水電站啟停式熱泵系統送風溫度控制精度研究

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電廠，湖北 宜昌 443133）

1 引言

在中央空調系統中，變風量空調系統穩定控制送風溫度是進行室內溫度控制的基礎[1,2]。尤其是在水電站對送風溫度有特殊要求的場所，如機組單元控制室、電站計算機機房等，對送風溫度的控制精度要求較高。通常，送風溫度的控制是利用溫度傳感器測量實際的送風溫度, 并利用其與設定送風溫度的差值調節冷凍水供回水流量來實現[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備間控制要求, 魯棒性較差。當前，傳統的PID 控制使用最多。在PID 送風溫度控制過程中，冷凍水供水溫度的穩定性及大小將直接影響送風溫度的控制效果。

在系統中，冷凍水供水溫度的穩定性及大小取決于冷熱源系統的性能及工況。水電站常用熱泵機組為冷熱源，在某些水電站還利用水庫、主變等設備的二次冷卻水作為冷凍水在過渡季節進行調節。其控制方式主要為開關式控制及變容式控制基準。對于較小容量的熱泵機組，多采用開閉控制方法[5]。開/關控制的熱泵機組一般采用冷凍水回水溫度作為控制依據，即當冷凍水回水溫度高于設定溫度的上限值時，機組啟動，當冷凍水回水溫度低于設定溫度的下限值時，機組關閉[6]。在這種情況下，冷凍水供水溫度將隨主機的啟停大幅度變化，對控制末端設備間送風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。增加其穩定性[6]。而冷凍水回水溫度的設定值，則直接決定冷凍水供水溫度的整體大小（即緩沖水箱內的平均水溫大小）。設定值越低，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定值將直接影響送風溫度的控制精度。

本文針對目前水電站一般采用的啟停式熱泵空調系統，采用模擬仿真的手段對送風溫度的精確控制進行研究。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定值的大小對送風溫度控制精確的影響。

2 系統描述

本文研究的熱泵空調系統的原理圖如圖1 所示，設備間描述了一個水電站空調區域，面積為60 m2，設計負荷為240 W/m2。所選用的熱泵機組為小容量的渦旋式熱泵機組，其額定制冷量為17.2 kW，輸入功率為3.91 kW。壓縮機為定速壓縮機，由一個開關控制器根據冷凍水回水溫度進行控制，冷凍水回水溫度控制范圍為設定值的±1℃。冷凍水流量為0.822 kg/s，冷卻水流量為1.006 kg/s，冷卻水回水溫度認為始終保持不變為30℃。緩沖水箱的容量為0.75 m3。末端為定風量系統，風量為2 400 m3/h。

圖1 熱泵空調系統原理圖

熱泵機組為開/關控制模式，即當溫度傳感器測量的冷凍水回水溫度比設定的上限值高時，機組將啟動且滿負載運行；當冷凍水回水溫度比設定的下限值低時，機組將關閉，熱泵機組的最小運行時間和最小停機時間均為3 min。末端為定風量系統，即送風量不變，對室內溫度不做控制。送風溫度控制器即為PI控制器，通過實時監測的送風溫度與設定值的比較，采用PI 控制算法，對電動三通閥的開度進行控制，實現對冷水流量的調節，進而實現對送風溫度的控制。

3 仿真模型

本文采用TRNSYS[7]軟件建立系統仿真平臺，如圖2 所示，包括設備間模型[8,9]，熱泵機組模型[10]，冷凍盤管模型[8]，風機模型，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行器模型[12]。“Type9e”為TRNSYS 中自帶的數據讀取器模型，用以讀取設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，認為水箱是完全絕熱的且水箱內水溫分布均勻。

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為水箱內水的溫度，Tout,HP為熱泵機組的冷凍水供水溫度，cpw為水的定壓比熱容（kJ/kg·K）。

冷凍水泵和風機模型為定流量模型，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參數，如圖3 所示，不考慮太陽輻射。本次研究中，僅考慮送風溫度控制，設定值為16℃，室內溫度不做控制，送風量為2 400 m3/h，新風量為送風量的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溫度的控制效果進行對比。冷凍水回水溫度設定值為11℃，PI 的控制參數為Kp=2，Ti=60。如圖4 所示，給出了AHU 進水溫度（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 則給出了送風溫度的控制效果。從模擬結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，同時減少熱泵機組的啟停頻率。不加水箱時，冷凍水回水溫度遠超出控制范圍，這是由于當熱泵機組停機時，冷凍水供水溫度迅速升高，冷凍水回水溫度也隨之升高，在熱泵機組最小停機時間內已經超出控制范圍。冷凍水供水溫度大幅度的震蕩對末端送風溫度的控制產生巨大的干擾，使得PI 控制器很難將送風溫度控制在設定值，最大絕對偏差超過了1.5℃。當采用緩沖水箱時，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，對送風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溫度控制在設定值，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溫度的控制效果

4.3 冷凍水回水溫度設定值對送風溫度控制精度的影響

冷凍水回水溫度設定值是熱泵機組啟停控制的依據，由于熱泵機組運行時為滿負載運行且冷凍水流量為定流量，冷凍水回水溫度設定值大小決定了緩沖水箱中水溫的平均大小，進而影響送風溫度的控制效果。圖7 給出了不同冷凍水回水溫度設定值時送風溫度的控制精度。可以看出隨著冷凍水回水溫度設定值的增加，送風溫度的最大絕對偏差不斷加大，即控制精度不斷減小。通過對模擬數據進行分析，可以得到送風溫度控制的最大絕對偏差與冷凍水回水溫度設定值的關系，如式（2）表示。

圖7 不同冷凍水回水溫度設定值時送風溫度的控制精度

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

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

5 結論

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