区域供冷系统冷水输配运行控制分析

深圳市前海能源科技发展有限公司 罗曙光 王朝晖 旷金国

0 引言

区域供冷系统包括制冷系统和冷水输配系统两部分，其中，制冷系统指由制冷机、水泵、冷却塔、蓄冷设备等构成的制冷站，冷水输配系统包括冷水输送水泵、冷水外管网、用户换热站等。区别于单栋建筑的集中制冷机房系统，区域供冷系统的冷水输送系统功率大，功率变化范围也大，用户用冷规律有区别，因此冷水的输配运行控制面临更多的工况，增加了冷水输配系统运行与控制的复杂性，同时也增大了冷水输配的灵活性。合理优化运行控制策略，可以提升系统能效，降低运行成本。

针对空调系统或区域供冷系统的控制研究有不少报道[1-5]，研究方法从传统的机理控制模型逐渐发展到目前流行的大数据人工智能建模。区域供冷输配系统运行控制的目标是满足用户用冷需求、提高能效、降低运维成本、保证系统可靠性。区域供冷运营单位与用户的供冷协议中，一般会约定换热子站用户侧冷水供水温度(通常为7 ℃)，区域供冷输配系统需要精确控制用户侧供水温度，保证不高于约定温度。本质上，在保证制冷站供水温度的条件下，对区域供冷输配系统用户侧供水温度精确控制，就是对冷水流量的精确控制，同时也能达到提高能效和可靠性、降低运维成本的目的。没有合理的水力工艺设计与设备选型作支撑，控制系统将成为空中楼阁。

冷水输配系统主要控制设备有2种，即制冷站的变频输送水泵和换热站的流量控制阀。通常的设计理念是在换热站管网接口满足最小要求压头条件下，换热站控制阀能够独立实现二次侧供水温度的自动控制，而输送水泵则负责为换热站管网接口提供足够的压头。输送水泵的控制方式是调节水泵运行频率与台数；换热站控制阀调节方式则是调节阀门开度。区域供冷系统的特点是服务地块与用户众多，各地块出让进度不确定，各用户接入管网与入住进度不同，各用户在管网中的位置不同，运行过程中的用冷规律也各不相同，导致在时间与空间上，每个换热站都有个性化的需求，这就为换热站控制工艺设计增加了难度。一个能够实现独立自动调节控制、适应各种运行条件的换热站工艺设计，是区域供冷系统实现自动控制的关键。这就需要从输配系统整体工艺与控制分析出发，分析输配系统各种运行工况，分析主要设备在系统层面的互相影响，确定输送水泵与换热站未来进一步独立研究的边界条件。

本文从区域供冷输配系统工艺出发，分析0～100%负荷率下，输送水泵与换热站可能的各种运行工况，并在此基础上，研究制冷站输送水泵选型、换热站工艺配置及流量控制阀选型，以及水泵、控制阀运行参数的确定对冷水输配系统运行控制的影响，同时分析输送泵与换热站控制阀的协调控制运行，并结合深圳前海区域供冷项目，对冷水输配系统的实践经验进行分析。

1 冷水输送泵的运行控制分析

1.1 冷水输配系统工艺与水泵选型

区域供冷系统精确控制用户侧供水温度需要通过冷水输配系统整体控制来实现，包括制冷站内的冷水输送水泵、冷水外管网、用户换热站等。区域供冷冷水输配系统工艺如图1所示，包括输送水泵、用户换热站及输送管网。输送水泵将制冷站的冷水通过外管网送到各个用户换热站，同时为换热站冷水流量控制提供足够的扬程。目前区域供冷系统提供给最不利供冷换热站的预留资用压头为12 m，通常最不利供冷换热站为制冷站最远端换热站。

图1 区域供冷冷水输配系统工艺图

冷水输配系统一般采用变流量系统，根据用户的冷负荷需求，调节输送泵的频率与运行台数，以调节管网的输送流量。以深圳前海10号制冷站为例，该制冷站设计供冷能力为7.7万kW，供冷面积110万m2，配置7台变频泵，六用一备，输送水泵装机流量与扬程均按照制冷站满负荷选型，流量按照冷水供/回水温度3 ℃/12 ℃选择，运行时，用户负荷变化范围为0～7.7万kW，需要调节输送泵运行频率与台数，使系统在0～100%负荷率范围内连续运行。需要说明的是，由于设计过程中出于保守考虑，冷负荷取值偏大，所以实际调节范围达不到100%。

合理选择水泵参数需要对用户用冷规律进行分析。图2显示了深圳市典型办公楼全年冷负荷率累计时间，纵坐标冷负荷率指小时用冷负荷与设计冷负荷的比值，横坐标全年冷负荷率累计时间指全年大于该冷负荷率的累计时间。从图2可以看出，在100%入住率情况下，全年超过80%负荷率的累计时间为140 h，说明用户全年绝大部分的时间在80%以下的冷负荷率下运行。当用户入住率为75%时，全年超过60%负荷率的累计时间为140 h。

图2 深圳市典型办公楼全年冷负荷率累计时间

以上规律同样适用于由多个办公楼组成的区域供冷系统。对于区域供冷系统，冷负荷率为区域供冷总冷负荷率，即区域内用冷总负荷/制冷站供冷能力，入住率需要相应采用区域内总入住率。

当总入住率达到75%时，全年超过60%负荷率的累计时间也不超过140 h，说明区域供冷输配系统绝大多数时间处于60%负荷率以下运行。

图3显示了深圳前海10号制冷站输送水泵特性曲线与水泵工作区域的关系。对于有多个用户的外管网来说，即使制冷站管网有同样的负荷率，或者说制冷站有同样的总供水流量，但是由于各用户不同的负荷率组合，导致沿管程的流量分布不同，管网阻力也不同，从而使系统阻力曲线与水泵特性曲线有不同的交叉点，所以水泵工作区域是一个范围(图3中阴影部分)。

图3 冷水输送泵特性曲线与水泵工作区域

从图3可以看出：当总冷负荷率达到40%时，由于管网内水流平均流速只有40%，管网的压降只有设计压降的16%，也就是5 m，水泵扬程平均只有17 m，其中包括12 m的最不利末端换热站资用压头；当总冷负荷率达到60%时，水泵扬程平均为24 m。可见，在绝大部分时间内，冷水输配系统水泵在小扬程范围内运行，远小于现有的水泵设计扬程46 m。如何结合系统节能运行，综合考虑区域供冷系统冷负荷变化，以及输配系统阻力和水泵工作区域，是输送水泵合理选型的关键，包括水泵台数、水泵流量与扬程、变频高效区等，选型因素不但要考虑满负荷运行工况，还要考虑变频运行工况。

图3为水泵选型的依据。在设计满负荷工况下，6台水泵全开，且在100%转速下运行，6台水泵并联运行的特性曲线与系统阻力曲线交点为A，此时A点的扬程刚好为水泵设计扬程，对应100%负荷率的6台水泵总流量也刚好为管网设计流量；如果在44%负荷率下运行，即B点，则可以选择3台水泵70%转速运行，也可以选择6台水泵60%转速运行，在水泵组合选型时要考虑水泵效率，保证水泵组合能运行在高效区；在0～8%(C点)负荷率区间时，考虑到通用水泵电动机发热的影响，水泵运行最小转速比设置为50%，此时开1台水泵，水泵运行扬程大于对应流量的系统阻力，需要板式换热器间阀门配合调节，把多余的换热站管网压头平衡掉。对于接近零负荷率(零流量)工况，则要考虑为水泵配置专用变频电动机，使之运行在更低转速下，比如30%，从而匹配相应的系统阻力和流量，同时还工作在高效区域。

根据不同负荷率工况对水泵进行优化选型，并合理制定运行策略，以降低水泵运行能耗。关于输送水泵能耗对供冷损失的影响分析，可以参考文献[6]。

另外，由于设计冷负荷一般取值偏大，往往造成管网偏大，水泵设计扬程与流量大于实际需求，造成在水泵选型阶段出现偏差，给运行的精确调节控制带来一定困难，这就对合理选择水泵台数、设计扬程、设计流量、变频范围等提出了更高要求。

1.2 冷水输送泵运行控制实践

以深圳前海10号制冷站为例进行分析，该制冷站2019年7月开始运行。2020年用户主要为A大厦与B学校，供冷面积分别为5.4万m2与4.0万m2，入住率均为100%。2021年接入C、D、E用户，供冷面积分别为12.7万、5.8万、7.6万m2。2021年上半年处于调适阶段，预期2022年这些用户满负荷运行。计算可得，2020年制冷站用户的总入住率为8%，2022年用户的总入住率可达28%。

在系统运营初期，区域用户负荷相对较小。由于区域供冷项目冷水输送泵扬程往往都比较大，在很长时间段内，即使水泵按照最低频率运行，冷水流量都会大于系统所需流量，导致运行能耗较高。图4显示了某个时段内制冷站总管压降与用户换热站总管压降的变化。从图4可以看出，换热站总管压降基本稳定在14 m，制冷站总管压降基本稳定在14.8 m，外管网供水管道沿程压降不到1 m。换热站的压降基本接近制冷站的压降，所以在小负荷时，外管网沿程压降非常小，输送水泵的扬程也比较小，接近换热站总管压降。需要注意的是，图4中的换热站总管压降14 m大于设计的12 m，这与图3中50%转速时的运行数据一致，水泵扬程高于系统阻力的部分压头由换热站的阀门调节消除。以上分析表明，现有单台水泵的设计扬程与流量选型偏大，或者电动机最小转速不够低，根据区域供冷系统大部分时间在较小负荷率下运行的实际情况，配置可以变频到更低转速的电动机，或者配置小扬程、小流量变频输送水泵，可以优化小负荷率工况运行。

图4 制冷站与用户换热站总管压降变化曲线

2 用户换热站的运行控制分析

2.1 用户换热站的工艺系统与阀门选型

图5为典型换热站工艺原理图，通过控制阀调节一次侧管网流量，实现板式换热器的换热量调节，从而根据用户侧冷负荷，达到控制板式换热器二次侧供水温度(7 ℃)的要求。其中，换热站总管压降Δp由输送水泵承担，除了供回水管网沿程压降，水泵的扬程主要用于克服换热站阻力，作为控制阀调节流量的水流驱动力。当冷负荷增大，换热站总管压降小于12 m时，增大水泵运行频率或增加运行台数，以增大管网输送冷水量，从而达到提高换热站总管压降的要求。

注：Δpv为控制阀门压降；Δph为板式换热器压降；Δpf为过滤器压降。图5 换热站工艺原理图

对于换热站水路，有

Δp=Δpv+Δph+Δpf+Δpp

(1)

式中Δpp为换热站水路管道及管件压降，kPa。

精确控制二次侧供水温度，需要精确控制一次侧供水流量，这个过程由流量控制阀实现。对于冷水控制阀，流量与压降的关系可表示为[7]

式中 Q为流量，m3/h；Kv为阀门流量系数，m3/h。

控制阀选型参数包括最大控制流量Qmax、最小控制流量Qmin、控制水路总管压降为12m时阀门全开的压降Δpvo等。

对于换热站水路只有一个控制阀的系统，压降为Δpv时，最大与最小流量可分别表示为

则阀门的可调比可表示为

式中 R为控制阀理想可调比，是最大控制流量与最小控制流量的比值，也等于最大流量控制系数与最小流量控制系数的比值，可调比决定了阀门的控制精度。

不同类型的控制阀门有不同的理想可调比，蝶阀的理想可调比为20，球阀的理想可调比为50，V形球阀的理想可调比为200[7]。对于加工精度不高的V形球阀，理想可调比也可达50[8]。

对于实际控制回路，还存在一个实际可调比。换热站水路总管压降为12m、控制阀压降为Δpvo时，有

式中 Q′max为实际最大控制流量，也就是换热站装机冷负荷对应的设计流量，为一个固定值。

根据式(4)可知，最小控制流量取决于阀门两端压差，当阀门两端压差增大时，阀门最小控制流量增大。根据式(1)，阀门两端压降Δpv取决于换热站总管压降，以及板式换热器、过滤器、管道及管件的压降，当控制流量最小时，阀门两端压降Δpv接近于换热站总管压降Δp。于是有

式中 Q′min为实际最小控制流量。

从而得到阀门实际可调比R′为

由式(8)可以看出，阀门实际可调比R′取决于理想可调比R、阀门最大开度时设计阀门压降Δpvo(换热站总管压降为12m时)和换热站总管压降Δp。

对于深圳前海10号站换热站来说，最小总管压降为12m,最大总管压降为最靠近制冷站的换热站在制冷站负荷为设计负荷时的压降，即输送水泵扬程为46m。

根据式(8)得到控制阀实际可调比R′随换热站供回水总管压降的变化曲线，如图6所示。由图6可见，对于实际的换热站水路，不同阀门的可调比均比理想可调比有大幅下降。在换热站总管压降为设计值12m时，蝶阀可调比从理想可调比20降为实际可调比10，球阀可调比从理想可调比50降为实际可调比25，V形球阀可调比从理想可调比200降为实际可调比100。

图6 控制阀实际可调比随换热站供回水总管压降的变化(控制阀全开压降3 m)

蝶阀实际可调比10表示蝶阀最小控制流量为最大控制流量的10%，或者说蝶阀的最小控制负荷为10%设计负荷。随着换热站总管压降的增大，控制阀实际可调比减小，当水泵扬程为46 m时，蝶阀的实际可调比只有5，说明最小控制冷负荷为设计冷负荷的20%。为了提高蝶阀的实际可调比，在控制蝶阀回路串联了静态平衡阀与动态平衡阀，通过增大管路压降来降低控制蝶阀两端的压降，从而达到提高蝶阀实际可调比、控制最小流量的目的，国内区域供冷换热站工艺基本采用此方案，下一节具体讨论。

从图6还可以看出，V形球阀的实际可调比最大，即使换热站总管压降达到46 m，实际可调比依然达到51，最小控制流量为最大控制流量的2%，完全不需要增加额外的阀门压降来提高实际可调比，或者说达到了降低最小控制流量的效果。因此，V形球阀比较适用于区域供冷换热站流量调节控制。

由式(8)还可以看出，影响实际可调比的另一个因素是阀门全开时的压降，这个压降是换热站总管压降为设计值12 m时的数值，也就是设计阀权度。图6显示了阀门全开压降为3 m，也就是设计阀权度为0.25时的实际可调比变化。当阀门全开压降为1 m，或者设计阀权度为0.08时，不同类型控制阀实际可调比随换热站供回水总管压降的变化如图7所示。从图7可以看出，当换热站总管压降为设计值12 m时，蝶阀可调比从理想可调比20降为实际可调比6，球阀可调比从理想可调比50降为实际可调比14，V形球阀可调比从理想可调比200降为实际可调比58。

图7 控制阀实际可调比随换热站供回水总管压降的变化(控制阀全开压降为1 m)

随着换热站压降的增大，蝶阀的实际可调比可减小到3，已基本失去了精确控制能力，而V形球阀依然可以达到29的实际可调比。阀门全开时压降越小，控制阀能耗越小，说明采用V形球阀作为控制阀，不但可以精确控制换热站流量，还可以降低运行能耗。

2.2 典型用户换热站工艺与控制分析

图8为一个典型的区域供冷系统用户换热站工艺系统图，系统通过控制阀调节一次侧管网流量，实现板式换热器的换热调节，从而根据用户侧冷负荷，达到控制板式换热器二次侧供水温度(7 ℃)的要求。控制阀门包括静态平衡阀、动态平衡阀与流量控制蝶阀。换热站压降公式为

图8 用户换热站典型工艺系统图

Δp=Δpv+Δpj+Δpd+Δph+Δpf+Δpp(9)

式中Δpj为静态平衡阀压降，kPa；Δpd为动态平衡阀压降，kPa。

目前通常的控制阀设计选型是按照换热站总管压降12m来确定蝶阀全开时的压降，比如图6，蝶阀的压降设计为3m，此时阀权度为0.25。如果板式换热器、过滤器、管道及管件等压降为8m，则静态平衡阀与动态平衡阀在设计工况下只有1m的压降，需要根据水泵扬程、管道负荷及换热站的位置来确定阀门的设计参数与运行参数。而在总管压降为46m时，静态平衡阀与动态平衡阀需要承担35m的压降。同样的最大流量，承担不同的压降，理论上只有通过动态平衡阀来实现。

减小动态平衡阀的压降通过设置静态平衡阀并调节开度来实现，但是一般只对静态平衡阀开度设置一次，换热站越靠近制冷站，静态平衡阀需要承担的压降越大，一般开度也越小。带来的后果是，为了满足调节较近换热站总管压降时最大流量的要求，静态平衡阀承担的压降可能远远大于换热站压降为12m时的设定压降1m，这就导致增大了换热站总管路的阻力系数，在换热站压降为12m时，换热站最大流量小于满负荷流量，满足不了冷负荷需求。

这样的设计存在一个矛盾的地方，在满足控制最小流量后，不能同时满足不同换热站总管压降时最大流量的控制要求。而不同供冷季及不同用户接入率，都会有不同水泵扬程需求，如图2、3所示。

实际运行表明，当区域供冷系统总冷负荷率不高时，输送水泵实际运行扬程远小于设计扬程，很多时间段还接近换热站设计最小压差，这些附加阀门的额外压降反而降低了蝶阀全开时两端的压降Δpvo，也就是降低了最大控制流量，这就需要增大换热站总管压降，使之大于12m，既增加了输送水泵控制的复杂性，也增加了输送能耗。

原则上，需要根据整个管网的阻力对静态平衡阀与动态平衡阀的组合进行调试，且每接入一个用户都需要重新调试一次，这样每个用户换热站需要的最小压降也不一样。实际情况就是静态平衡阀失去了水力调节的作用。

以深圳前海2号制冷站为例，近端用户一次侧调节阀的运行开度在10%左右，根据阀门的流量曲线，在如此小开度下，蝶阀的调节性能比较差，很难准确调节到所需的目标流量。

基于上述问题，一次侧阀门可采用流量调节性能较好的流量控制阀，流量控制阀可自动消除阀门两侧压力波动的影响，保持流量不变，不需要对管网进行烦琐的水力平衡调试工作。

2.3 用户换热站控制阀实际运行分析

图9显示了10号制冷站某用户换热站内的压降变化。该用户安装3台容量2 000 kW/台的板式换热器，总装机容量6 000 kW。图9所示时段1#与2#板式换热器运行，3#板式换热器关闭，总冷负荷为2 418 kW，相当于板式换热器平均负荷的60%。由图9可知，1#与2#板式换热器的压降不同，平均压降为3 m。根据设计，板式换热器设计工况冷水流量为191 m3/h，换热站测量总流量为277 m3/h，对于1#与2#板式换热器来说，冷水流量的平均负荷率为72%。板式换热器的设计压降为7 m，按照压降与流量二次幂成正比关系，得到板式换热器压降为3.5 m，与实际测量板式换热器压降3 m接近。从图9还可以看出，板式换热器过滤器压降几乎为零，那么换热站的总压降14 m中，除了板式换热器的3 m压降，剩余11 m压降为静态平衡阀、动态平衡阀、流量控制调节阀及管道的压降之和。考虑到管道的负荷率比较小，则11 m压降主要为3个阀门组合的压降。

图9 换热站内水路压降变化

3 冷水输送泵与用户换热站的协调控制分析

在满足换热站总管压降最低要求12 m及供水温度3 ℃的条件下，用户换热站一次侧可以实现独立自动控制运行；对于区域供冷的所有用户换热站，冷水输送泵根据最不利压降换热站调节水泵运行频率与台数，保证最不利压降换热站的压降不低于12 m，也不高于12 m。所以，输送泵与换热站的协调响应包括换热站压降及一次侧供水温度。另外，在较低用户负荷率时(比如夜间或节假日)，经常提高制冷站供水温度，以提高制冷站制冷效率。

3.1 换热站压降

根据波传输原理，水波传输速度可达1 500 m/s，按照1.5 km供水管网长度，水泵运行工况的改变，会迅速反映到所有换热站的总管压降上，从而实现及时响应用户冷负荷变化的需求。实际运行表明，制冷站冷水输送泵需要及时根据用户一次侧的需求变流量运行。当某用户的一次侧阀门开度变化时，一次侧冷水供回水压差随之变化，如果此时冷水输送泵不能及时调整运行频率，系统就会产生“压力多米诺骨牌效应”，其他用户即使在一次侧阀门开度不变的情况下，由于系统压力升高，流量也会发生变化，即一个用户的流量变化会影响所有用户的流量稳定性，使整个系统都处于不稳定状态。当然，这个现象也与目前采用蝶阀控制有关。

3.2 换热站一次侧供水温度

区域供冷系统具有管网长、管路复杂等特点，相比单体建筑空调系统时滞性更长。在制冷站与用户换热站可以协调控制的情况下，区域供冷系统就能根据所有用户的供回水温度的变化，分析系统的滞后时间，更好地指导运行。

以深圳前海区域供冷系统为例，图10为10号制冷站运行温度曲线，包括了制冷站出水总管的温度曲线和用户A大厦的换热站一次总管供水温度曲线。通过分析这2条曲线可知，制冷站的出水总管温度在04:00左右制冷机开机后就降到了4 ℃以下，但是用户端在05:30左右供水温度才达到4 ℃以下，可知A大厦这个用户的冷水温度滞后时间达到1.5 h。如果可以获取所有用户的冷水滞后时间，那么就可以优化制冷站的控制策略，比如开机或关机的时间，减少能量损耗，降低运行成本。

图10 深圳前海10号制冷站运行温度曲线

4 结语

区域供冷输配系统通过控制一次侧总管压降与供水温度来控制用户二次侧供水温度，原则上，对二次侧供水温度的控制，就是对一次侧输配系统的水力控制，合理的水力系统工艺设计与控制设备选型，决定了输配系统运行控制效果。输配系统控制设备包括变频输送水泵与换热站流量控制阀，受用户接入率等因素的影响，区域供冷系统大部分时间在较小的部分负荷率下运行，合理选型变频输送水泵需要作进一步研究，配置可以变频到更低转速的电动机，或者小流量、小扬程变频水泵，有利于小负荷率工况运行。目前国内典型换热站静态平衡阀、动态平衡阀与流量控制蝶阀的组合工艺，存在较多缺陷，不能较好地满足区域供冷的特点，建议采用V形球阀等高可调节比的控制阀，替代现有以蝶阀作为控制阀的传统工艺模式。