区域能源水力输送系统控制方法的优化

王 俊

(深圳市深燃清洁能源有限公司，深圳 518000)

0 引 言

为应对全球气候过快变暖，国家提出了 “3060” 的双碳政策，即2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的愿景。在此大背景下，各行业用能的低碳、零碳转型将是未来几十年额发展趋势。建筑行业空调用能是建筑能耗最主要部分之一，其能耗的控制是建筑降低碳耗的重要手段。实践表明，区域供冷可以降低区域范围内的建筑空调用能能耗，对城市范围内降低碳耗，实现双谈目标有重要作用。

运行控制是大型区域供冷系统提高综合能效，节省能耗的重要手段，目前老旧的设计理念和粗放式的控制方法不能满足这一需求[1]。随着软件技术、数据采集和智能化控制技术的成熟，为精准运行和控制，为低碳区域供冷系统的建设带来了契机。本文以发掘区域供冷中的能量输送系统的精准运行和控制，来降低区域供冷系统的输送能耗的重要作用。

1 水力系统控制现状

大型区域供冷系统，末端用户较多，可能有几十栋大楼，上百个末端换热器。而这些大楼和换热器距离冷源(制冷主机)距离、负荷大小和水力损失等均有较大差异。供冷系统为了满足系统中所有用户的要求，在设计阶段，设备选型均是按照最不利用户的水力损失和冷量需求选择设备。而运行阶段，供冷区域内有多种业态运行负荷不同时间差异较大，同时考虑到距离远近不同问题，对区域冷源来说，就算是同样的负荷，对于输送系统，能耗也会有较大差异。

目前，暖通空调行业的冷冻水系统在运行阶段，对水力输送控制，主要有以下模式：

(1)在冷冻水泵入口母管(或集水箱)处设置压力检测点，根据冷冻水系统的水力特性，预先设置一个压力定值，控制冷冻水输送泵的运行特性来满足入口母管处预设的压力定值要求。该方法的特点是控制系统简单，测点少，逻辑简单，但是没有反映出具体末端的水力情况和用冷需求，所以节能性较差。该方法一般适用于楼宇中央空调系统或小型的区域供冷子站。

(2)在末端用户换热端的冷冻水进/出口位置设置压差检测点，冷冻水泵的运行特性以满足末端所有用户中最不利用户的水力资用压头需求为其运行工况点。该控制方式的特点是设置的测点较多，系统较为复杂，控制逻辑较复杂，但是控制也更精准，更节能[2]。该流量的控制方法，目前区域供冷系统中使用较多，以满足最不利用户的压力和冷量为前提制定整个冷冻水的温度和流量控制策略。

方法2相对方法1，细分到了每个用户来进行控制，节能效果好，也可以满足各种工况下的系统运行要求，但是仅考虑了满足压力的要求，没有考虑负荷变化、距离位置和标高等的影响。

一般设计情况下，认为管网水力特性曲线为一根据流量/负荷变化的二次曲线，如图1所示，输送泵通过变频调节转速来与系统水力性能点匹配。而实际上，管网系统的水力特性并不是一条曲线，而是多条水力曲线组成的一个曲面[3]，如图2所示。在同一流量/负荷下，对应的是一个阻力范围。用冷负荷30%～70%之间阻力范围相对差异更大，而这个范围又是空调主要的运行区间。如果泵按照最不利情况运行，在很多情况下是不必要的，势必会造成能量浪费。在单个楼宇或小型区域供冷系统能量损失可能不明显，但对于大型区域供冷系统，输送能耗绝对量较大，损失的能量也会更多。所以需要根据管网系统的水力特性建立对应的输送泵控制方法，降低输送能耗。

图1 系统水力曲线与输送泵特性曲线

图2 系统水力阻力范围

2 水力分析方法

区域供冷管网为一流体网络[4]，其管道内流量分配根据各管段压力降，在满足水力/压力平衡的情况下自动分配。一般设计过程中是根据用户的负荷需求情况反算管网的压力分配情况，即管网的阻力损失。供冷系统管网的阻力损失主要包括设备阻力、管道沿程阻力和局部阻力。管道沿程阻力损失计算公式为：

其中，L为管长；D为管径；v为流速；λ为沿程阻力系数，与管道的粗糙度有关；g为重力加速度。

局部阻力计算公式为：

其中，Σζ为总的局部阻力损失系数。

叠加各段的阻力损失，即可知道区域供冷站管网的整体水力损失情况。由于大型区域供冷系统管网复杂，建议采用水力计算软件计算管网的流量分配，根据供冷系统的系统设置情况和管网、设备布置情况建立分析模型，通过调整末端负荷组合分配，分析管网阻力情况，绘制管网水力阻力范围曲线。

3 算例

关于不同负荷组合下供冷系统的水力阻力性能曲线的分布问题，下面以深圳某冷站为例说明。

以深圳某制冷站为例进行分析，该冷站总共有22各用户，一期建成运行时主要用户为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%。后陆续新接入C、D、E用户，供冷面积分别为12.7万、5.8万、7.6万m2。后续接入用户入住率均不高，2022年预计总入住率约30%。

图3 深圳某冷站用户分布于管网路由

下面以左边支路50%负荷下，两种不同负荷组合对应计算出的管网水力损失及泵的功耗，根据表1，同样是50%负荷，由于不同用户负荷组合的不同，水力损失差异为10 m，对应增加泵的输送功耗差异为87.3 kW。按照一天运行12 h计算，一天能耗差异为1 089 kWh，整个供冷季节省的运行费用可达21.4万元。

表1

某一支路50%负荷下两种不同组合的水力损失对比

4 控制运行策略

高效水力输送系统的运行控制主要包括末端和能源站两部分控制。

对于末端首先需了解末端用户对负荷、水量和压力实际需求，在满足需求的情况下，调整整个输送系统，达到高效的目的。其次，对于末端用户，不应以简单满足某个资用压头为前提，而应通过测得的实际参数情况和末端用户布置、设备选型情况，满足换热性能即可。再次，在较低负荷下，如负荷低于10%，单纯调节流量，换热设备和水力控制设备可能很难满足要求，建议应结合水温一同调节。最后，由于末端各用户差异较大，建议针对性的根据实际情况指定对应的控制运行策略。

能源站内，对收集到的末端用户数据进行统一处理，汇总出的不同负荷组合，对比预先设定好的计算程序，可以得出对应管网的流量和阻力，也就是输送泵的流量和扬程。根据系统需要的流量和扬程计算出水泵电机对应的运行数量、频率、转速等信号，控制水泵运行。 一般泵在额定点运行的效率最高，所以单泵尽量维持在额定点附近运行。系统运行流量Q除以单泵流量Qd，结果向下取整后的值即为运行水泵数量n。水泵运行频率f为：额定频率乘以(实际流量Q/额定流量Qd)

水泵的运行转速N=额定转速×(实际流量/额定流量)。

水泵的运行频率f=额定频率×(实际流量/额定流量)。

5 结束语

在大型区域供冷系统中，受用户接入时间、入住率、业态等因素影响，供冷站某一负荷下运行，对应多种负荷组合，相应的管网对应多个阻力损失。如果冷站不关注末端用户实际情况，只根据站内情况运行会造成输送能耗升高，降低冷站综合能效。所以对于大型供冷系统，应同时监控末端用户负荷情况，制定对应的设备运行和控制策略。类似现象同样适用于区域供热系统，供热系统也存在能源站某个负荷下用户不同负荷组合，也许对应监控末端热用户负荷，制定对应的设备运行和控制策略。对于大型的供冷或供热系统，虽然节省水泵的输送扬程只有几米，但是考虑其输送水量较大，减少几米的扬程所节省的电量也是较为可观的。