冰蓄冷系统运行及控制策略探讨

杨 宁,史维秀,谢朝国

(1.上海市安装工程有限公司采购中心设备部,上海,200080;2.天津大学热能系,天津,300072;3.广东省重工建筑设计院有限公司,广州,510030)

1 引言

冰蓄冷是近年来研究、发展的一种节能新技术,成为现代空调发展的一个重要方向[1]。冰蓄冷就是利用冰的相变潜热进行冷量的储存。蓄冷空调系统本身并不节电,但是它利用夜间低谷电力制冰,白天融冰制冷,实现了电网 “削峰填谷”,而且利用峰谷电价差可节省电费,为电网的生产和供应带来显著效益,避免因高峰时段供电不足而新建电厂的额外投资,特别适用于全天间断运行或峰谷负荷差较大的连续运行系统[2,3]。蓄冷空调系统相当于是 “不耗能”的发电厂。目前我国很多省市已实施分时电价,以鼓励用电单位在电负荷低谷用电,控制高峰用电量,实现对电网的 “削峰填谷”,缓解电力紧张,减少电力建设投资[4,5]。本文主要根据实际工程重点讨论乙二醇冰蓄冷系统的运行和控制策略。

2 工程概况

无锡国际会议中心 (君来广场)无锡君来洲际酒店总建筑面积113212m2,设计日尖峰冷负荷为11849kW。冷冻机房位于地下二层。冷冻水供回水温度为12/7℃。

本工程1～6层为裙楼,其中1～5层功能为餐饮,6层功能为娱乐,裙楼每层面积约为4000m2;7～35层为主楼,其中7～11层和13～19层功能为办公,21～35层功能为酒店,12层和20层为设备层,主楼每层面积约为1000m2。

本工程按冰蓄冷空调分量蓄冰模式设计,双工况螺杆主机和盘管为串联方式,主机位于盘管上游。经计算空调系统需配备空调工况制冷容量为3070kW(800RT)、制冰工况为1982kW(516.3RT)的双工况离心式冷水主机二台。双工况主机可分别在空调和制冰两种工况下运行。另配置制冷量为1343kW(350RT)的常规螺杆式主机两台作为基载,负担夜间全部负荷及白天部分负荷。

3 空调负荷分布

设计日全天的空调负荷分布如图1所示,“12所对应的点”表示上午11∶00-12∶00这个时间段的冷负荷值,该值为纵轴所对应的固定值。

图1 设计日空调负荷分布图

4 系统流程控制

根据气候特点和空调实际需求,蓄冰系统可按以下四种工作模式运行:

主机单独制冰:在24∶00～8∶00期间,双工况主机制冰蓄冷3070kW/h(800RT/h);

融冰单独供冷:此时不开主机,冷量由融冰提供,此模式可在春秋过渡季节或冷负荷较小期间运行;

主机与融冰联合供冷:当设计日或负荷较大时,选用该模式提供冷量;

主机单独供冷:该模式下,主机负责全部冷负荷。

4.1 双工况主机制冰工况

该工况的流程图如图2所示,在夜间利用优惠的低谷价和低峰负荷,双工况主机全力制冰,将制得的冷量储存在蓄冰装置中。在制冰工况下,由于乙二醇温度变化很大,故乙二醇循环泵的频率设置2个。

开始制冰时,控制程序设定乙二醇循环泵在制冰工况频率 (频率稍低),设定双工况主机的出口温度为-5.5℃(可调)开始制冰。

1)阀门状态:开启I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V4;关闭I-V2、I-V3;

2)运行顺序:I-V2、I-V3关闭 →I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V4开启→乙二醇泵 [定频运行,42Hz(可调)]→冷却水泵→冷却塔组→双工况主机 (开启在制冰工况)。

3)控制程序跟踪并显示乙二醇的温度。

4)系统处于此工况时,每半小时启动一台系统冷冻水泵,以防止板换冷冻水侧冷冻水冻结。

图2 双工况主机制冰流程图

注:(1)图中细实线管路为冷却水管路,粗实线管路为乙二醇管路,细虚线管路为冷冻水管路,粗虚线管路表示在该工况下无需运行的管路;

(2)阀门:粗线表示开启,黑色填充表示关闭,细线表示调节 (图2至图5均同)

制冰工况的控制方式为:

1)检测冰槽液位冰量传感器,计算冰槽当前冰量。

2)与双工况主机通讯,检测到主机的压缩机状态,水流状态和蒸发器的进出口温度,确保主机的安全。

3)检测冷却塔的出水温度,监测冷却塔的工作状态。

4)设定冷却塔出水温度的低温控制设定值(20℃,数值可调,调试后确定)和高温控制设定值(30℃,数值可调,调试后确定),通过冷却塔出水总管的温度变化,自动控制冷却塔风机的开启台数。当温度小于低温控制设定值时,停一台冷却塔风机;当温度大于高温控制设定值时,开一台冷却塔风机;每隔15分钟系统自检一次。

5)根据板换乙二醇侧的温度变化,定时启动一台冷冻水泵循环5～10分钟,防止板换水侧冻结。

6)设定蓄冰量,当前蓄冰量达到设定值时,或双工况主机出水温度低于保护温度时,或设定低谷电时间已到时,停止该工况运行。

7)由乙二醇系统定压装置控制乙二醇系统管道的定压值,并将乙二醇管道内的气体排出。

8)双工况主机乙二醇出口温度设定值为-5.5℃(可调)。

9)在谷电时段后半段,控制程序设定乙二醇循环泵在制冰工况频率二 (频率稍高)运行,以保证乙二醇的流量。

4.2 融冰单独供冷工况

该工况的流程图如图3所示,当系统指示融冰供冷,系统关闭所有双工况主机,由融冰提供全部冷量。

运行策略为:

1)阀门状态:开启I-V1a～b、I-V3;关闭I-V2a～b、I-V4;调节I-V1、I-V2。

2)运行顺序为:I-V1a～b、I-V2、I-V3关闭→I-V2a～b、I-V1、I-V4开启→系统冷冻水泵→乙二醇泵 (变频控制)。

3)乙二醇泵变频控制空调系统7℃(可调)的供水温度。

图3 融冰单独供冷工况流程图(图例见图2)

控制方式为:

1)检测冰槽冰量传感器,计算冰槽当前冰量。

2)设定融冰结束冰量100 RTh(384kWh)(可调),当前冰量小于设定值时,停止该工况运行,转入双工况主机单独供冷工况。

3)冷冻水供水温度控制设定值7℃(可调),运用PID计算,由板换二次侧出口温度传感器Ti4控制乙二醇泵的变频;由温度传感器Ti2(3.5℃,可调)控制电动调节阀I-V1、I-V2的开度,具体调节方式为,当Ti2温度升高,开大I-V1关小I-V2,当Ti2温度降低,开大I-V2关小I-V1。

4)由乙二醇系统定压装置控制乙二醇系统管道的定压值,并将乙二醇管道内的气体排出。

5)由冷冻水系统脱气定压装置控制冷冻水系统管道的定压值,并将冷冻水管道内的气体排出。

6)根据供回水压差设定值△P控制系统冷冻水循环泵的变频运行,当仅有一台系统冷冻水泵运行且频率低于30Hz(可调)并持续10分钟,改为由供回水压差设定值△P控制供回水压差旁通阀。

7)检测冷冻水流量传感器、冷冻水供回水温差来测算末端负荷。

8)控制程序跟踪并显示系统各传感器参数。

4.3 双工况主机单独供冷工况

该工况的流程图如图4所示,双工况主机单制冷工况为非标准工作模式,仅在夜间没有蓄存冰量或蓄冰装置故障或蓄存冰量已用完的情况下通过人工干预完成 (如果干预是指仅进行工况切换操作),对于双工况主机而言,控制程序设定乙二醇循环泵在主机单独供冷工况频率,设定双工况主机蒸发器的出口温度为5℃(可调)。

图4 双工况主机单独供冷工况流程图(图例见图2)

运行策略为:

1)阀门状态:开启I-V1a～b、I-V 2a～b、I-V2;关闭I-V1;调节I-V3、I-V4。

2)运行顺序:I-V1a～b、I-V2a～b、I-V2、I-V4关闭→I-V1、I-V3开启→系统冷冻水泵→乙二醇泵定频开启 (40 Hz,可调)→冷却水泵→冷却塔组→双工况主机 (开启在空调工况)。

3)控制系统可根据空调冷负荷的变化开启制冷主机与相应的水泵与冷却塔风机的数量。

4)由I-V3、I-V4来控制空调系统7℃(可调)的供水温度。

5)控制程序跟踪并显示冰蓄冷系统各传感器参数。

控制方式为:

1)与制冷主机通讯,适时检测主机的压缩机状态,水流状态和蒸发器的进出口温度,确保主机的安全。

2)检测冷冻水流量传感器、冷冻水供回水温差来测算末端负荷。

3)检测冷却塔的出水温度,监测冷却塔的工作状态。

4)设定冷却塔出水温度低温控制设定值(20℃,数值可调,调试后确定),高温控制设定值(30℃,数值可调,调试后确定)。

5)结合实际负荷情况,选择主机及相应的水泵、冷却塔风机开启台数。

6)冷冻水供水温度控制设定值7℃(可调),运用PID计算,由板换二次侧出口温度传感器Ti4控制I-V3、I-V4的开度,具体调节方式为,当Ti4温度升高,开大I-V3关小I-V4,当Ti4温度降低,开大I-V4关小I-V3。

7)当乙二醇回水温度Ti3≤7.5℃(可调)并持续15分钟 (可调),系统判断可停止运行一台双工况主机,反之则开启一台双工主机。

4.4 双工况机组与冰槽并联供冷工况

该工况的流程图如图5所示,双工况主机与蓄冰装置联合供冷工况包括主机优先联合供冷模式与融冰优先联合供冷模式。

图5 双工况机组与冰槽并联供冷流程图(图例见图2)

当系统需要联合供冷模式运行时,控制程序设定乙二醇泵在联合供冷工况频率,设定双工况主机的出口温度为5.0～7.0℃。

1)阀门状态:开启I-V1a～b、I-V 2a～b、I-V2;调节I-V1、I-V2、I-V3、I-V4。

2)运行顺序为:I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V2关闭→I-V3、I-V4开启→系统冷冻水泵→乙二醇泵 (定频运行,48 Hz,可调)→冷却水泵→冷却塔组→双工况制冷主机 (开启在空调工况)。

3)双工况主机优先减负荷运行,不足的冷量由融冰满足,控制系统通过温度传感器Ti2(3.5℃,可调)来调节电动阀I-V1和I-V2的开度;通过温度传感器Ti4(7℃,可调)来调节电动阀I-V3和IV4的开度。

4)根据空调冷负荷的变化启、闭制冷双工况主机与相应的水泵与冷却塔的数量。

5)主机台数控制:

①主机优先模式:开启2台双工况主机,主机出口温度设定为3.5℃。当主机进口温度Ti3≦8.5℃(可调),停掉一台主机,但仍开启2台乙二醇泵,反之,当供水温度Ti4持续10分钟≧7℃(可调)时,增开一台主机;

②融冰优先模式:

主机出口温度的设定按下式:

Tset=(L×3.516×0.86)×1.09/Q+Ti2

式中:

L—1小时的融冰量,RTh(kWh)[假设蓄冰量在空调运行的10小时内融完 (可按实际情况再调整),即每小时融冰量约为800RTh(3070kWh)(可调)];

Q—水泵运行总流量,m3/h;

Ti2—板式换热器的进口温度 (设定为3.5℃)

控制方式为:

1)检测冰槽液位冰量传感器,计算冰槽当前冰量。

2)设定融冰结束冰量100RTh(384kWh)(可调),当前冰量小于设定值时,停止该工况运行,转入双工况主机单独供冷工况。

3)冷冻水供水温度控制:设定值 (7℃,可调),运用PID计算,调节I-V3和I-V4的开度。

4)冰槽温度控制 (即板式换热器冷侧乙二醇入口温度,融冰优先模式):乙二醇出口温度控制设定值 (3.5℃),运用PID计算,调节I-V1和I-V2的开度。

5)通过检测冷却塔的出水温度,监测冷却塔风机的工作状态。

6)设定冷却塔出水温度。

7)结合实际负荷情况,控制冷冻水循环泵和乙二醇循环泵开启台数。

5 结论

蓄冷技术是一项促进能源、环境、经济协调发展的实用节能技术。冰蓄冷中央空调系统的节能涉及范围较广,是一个系统工程,合理的设计方案、精心的施工安装、科学的运行管理对冰蓄冷中央空调系统的节能都是至关重要的。本文主要从系统的运行及控制策略角度,结合无锡君来洲际酒店冰蓄冷中央空调系统具体特点和暖通空调相关技术理论,对冰蓄冷中央空调系统运行策略进行了分析探讨,该控制策略在实际应用中也起到很好的节能效果。

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