值為旁通流量值加上負荷側的流量值。這樣才能確保機組安全正常的運行。

由于水側壓差傳感器比精準的流量傳感器價格低,且壓差和流量有著一一對應關系,因此也可以用蒸發器側的壓差傳感器來代替流量傳感器,利用壓差推算蒸發器的流量。

4 結語

從一次泵定流量系統、二次泵變流量系統到一次泵變流量系統,是自動控制技術不斷探索進步的過程,是一個不斷尋找更合理的控制方案,控制策略的過程。而反饋—前饋控制器在一次泵變流量系統中的應用將進一步推動空調系統的節能降耗。

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