基于反馈—前馈控制的一次泵变流量系统设计

2012-08-03陈珊珊姚善化

制冷 2012年4期

陈珊珊,姚善化

(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001)

0 引言

通常情况下,中央空调制冷系统是根据满载负荷设计的,当外在负载变化时,冷水机组虽然可以根据负荷调节出相应的冷量输出,但因为冷冻水循环系统在冷水机组的蒸发器侧的流量配置是固定不变的,冷冻水泵定流量运行,这样使得空调系统中冷冻水泵不仅不会跟从主机的部分负荷运行而改变流量,也不会跟随冷水机组的减载而减载。

近年来随着智能楼宇控制技术、计算机网络技术以及变频调速技术的不断发展,使得中央空调一次泵变流量系统的实现成为可能,从而完成从定流量到变流量的过渡。通常来说,冷水机组蒸发器水流量变化较大时,一定会导致冷水机组的出水温度的剧烈波动,从而造成冷水机组运行不稳定,严重时蒸发器会产生结冰现象。所以在一次泵变流量系统中,变流量的关键取决于冷水机组的变流量性能,即机组本身对负荷变化的响应的速度决定了整个系统的节能潜力。现有一次泵变流量系统设计多依赖于冷水机组硬件的性能,本文中反馈—前馈控制器的设计则是从软件方面提高冷水机组允许的流量变化率,这样融合了先进自控技术的冷水机组通过供水温度而变蒸发器侧水流量控制机组负荷运行,从而保证冷水机组的出水温度在允许的最大偏差范围内正常平稳的运行。因此,当外在负载变化时,为了节约了蒸发器侧冷冻水泵的能耗,冷水机组的蒸发器侧的流量则会随着用户的需求而不断变化,即冷冻水泵实现变流量,这样整个系统方能实现真正的变流量运行。

1 一次泵变流量系统的基本原理

在一次泵变流量系统的设计中,不同与一次泵定流量系统的一台冷水机组一定要对应一台冷冻水泵,而是多台冷水机组并联对应多台冷冻水泵并联。当冷水机组运行时,总管的供回水温差基本保持稳定,为了达到 “按需供应”,负荷侧的流量变化必须控制着蒸发器侧的流量变化,这样当主机部分负荷时,冷冻水泵的供水量才可能降低,从而降低系统运行的能耗。一次泵变流量系统中,冷冻水泵控制末端冷量的多少,而供回水总管的温差和流经蒸发器的流量决定了冷水机组生产的冷量,如图1。需要增加一些自控设备,来实现负荷侧流量对蒸发侧流量的控制,即冷水机组的变流量及冷冻水泵的变流量。

图1 一次泵变流量系统原理图Fig.1 Principle of variable primary flow system

2 冷水机组的变流量

衡量冷水机组性能的两个重要指标分别是冷水机组每分钟允许流量变化率和流量变化范围。冷水机组的流量变化范围越大,空调系统的节能效果就越显著。机组的每分钟允许流量变化率越大,则空调变流量运行时,蒸发器侧出水温度波动就越小。

2.1 冷水机组允许的流量变化率

当用户侧的冷量需求还没有满足,而正在运行冷水机组已经接近满载,即已经达到95%的满载电流,这时系统应该执行加机命令来满足负荷侧冷量的需求,就是再开动一台主机。在一次泵变流量系统中末端供回水管的压差决定了冷冻水泵的流量,因为冷水机组和冷冻水泵是分别并联连接,则它们的启停也是各自独立的,所以冷水机组与冷冻水泵之间不存在连锁控制,因此,新加入的冷水机组与原先已运行的冷水机组平分水量,而冷冻水泵的台数则不会变化,没有跟进增加。假设在一个已经有一台机组运行的空调系统中,若所有的冷水机组容量都相同,此时新加入一台冷水机组,则将有一半的水量会被分配到这台机组上。

在一次泵变流量系统中水泵要求并联,水泵出水通过公共分集水器再分流到冷水机组上,在每台冷水机组下游都要求设置一个开关量的电动两通阀,如图1所示。因为经过公共分集水器后,并联的冷冻水泵的水量要分流到各个冷水机组上,从而造成冷水机组水量的变化,只要电动两通阀的行程足够慢,在机组启停过程中单位时间承受的流量变化就会相对较小。

2.2 机组允许的流量变化范围

机组允许的最低流量和最高流量之间是该机组允许的流量变化范围。

蒸发侧的水流速度在 3英尺/分钟左右(0.914m/s到3.35m/s)。一般来讲,为了提高蒸发器的换热效果,流速越高越好;而从减少蒸发器震动和管壁磨损角度,流速越低越好。近年来通过研究和试验,一些生产商已经可以将流速提升至1.5英尺/分钟 (4.57m/s),这也推动了一次泵变流量系统的发展。允许的最低流量越小,系统节能的潜力就越大;而要降低蒸发器的最低流量,则要使蒸发器的回程尽可能的多。

2.3 冷水机组的反馈—前馈功能

合理的控制方法,控制策略能够增大机组每分钟允许的流量变化率。中央空调系统的实际负荷情况非常复杂,季节天气的变化,建筑物内人员的流动以及设备的一些变动等都会引起负荷侧冷量需求的变动,即实际负荷的不断变化。把实际的冷机负荷作为干扰量,在反馈控制中,干扰造成被控制量的偏差,测得这个偏差后反馈消除,但在存在大滞后,大延迟性的空调系统中,仅仅使用反馈控制不能满足人体的舒适度要求,所以必须加入前馈控制。对干扰进行实时的控制,即在干扰对被控制对象产生影响之前就对干扰进行矫正,而不是对已经造成的偏差进行处理,使得干扰完全消除,系统达到稳定运行。这样相对于反馈控制对所有干扰的滞后补偿,前馈控制反而能够进行超前控制,但因为空调系统的复杂性,对所有干扰实行单独的前馈控制又不太可能实现。所以综合前馈和反馈的各自优势共同组成的前馈—反馈控制器,则能实现控制过程的高精度控制要求。

图2 反馈—前馈控制系统图Fig.2 Feedback-feed-forward control system

如图2,M(s)为可测干扰即冷机负荷,我们利用现行的冷负荷计算公式,根据各项负荷各个时刻的各种系数,从而计算出整个建筑的冷负荷;X(s)为出水温度,Y(s)为回水温度,在反馈系统中接入Gd(s)后,则变为动态的反馈—前馈控制,通过Gd(s)=G1(s)/G2(s),干扰对系统的影响可完全消除。

在一次泵变流量系统中,使用该反馈—前馈控制器不但可以根据冷水机组出水温度变化调节机组负荷,还能反过来在已知进水温度的变化量的前提下,根据机组负荷的变化来预测出水温度的变化。因此使用该控制器的冷水机组每分钟的允许的流量变化率将大大提高,可达到每分钟30%。该控制器同时还能扩展蒸发器侧的压差补偿,这样离心式冷水机组的允许流量变化率可以近一步加大到每分钟50%。

通过蒸发器的水流量短时间内减少一半后,常规冷水机组出水温度和回水温度会在相当长一段时间内失控,如图3,温度偏离时间长达25分钟,而配备带有反馈—前馈控制器的冷水机组则能快速稳定出水温度,如图4。

图3 无前馈控制的机组Fig.3 Without the feedforward control unit

图4 有前馈控制的机组Fig.4 Have the feedforward control unit

2.4 变流量的机组效率

冷水机组能耗也是衡量机组性能优劣的重要指标之一。在变流量的条件下,冷水机组部分负荷时,蒸发器工况与定流量运行时相比,能效比COP变化非常小。而在实际应用的多机并联的一次泵变流量系统中,冷水机组的运行权重一般会保持在55%以上,这时的COP变化会更小。以500冷吨(1758kW)机组为例,其能耗比在机组不同负荷时,变流量机组在低负荷时变现了更好的节能效果,如图5。

图5 定流量与变流量机组能耗比较Fig.5 Comparison of energy consumption of variable flow and flow unit

3 冷冻水泵的变流量

3.1 变频水泵运行

在不改变管路系统的前提下,变频水泵的效率变化和水系统的阻力变化方向相一致,即冷冻水泵的能耗在理论上与水流量成3次方关系,根据公式:(W1/W2)2=P1/P2(式中W为水量,P为水阻),系统的阻力随着部分负荷时流量的下降而下降。

在一次泵变流量系统中,机组蒸发器侧的流量可以随着负荷的变化不断做出调整,这样蒸发器侧的水泵就不需全年保持满负荷运行,在部分负荷运行时,冷水机组减小流量对应的冷冻水泵也会减小流量,同时为配合系统阻力的下降,水泵的扬程也相应减少。所以,水泵的变频能够为系统节约更多的能耗。

因为冷冻水泵与冷水机组之间的启停相互独立,则两者的数量可以不一致。一般水泵可以多出一台作为备用。为了满足用户侧冷量的需求,一般用干管的末端压差来控制变频水泵流量;而冷水机组的启停由机组运行电流来控制,用运行电流与额定电流的比值也可作为判断加减机的逻辑依据。

在变频变流过程中,水泵的效率变化不大,与系统的阻力特性相对吻合。

变频水泵的变频范围通常会设置一个下限,如15Hz,低于该频率运行会引起电动机散热不畅甚至发生烧坏电动机等现象。

3.2 旁通控制阀

由于冷水机组蒸发器侧变流量有范围的限制,因此当用户侧流量超出冷水机组允许流量范围时,需要旁通部分流量,用以保证通过蒸发器的水流量要高于冷水机组的最低允许流量。

所以,需安装流量传感器测量水系统的总流量,一般安装在冷冻水回水干管上,通过总流量与用户需求量的差值来控制旁通阀。一旦系统只剩最后一台机组运行,当用户侧的冷量需求继续下降直到系统仅有一台机组运行,而该机组也达到其最低流量时,旁通控制阀动作,使得冷水机组的最小流量值为旁通流量值加上负荷侧的流量值。这样才能确保机组安全正常的运行。

由于水侧压差传感器比精准的流量传感器价格低,且压差和流量有着一一对应关系,因此也可以用蒸发器侧的压差传感器来代替流量传感器,利用压差推算蒸发器的流量。