某異常冷凍站運行策略的優化*

王寒棟

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

針對某中央空調系統冷凍站出現的非常規操作現象，如長期采用一機多套泵、停運冷水機組水閥常開旁通水流等異常運行策略，文獻[1]對該冷凍站非常規運行策略的原因進行了分析，并提出了相應的意見和建議．分析運行數據發現，該冷凍站中停運冷水機組（如1#）水閥開啟與關閉時，同樣設備運行條件下，2#冷水機組的運行能效有明顯變化，說明采取開閥旁通的非常規運行策略會間接影響2#冷水機組的運行性能，因此有必要進一步分析運行策略對設備及冷凍站運行能耗的影響，探討較為合適的節能運行策略．

對于冷凍站尤其是冷水機組的運行策略及能效優化，已有眾多研究[2-12]等．但這些研究針對的是正常狀態下的冷凍站或冷水機組，對于異常或病態條件下的冷凍站或冷水機組運行策略及優化，尚無公開的文獻報道．但實際工程中往往又存在不得不在異常狀態下（或病態下）運行的冷凍站．因此，探討異常狀態下冷凍站的運行策略還是有必要的，可以為這類冷凍的管理優化提供借鑒與參考．本文在文獻[1]的基礎上，主要針對該冷凍站在現有條件下不同運行策略及其能耗等情況進行分析，提出改進運行策略．

已有分析表明該冷凍站水管路阻力存在嚴重問題，但在空調季節又不能加以有效處理，只能通過調節并聯蒸發器水閥開度與增加冷凍泵及冷卻泵運行臺數的方式，來減小整個水管路的阻力、增大總的冷凍水與冷卻水流量．而實際運行中，除應對水管管阻異常問題外，還應進一步確定并聯蒸發器水閥的開度大小、讓2#蒸發器的冷凍水流量達到額定流量、整個管路阻力又在可接受范圍，并分析水閥開關狀態對能耗的影響，盡可能減少該冷凍站的運行能耗，找到一種較為合適的節能運行策略．基于這一考慮，并依據現場調試后的初步結果，本文將選取4種不同的典型運行策略，對比分析其各項指標參數，探討較為節能的優化運行策略．

1 指標參數及其計算方法

2 不同運行策略及其綜合效果

文獻[1]已述及，該冷凍站包含3臺不同的冷水機組，但其經常性運行策略為：只運行1臺2#冷水機組，配套運行2臺冷凍泵、2臺冷卻泵，同時保持停機狀態的 1#和 3#冷水機組冷凍水閥和冷卻水閥常開狀態（以下稱為日常策略）．由于該冷凍站存在局部水管管阻異常，導致其不能采取“一機一套泵”（即一臺冷水機組配套一臺冷凍泵與一臺冷卻泵運行）的正常運行策略，導致系統運行能耗偏高．

為探究停機狀態的冷水機組水閥開度對能耗等的影響，經過初步調試與分析，針對該冷凍站選取了4種可行的運行策略進行了分析．4種策略中，均僅運行2#冷水機組且其水閥（指冷凍水閥和冷卻水閥，下同）全開，其余水閥設置及運行泵臺數為：1）1#、3#冷水機組水閥全關，運行2臺（2#3#）冷凍泵和2臺（3#4#）冷卻泵；2）1#、3#冷水機組水閥全開，運行2臺（2#3#）冷凍泵和2臺（3#4#）冷卻泵；3）1#冷水機組冷凍水閥開啟 50%、冷卻水閥開啟30%，3#冷水機組水閥全關，運行3#冷凍泵和3#冷卻泵；4）1#冷水機組冷凍水閥開啟50%、冷卻水閥關閉，3#冷水機組水閥全關，運行1臺冷凍泵和1臺冷卻泵．其中策略1）屬于用于考查停機狀態冷水機組水閥關閉的運行策略（簡稱閉閥策略）；策略2）是該冷凍站日常運行策略；策略3）是經過現場調試發現對冷凍水較為有利的閥門開度，用于考查冷凍水閥開度的影響；策略 4）主要考查1#機組冷卻水閥的影響．每種運行策略采用連續 1天的測試數據進行分析．

需要說明的是，對于1#、2#冷水機組水閥全開（3#機組水閥關閉）、運行2臺冷凍泵與2臺冷卻泵的運行策略也納入了考慮，但其呈現的特性與策略2）的情況很接近，可歸為同一類，故未將其再另外作為一類策略加入對比分析．

2.1 不同運行策略下的冷凍水及冷卻水流量對比

2.1.1 冷凍水與冷卻水總流量

4種運行策略下冷凍水和冷卻水的總流量各不相同，其中策略2）的冷凍水和冷卻水流量均最大，策略 1）的冷卻水流量居中但冷凍水流量最小，策略 3）和 4）的冷凍水、冷卻水流量均分別較為接近．即使策略1）和2）屬于同樣的冷凍泵和冷卻泵運行，其流量也相差很大．策略 1）中，所有水流均只流經2#冷水機組，盡管有2臺冷凍泵同時運行，實際的總冷凍水平均流量也只有64.1m3/h，不但比單臺泵的額定流量小，且波動非常大（如圖1所示，圖中橫坐標時序采樣周期序號以5 min為一個周期，如序號21為第21個采樣周期、對應為第105 min）；其冷卻水總流量則相對較為正常．

圖1 策略1）的冷凍水與冷卻水總流量

結合前文水管路阻力（水壓降）測試結果，不同運行策略下的冷卻水的流量特點可以解釋如下：以策略 1）運行時，2#冷凝器的水阻較為正常，故其水流量也較為正常；以策略2）運行時，雖然1#冷水機組冷凝器水阻大于2#，但由于2#和3#冷凝器冷卻水閥均全開，并聯減阻效應明顯，使得 2）的冷卻水總阻力減小、從而總流量相對較大；以策略3）運行時，雖然1#冷凝器水閥開啟了30%（未全開），但1#冷凝器冷卻水支路的水阻仍很大，并聯減阻效應并不明顯，綜合水阻接近但略小于2#冷凝器的水阻；策略4）中，冷水機組冷卻水管路的水阻純由2#冷凝器引起，因其水阻并未嚴重偏大，故其流量也較為正常，但略小于冷水機組的額定流量則說明 2#冷凝器水阻還是存在一定程度偏大的問題，應在可能情況下進行清洗除垢．從策略3）比4）的冷卻水流量略大但較接近的現象，可以推斷：一方面，1#冷卻水閥在小開度下對流量調節效果較差（閥的過流量很小，接近于未開啟狀態），總的冷卻水絕大部分經2#冷凝器流過，但其小開度會適當減小管路的總水阻；另一方面，這兩種策略中運行的冷卻泵不同，也可能因泵的性能差異而導致流量的差異；從綜合效果上看，關閉1#冷凝器水閥對2#冷凝器的冷卻水供水影響并不明顯．

此外，為考查1#冷凝器水阻的影響，選取了同時全開 1#和 2#冷水機組的全部水閥，但只運行 1臺冷凍泵和1臺冷卻泵的運行方式加以對比．結果表明冷卻水總流量與策略3）和4）的相當、仍小于1臺冷卻泵的額定流量．充分說明了是否開啟1#冷凝器水閥對改善冷卻泵的運行并沒有多大幫助．如果要利用冷凝器冷卻水的并聯減阻效應，也只能在運行2#冷水機組的同時，適當考慮開啟水阻較小的3#冷凝器水閥．

對冷凍水而言，由于 2#蒸發器的水阻遠大于1#蒸發器，導致運行策略1）沒有并聯減阻效應存在時，整個冷凍水管路阻力非常大，冷凍水流量很小，冷凍泵也只有在大揚程、小流量狀態下工作以滿足管路供水需求．一旦開啟其他水阻較小的冷水機組蒸發器水閥，如運行策略 2）～4），并聯減阻效應就非常明顯（由于 2#蒸發器的水阻比其他蒸發器大得太多），從而流量增大，冷凍泵也相應工作在大流量、較小揚程狀態下．策略3）和4）的冷凍水流量差異可能主要由不同冷凍泵的特性引起，但相差不大．

2.1.2 運行冷水機組的冷凍水流量

除總的水流量外，運行的2#冷水機組中的水流量變化更為重要．由于管路條件限制，沒有檢測每臺冷水機組的水流量，且冷卻水總管上也未安裝溫度傳感器，因此當有2臺冷水機組水閥開啟時，無法獲取各冷水機組的冷卻水流量．但對冷凍水而言，利用集、分水器總管上的溫度傳感器與總流量計，結合各冷水機組的運行參數，可以間接獲取各冷水機組的單獨冷凍水流量，上述4種策略中2#蒸發器冷凍水流量如圖2所示．

圖2 不同運行策略下2#蒸發器的冷凍水流量

圖2表明，除策略1）外，其余策略中2#蒸發器的冷凍水流量主要在70～90 m3/h內變化，基本上與額定流量接近，屬于可接受的正常范圍．策略1）的冷凍水流量則很不穩定，在26～96 m3/h之間劇烈波動，對應的2#蒸發器冷凍水壓降（水阻壓降）在2.30～2.43bar之間（如圖3所示，對應水頭損失約為23～24m），其水頭損失占到相應冷凍泵揚程的76.8%左右，極不正常．而且，雖然冷凍水流量波動劇烈，但蒸發器冷凍水壓降卻相對較為穩定，表明其管路阻抗系數S為非定值．根據管路的水力學原理，如果管路的阻抗系數S為定值，則該管路的水頭損失hl與管路中流量Q的平方成正比（即hl=SQ2），當流量大幅度變化時，管路的水頭損失即壓力降也應大幅度變化．例如，如果 2#蒸發器管路的冷凍水阻抗系數為定值且與單機測試時相同，則現有流量變化幅度下，對應的冷凍水壓降范圍應為 0.55～7.51bar，然而實際的壓降變化幅度只在 0.12bar以內．這種現象在與策略1）類似的工況均存在．即使是1#蒸發器冷凍水閥全部或部分開啟的策略2）～4），也能發現 2#蒸發器的冷凍水阻抗系數始終在變化中，流量變化與壓降變化的關系在幾種運行策略中并不固定，但策略3）和4）中則較為接近（蒸發器冷凍水壓降也較為接近）．這也進一步證實了之前的推斷：2#蒸發器所在的冷凍水支路中可能存在異常堵塞，且該堵塞不穩定，其過流斷面大小會隨水壓或流量的變化而隨機變化，且大壓差時的不穩定現象更加劇烈，從而導致大壓差時流量大幅度變化，其效果類似于自力式差壓調節閥（通過閥開度的變化改變流量大小而穩定閥前后的壓差），應拆除管道部件加以檢查和處理．

圖3 運行策略1）對應的2#蒸發器冷凍水壓降

因此可以認為 2#冷水機組蒸發器因管路阻力異常而導致其冷凍水流量異常，在未加處理時該機組蒸發器不宜單獨運行．2#冷凝器暫時可以單獨運行，但也應加以清洗除垢等，消除其水阻略微偏大的影響．

2.2 不同運行策略下指標參數對比及策略選優

2.2.1 基于相同運行時段的能耗等參數對比

為對比 4種運行策略對冷凍站及其主要設備的能耗影響（因4種策略中冷卻塔風機完全相同，只將其能耗納入總能耗中考慮，而不再單獨加以對比），選取各運行策略下同一時間段（8:30～16:20）的穩定運行數據進行對比分析．每種運行策略的樣本點均為95個（每5分鐘采樣一次）．運行策略1）、2）、4）對應的室外氣溫相差不大，均在30.4～36.1℃范圍，策略3）的室外氣溫范圍為29.6～31.9℃．對比時段中，能耗對比見表1，2#冷水機組平均COP2和冷凍站平均EER如圖4，冷凍水、冷卻水的平均輸送系數如圖5所示．

表1 不同運行策略的同樣運行時段內能耗對比 (kW)

圖4 不同運行策略的COP與EER

圖5 不同運行策略的冷凍水與冷卻水輸送系數

由表1可知，在能耗對比時段內，策略1）、2）和4）對應的室外氣溫相差不大，策略1）的冷凍站總能耗最大，策略 3）的總能耗最小但與策略 4）差異不大．然而對比冷水機組能耗等可發現，策略1）的冷水機組能耗最大、策略2）的最小，策略4）與1）的較為接近．說明只有2#冷凝器水閥開啟而關閉其余冷凝器水閥時，2#冷水機組的能耗會增大．這可能是由于此狀態下2#冷凝器的冷卻水流量小于額定流量，使得冷水機組的冷凝溫度升高，運行條件惡化而引起．策略3）的冷水機組能耗比4）的略小，可能主要是由于當天室外氣溫低于策略4）而導致的．策略3）和 4）中冷凍泵與冷卻泵能耗的差異可能主要是由于投入運行的泵不同引起，其中測得3#冷卻泵的功率比其他冷卻泵要大 30～50%，1#冷凍泵的功率比3#冷凍泵大20～35%左右，這也說明該冷凍站中同型號泵的實際能耗并不完全相同．

雖然策略3）和4）關閉或部分關閉其他冷凝器水閥會引起冷水機組的能耗增大，但由于投入運行的冷凍泵和冷卻泵臺數減少為各1臺，大大減少了泵的總能耗，使得冷凍站的總能耗仍呈現策略3）和4）相對較小、具有2套冷凍泵和冷卻泵運行的策略1）和2）總能耗相對較大．計算表明，在同樣運行時長內（室外氣溫略有差異），策略2）、3）、4）相對1）的冷凍站總能耗可分別減少10.6%、16.6%、15.9%；相應冷水機組能耗可相對減少24.1%、4.9%、0.2%，冷凍泵和冷卻泵的綜合能耗可相對減少-12.2%（“-”表示多耗能）、39.8%、46.2%．可見，策略2）～4）總體上均比策略1）節能，只是程度不同．

除能耗外，還可從COP、WTFchw、WTFcw以及EER等方面評判4種運行策略的合理性．依據國家標準[13]的規定，該冷凍站適用的典型工況下的COP、WTFchw、WTFcw限定值分別為 4.4、35、30．從COP的角度看（圖4），策略2）、3）和4）均較為理想，策略1）不可接受．從WTF的角度（圖5），則策略3）和4）較為合適，策略1）和2）不可接受．策略3）和4）的EER也相對較高，應優先加以選擇．

2.2.2 考慮PLR影響時的能耗與能效對比

上述對比只考慮了同一時間段內的總量或平均值，并未考慮各運行策略下負荷率PLR的影響．顯然，負荷不同，冷水機組的能耗也不同．為進一步分析PLR的影響，繪制各運行策略下全部運行時段冷凍站總能耗Ns、2#冷水機組能耗Nch2、EER與PLR的關系圖，如圖6所示．

圖6 不同策略下負荷率PLR與能耗、EER的關系

由圖6和表1可知，策略1）對應的負荷率較低，其能耗最大、EER最小；在同樣負荷率下，策略1）的總能耗與冷水機組能耗也最大．盡管策略2）與 3）、4）在同負荷率下冷水機組能耗基本相同，但2）的總能耗會略大．由于2）比3）、4）多運行1套冷凍泵和冷卻泵，導致其冷凍站EER明顯比3）和4）的小，如圖6（c）所示．分析表明，策略2）～4）中2#冷水機組的PLR加權平均COP分別比1）的提升了44.25%、49.64%和44.74%，冷凍站的PLR加權平均EER則分別比1）的提升了58.53%、126.96%和 116.97%．說明該冷凍站在局部水管管阻異常情況下，開啟或部分開啟停運狀態冷水機組的水閥、減少運行泵臺數可以使 2#冷水機組及冷凍站的能效得到較大程度的改善．

綜上所述，在目前條件下，該冷凍站系統較優的運行策略應該是3）和4）．對于冷凍水系統而言，該系統局部水管管阻異常的特殊性使得非常規操作反而具有一定的合理性，比正常操作多運行一套泵的閉閥策略 1）為最不合理，即在該異常冷凍站中關閉停機狀態冷水機組水閥的正常做法反而不合理．這應引起研究者和一線運維管理人員的重視．在評判哪種運行策略較為合適時，應從冷凍站總體能耗與能效出發，既不能單獨按冷水機組能耗、也不能單獨按冷凍泵與冷卻泵的能耗加以評判．否則，一味機械地照搬操作規程，可能會造成無謂的能源浪費，甚至導致運行故障．

3 總 結

針對某冷凍站運行中長期存在的異常運行策略，經過調測與分析，選擇4種典型運行策略探討了其對能耗等的影響．提出在現有局部水管管阻異常條件下，該冷凍站不適合采用閉閥運行策略，而是采用非常規的運行策略3）或4）才是較優的策略，可以在滿足運行要求的情況下盡可能減少冷凍站的總體能耗．

需要指出的是，這里所提的較優運行策略，只是在暫時不允許進行水管異常阻力處理的情況下不得已所采取的符合現狀、相對較為節能的運行措施，也只針對該冷凍站而言．要獲得更好的節能效果，還是應該解決該冷凍站水阻嚴重偏大的問題，在正常的管路條件下，節能運行策略才能得到真正的優化，也才更為合理．本文的意義在于，通過實例分析，證實了實際工程中不能簡單機械地認為常規操作總是正確的、合適的；同時也提醒相關人員對于一些非常規的冷凍站運行方式，不能一概而論簡單加以批判，而應仔細分析其背后的原因，找到合適的解決方案，達到在限制條件下盡可能節能減排的目的．

致謝：感謝深圳嘉力達節能科技有限公司提供現場調試與檢測等工程條件．