某异常冷冻站运行策略的优化*

王寒栋

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

针对某中央空调系统冷冻站出现的非常规操作现象，如长期采用一机多套泵、停运冷水机组水阀常开旁通水流等异常运行策略，文献[1]对该冷冻站非常规运行策略的原因进行了分析，并提出了相应的意见和建议．分析运行数据发现，该冷冻站中停运冷水机组（如1#）水阀开启与关闭时，同样设备运行条件下，2#冷水机组的运行能效有明显变化，说明采取开阀旁通的非常规运行策略会间接影响2#冷水机组的运行性能，因此有必要进一步分析运行策略对设备及冷冻站运行能耗的影响，探讨较为合适的节能运行策略．

对于冷冻站尤其是冷水机组的运行策略及能效优化，已有众多研究[2-12]等．但这些研究针对的是正常状态下的冷冻站或冷水机组，对于异常或病态条件下的冷冻站或冷水机组运行策略及优化，尚无公开的文献报道．但实际工程中往往又存在不得不在异常状态下（或病态下）运行的冷冻站．因此，探讨异常状态下冷冻站的运行策略还是有必要的，可以为这类冷冻的管理优化提供借鉴与参考．本文在文献[1]的基础上，主要针对该冷冻站在现有条件下不同运行策略及其能耗等情况进行分析，提出改进运行策略．

已有分析表明该冷冻站水管路阻力存在严重问题，但在空调季节又不能加以有效处理，只能通过调节并联蒸发器水阀开度与增加冷冻泵及冷却泵运行台数的方式，来减小整个水管路的阻力、增大总的冷冻水与冷却水流量．而实际运行中，除应对水管管阻异常问题外，还应进一步确定并联蒸发器水阀的开度大小、让2#蒸发器的冷冻水流量达到额定流量、整个管路阻力又在可接受范围，并分析水阀开关状态对能耗的影响，尽可能减少该冷冻站的运行能耗，找到一种较为合适的节能运行策略．基于这一考虑，并依据现场调试后的初步结果，本文将选取4种不同的典型运行策略，对比分析其各项指标参数，探讨较为节能的优化运行策略．

1 指标参数及其计算方法

2 不同运行策略及其综合效果

文献[1]已述及，该冷冻站包含3台不同的冷水机组，但其经常性运行策略为：只运行1台2#冷水机组，配套运行2台冷冻泵、2台冷却泵，同时保持停机状态的 1#和 3#冷水机组冷冻水阀和冷却水阀常开状态（以下称为日常策略）．由于该冷冻站存在局部水管管阻异常，导致其不能采取“一机一套泵”（即一台冷水机组配套一台冷冻泵与一台冷却泵运行）的正常运行策略，导致系统运行能耗偏高．

为探究停机状态的冷水机组水阀开度对能耗等的影响，经过初步调试与分析，针对该冷冻站选取了4种可行的运行策略进行了分析．4种策略中，均仅运行2#冷水机组且其水阀（指冷冻水阀和冷却水阀，下同）全开，其余水阀设置及运行泵台数为：1）1#、3#冷水机组水阀全关，运行2台（2#3#）冷冻泵和2台（3#4#）冷却泵；2）1#、3#冷水机组水阀全开，运行2台（2#3#）冷冻泵和2台（3#4#）冷却泵；3）1#冷水机组冷冻水阀开启 50%、冷却水阀开启30%，3#冷水机组水阀全关，运行3#冷冻泵和3#冷却泵；4）1#冷水机组冷冻水阀开启50%、冷却水阀关闭，3#冷水机组水阀全关，运行1台冷冻泵和1台冷却泵．其中策略1）属于用于考查停机状态冷水机组水阀关闭的运行策略（简称闭阀策略）；策略2）是该冷冻站日常运行策略；策略3）是经过现场调试发现对冷冻水较为有利的阀门开度，用于考查冷冻水阀开度的影响；策略 4）主要考查1#机组冷却水阀的影响．每种运行策略采用连续 1天的测试数据进行分析．

需要说明的是，对于1#、2#冷水机组水阀全开（3#机组水阀关闭）、运行2台冷冻泵与2台冷却泵的运行策略也纳入了考虑，但其呈现的特性与策略2）的情况很接近，可归为同一类，故未将其再另外作为一类策略加入对比分析．

2.1 不同运行策略下的冷冻水及冷却水流量对比

2.1.1 冷冻水与冷却水总流量

4种运行策略下冷冻水和冷却水的总流量各不相同，其中策略2）的冷冻水和冷却水流量均最大，策略 1）的冷却水流量居中但冷冻水流量最小，策略 3）和 4）的冷冻水、冷却水流量均分别较为接近．即使策略1）和2）属于同样的冷冻泵和冷却泵运行，其流量也相差很大．策略 1）中，所有水流均只流经2#冷水机组，尽管有2台冷冻泵同时运行，实际的总冷冻水平均流量也只有64.1m3/h，不但比单台泵的额定流量小，且波动非常大（如图1所示，图中横坐标时序采样周期序号以5 min为一个周期，如序号21为第21个采样周期、对应为第105 min）；其冷却水总流量则相对较为正常．

图1 策略1）的冷冻水与冷却水总流量

结合前文水管路阻力（水压降）测试结果，不同运行策略下的冷却水的流量特点可以解释如下：以策略 1）运行时，2#冷凝器的水阻较为正常，故其水流量也较为正常；以策略2）运行时，虽然1#冷水机组冷凝器水阻大于2#，但由于2#和3#冷凝器冷却水阀均全开，并联减阻效应明显，使得 2）的冷却水总阻力减小、从而总流量相对较大；以策略3）运行时，虽然1#冷凝器水阀开启了30%（未全开），但1#冷凝器冷却水支路的水阻仍很大，并联减阻效应并不明显，综合水阻接近但略小于2#冷凝器的水阻；策略4）中，冷水机组冷却水管路的水阻纯由2#冷凝器引起，因其水阻并未严重偏大，故其流量也较为正常，但略小于冷水机组的额定流量则说明 2#冷凝器水阻还是存在一定程度偏大的问题，应在可能情况下进行清洗除垢．从策略3）比4）的冷却水流量略大但较接近的现象，可以推断：一方面，1#冷却水阀在小开度下对流量调节效果较差（阀的过流量很小，接近于未开启状态），总的冷却水绝大部分经2#冷凝器流过，但其小开度会适当减小管路的总水阻；另一方面，这两种策略中运行的冷却泵不同，也可能因泵的性能差异而导致流量的差异；从综合效果上看，关闭1#冷凝器水阀对2#冷凝器的冷却水供水影响并不明显．

此外，为考查1#冷凝器水阻的影响，选取了同时全开 1#和 2#冷水机组的全部水阀，但只运行 1台冷冻泵和1台冷却泵的运行方式加以对比．结果表明冷却水总流量与策略3）和4）的相当、仍小于1台冷却泵的额定流量．充分说明了是否开启1#冷凝器水阀对改善冷却泵的运行并没有多大帮助．如果要利用冷凝器冷却水的并联减阻效应，也只能在运行2#冷水机组的同时，适当考虑开启水阻较小的3#冷凝器水阀．

对冷冻水而言，由于 2#蒸发器的水阻远大于1#蒸发器，导致运行策略1）没有并联减阻效应存在时，整个冷冻水管路阻力非常大，冷冻水流量很小，冷冻泵也只有在大扬程、小流量状态下工作以满足管路供水需求．一旦开启其他水阻较小的冷水机组蒸发器水阀，如运行策略 2）～4），并联减阻效应就非常明显（由于 2#蒸发器的水阻比其他蒸发器大得太多），从而流量增大，冷冻泵也相应工作在大流量、较小扬程状态下．策略3）和4）的冷冻水流量差异可能主要由不同冷冻泵的特性引起，但相差不大．

2.1.2 运行冷水机组的冷冻水流量

除总的水流量外，运行的2#冷水机组中的水流量变化更为重要．由于管路条件限制，没有检测每台冷水机组的水流量，且冷却水总管上也未安装温度传感器，因此当有2台冷水机组水阀开启时，无法获取各冷水机组的冷却水流量．但对冷冻水而言，利用集、分水器总管上的温度传感器与总流量计，结合各冷水机组的运行参数，可以间接获取各冷水机组的单独冷冻水流量，上述4种策略中2#蒸发器冷冻水流量如图2所示．

图2 不同运行策略下2#蒸发器的冷冻水流量

图2表明，除策略1）外，其余策略中2#蒸发器的冷冻水流量主要在70～90 m3/h内变化，基本上与额定流量接近，属于可接受的正常范围．策略1）的冷冻水流量则很不稳定，在26～96 m3/h之间剧烈波动，对应的2#蒸发器冷冻水压降（水阻压降）在2.30～2.43bar之间（如图3所示，对应水头损失约为23～24m），其水头损失占到相应冷冻泵扬程的76.8%左右，极不正常．而且，虽然冷冻水流量波动剧烈，但蒸发器冷冻水压降却相对较为稳定，表明其管路阻抗系数S为非定值．根据管路的水力学原理，如果管路的阻抗系数S为定值，则该管路的水头损失hl与管路中流量Q的平方成正比（即hl=SQ2），当流量大幅度变化时，管路的水头损失即压力降也应大幅度变化．例如，如果 2#蒸发器管路的冷冻水阻抗系数为定值且与单机测试时相同，则现有流量变化幅度下，对应的冷冻水压降范围应为 0.55～7.51bar，然而实际的压降变化幅度只在 0.12bar以内．这种现象在与策略1）类似的工况均存在．即使是1#蒸发器冷冻水阀全部或部分开启的策略2）～4），也能发现 2#蒸发器的冷冻水阻抗系数始终在变化中，流量变化与压降变化的关系在几种运行策略中并不固定，但策略3）和4）中则较为接近（蒸发器冷冻水压降也较为接近）．这也进一步证实了之前的推断：2#蒸发器所在的冷冻水支路中可能存在异常堵塞，且该堵塞不稳定，其过流断面大小会随水压或流量的变化而随机变化，且大压差时的不稳定现象更加剧烈，从而导致大压差时流量大幅度变化，其效果类似于自力式差压调节阀（通过阀开度的变化改变流量大小而稳定阀前后的压差），应拆除管道部件加以检查和处理．

图3 运行策略1）对应的2#蒸发器冷冻水压降

因此可以认为 2#冷水机组蒸发器因管路阻力异常而导致其冷冻水流量异常，在未加处理时该机组蒸发器不宜单独运行．2#冷凝器暂时可以单独运行，但也应加以清洗除垢等，消除其水阻略微偏大的影响．

2.2 不同运行策略下指标参数对比及策略选优

2.2.1 基于相同运行时段的能耗等参数对比

为对比 4种运行策略对冷冻站及其主要设备的能耗影响（因4种策略中冷却塔风机完全相同，只将其能耗纳入总能耗中考虑，而不再单独加以对比），选取各运行策略下同一时间段（8:30～16:20）的稳定运行数据进行对比分析．每种运行策略的样本点均为95个（每5分钟采样一次）．运行策略1）、2）、4）对应的室外气温相差不大，均在30.4～36.1℃范围，策略3）的室外气温范围为29.6～31.9℃．对比时段中，能耗对比见表1，2#冷水机组平均COP2和冷冻站平均EER如图4，冷冻水、冷却水的平均输送系数如图5所示．

表1 不同运行策略的同样运行时段内能耗对比 (kW)

图4 不同运行策略的COP与EER

图5 不同运行策略的冷冻水与冷却水输送系数

由表1可知，在能耗对比时段内，策略1）、2）和4）对应的室外气温相差不大，策略1）的冷冻站总能耗最大，策略 3）的总能耗最小但与策略 4）差异不大．然而对比冷水机组能耗等可发现，策略1）的冷水机组能耗最大、策略2）的最小，策略4）与1）的较为接近．说明只有2#冷凝器水阀开启而关闭其余冷凝器水阀时，2#冷水机组的能耗会增大．这可能是由于此状态下2#冷凝器的冷却水流量小于额定流量，使得冷水机组的冷凝温度升高，运行条件恶化而引起．策略3）的冷水机组能耗比4）的略小，可能主要是由于当天室外气温低于策略4）而导致的．策略3）和 4）中冷冻泵与冷却泵能耗的差异可能主要是由于投入运行的泵不同引起，其中测得3#冷却泵的功率比其他冷却泵要大 30～50%，1#冷冻泵的功率比3#冷冻泵大20～35%左右，这也说明该冷冻站中同型号泵的实际能耗并不完全相同．

虽然策略3）和4）关闭或部分关闭其他冷凝器水阀会引起冷水机组的能耗增大，但由于投入运行的冷冻泵和冷却泵台数减少为各1台，大大减少了泵的总能耗，使得冷冻站的总能耗仍呈现策略3）和4）相对较小、具有2套冷冻泵和冷却泵运行的策略1）和2）总能耗相对较大．计算表明，在同样运行时长内（室外气温略有差异），策略2）、3）、4）相对1）的冷冻站总能耗可分别减少10.6%、16.6%、15.9%；相应冷水机组能耗可相对减少24.1%、4.9%、0.2%，冷冻泵和冷却泵的综合能耗可相对减少-12.2%（“-”表示多耗能）、39.8%、46.2%．可见，策略2）～4）总体上均比策略1）节能，只是程度不同．

除能耗外，还可从COP、WTFchw、WTFcw以及EER等方面评判4种运行策略的合理性．依据国家标准[13]的规定，该冷冻站适用的典型工况下的COP、WTFchw、WTFcw限定值分别为 4.4、35、30．从COP的角度看（图4），策略2）、3）和4）均较为理想，策略1）不可接受．从WTF的角度（图5），则策略3）和4）较为合适，策略1）和2）不可接受．策略3）和4）的EER也相对较高，应优先加以选择．

2.2.2 考虑PLR影响时的能耗与能效对比

上述对比只考虑了同一时间段内的总量或平均值，并未考虑各运行策略下负荷率PLR的影响．显然，负荷不同，冷水机组的能耗也不同．为进一步分析PLR的影响，绘制各运行策略下全部运行时段冷冻站总能耗Ns、2#冷水机组能耗Nch2、EER与PLR的关系图，如图6所示．

图6 不同策略下负荷率PLR与能耗、EER的关系

由图6和表1可知，策略1）对应的负荷率较低，其能耗最大、EER最小；在同样负荷率下，策略1）的总能耗与冷水机组能耗也最大．尽管策略2）与 3）、4）在同负荷率下冷水机组能耗基本相同，但2）的总能耗会略大．由于2）比3）、4）多运行1套冷冻泵和冷却泵，导致其冷冻站EER明显比3）和4）的小，如图6（c）所示．分析表明，策略2）～4）中2#冷水机组的PLR加权平均COP分别比1）的提升了44.25%、49.64%和44.74%，冷冻站的PLR加权平均EER则分别比1）的提升了58.53%、126.96%和 116.97%．说明该冷冻站在局部水管管阻异常情况下，开启或部分开启停运状态冷水机组的水阀、减少运行泵台数可以使 2#冷水机组及冷冻站的能效得到较大程度的改善．

综上所述，在目前条件下，该冷冻站系统较优的运行策略应该是3）和4）．对于冷冻水系统而言，该系统局部水管管阻异常的特殊性使得非常规操作反而具有一定的合理性，比正常操作多运行一套泵的闭阀策略 1）为最不合理，即在该异常冷冻站中关闭停机状态冷水机组水阀的正常做法反而不合理．这应引起研究者和一线运维管理人员的重视．在评判哪种运行策略较为合适时，应从冷冻站总体能耗与能效出发，既不能单独按冷水机组能耗、也不能单独按冷冻泵与冷却泵的能耗加以评判．否则，一味机械地照搬操作规程，可能会造成无谓的能源浪费，甚至导致运行故障．

3 总 结

针对某冷冻站运行中长期存在的异常运行策略，经过调测与分析，选择4种典型运行策略探讨了其对能耗等的影响．提出在现有局部水管管阻异常条件下，该冷冻站不适合采用闭阀运行策略，而是采用非常规的运行策略3）或4）才是较优的策略，可以在满足运行要求的情况下尽可能减少冷冻站的总体能耗．

需要指出的是，这里所提的较优运行策略，只是在暂时不允许进行水管异常阻力处理的情况下不得已所采取的符合现状、相对较为节能的运行措施，也只针对该冷冻站而言．要获得更好的节能效果，还是应该解决该冷冻站水阻严重偏大的问题，在正常的管路条件下，节能运行策略才能得到真正的优化，也才更为合理．本文的意义在于，通过实例分析，证实了实际工程中不能简单机械地认为常规操作总是正确的、合适的；同时也提醒相关人员对于一些非常规的冷冻站运行方式，不能一概而论简单加以批判，而应仔细分析其背后的原因，找到合适的解决方案，达到在限制条件下尽可能节能减排的目的．

致谢：感谢深圳嘉力达节能科技有限公司提供现场调试与检测等工程条件．