BA-冷源系统--一次流量控制方案（转载）

空调水变一次流量控制方案

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　浙大网新快威科技 黄逸林

一、引言

　　建筑物中央空调系统的冷冻水一次泵，传统上都采用固定转速水泵。空调水的变一次流量控制系统(VPF：Variable-Primary-Flow，也称为：冷冻水一次泵变频调速控制系统)是近年才开始出现的先进控制方案。配置变频调速冷冻水泵，可以对冷冻水流量进行调节，达到精细化控制的目标。虽然在负荷侧都是变水量控制，但变频调速的一次侧控制和传统固定转速的一次泵系统不同，它比传统方式控制要求高得多。要求楼宇自控系统的工程服务者设计合理的变一次流量控制解决方案，提供满足要求的控制功能。本文结合某大型建筑的变一次流量控制工程方案，对这种解决方案进行讨论。
　　变一次流量控制，是近年在空调行业发展起来的先进的冷冻水控制系统，其特点是利用最新的测控技术和冷冻机在低水流量能力上的改进，在冷冻机的蒸发器管路配置变频调速水泵，使得流过冷冻机的冷冻水量可以按负荷的需要调节，它比传统的二级泵系统设备配置少，但有更好的节能效果。变一次流量控制系统能够很好地跟踪系统负荷的动态变化，较好地满足系统的负荷需求，把能源消耗控制在较低的水平。然而这样的系统需要提供一套严格的控制方案，设计和其相匹配的高水平监测和控制系统，才能够真正发挥效益。
　　 这里所讨论的某大型建筑冷冻水系统共有3台等容量离心式冷冻机组，单台容量500冷吨。单从设备布局来看，该系统是典型的一次泵系统。采用变频调速控制冷冻水泵的并列机组，因其工作能力可以连续调节，就不需要配置低规格容量的并列机组。
　　 变一次流量的空调冷冻水系统的控制方案和冷冻机组设备的选型、布局密切相关，为了实现预定的控制目标，对于相关设备的技术要素应提出一定的要求，总而言之就是对系统设计方案作优化。这是建筑设计和楼宇自控系统设计者应该承担的责任。

二、冷冻机组监控方案

　　 按照该建筑空调冷冻水系统的设备配置，其监测、控制系统可以分为几个方面，下面分别描述如下：
　　 1 对所有设备工况的监测和控制：
　　 (1) 冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的一般监控内容：
　　 监测运行状态、故障状态和手/自动状； 累计运行时间，统计运行次数； BAS能够对这些设备进行启停控制。
　　 (2) 冷冻水泵的变频调速控制：
　　 监测供、回水总管之间某最不利负荷处的压力差值； 以上述压力差值作为过程变量对冷冻水泵进行变频调速控制。
　　 (3) 冷却塔风机的控制： 监测冷却塔供、回水总管温度； 以冷却塔供水温度设定值为目标，对冷却塔风机进行变频调速控制。
　　 (4) 电动蝶阀监控内容： 相应的连锁开关控制。
　　 (5) 控制系统还应该监测： 冷冻水供、回水总管温度； 冷冻水供水总管流量；
　　 (6) 对冷冻机组设置数据通讯接口
　　 通过该接口在BAS和冷冻机组之间传送(或接收)下列冷冻机的工艺参数：
　　 主机运行状态
　　 主机故障报警状态(能够以编码方式代表多种故障信息)
　　 主机负荷水平绝对值或百分率，或者主机电流或电流百分率
　　 当前供水温度设定值
　　 蒸发器进水和出水温度实测值
　　 冷凝器进水和出水温度实测值
　　 蒸发器(冷冻)水流量实测值
　　 蒸发器冷媒管路压力测量值
　　 冷凝器(冷却)水流量实测值
　　 本次运行时间和累计运行时间
　　 累计启动次数
　　 润滑油温度和供给水平
　　 接收BAS给出的冷冻水供水温度再设定值 接受BAS发出的启停控制命令
　　 经过通讯使控制系统获得相应的关键工况参数，是优选的方案。但是BAS和冷冻机主机可以交换哪些数据，还需要视冷冻机的牌子、型号和规格来定，故有必要对冷冻机主机的控制器作进一步的了解，对可以传送的信号进行确认。以上列举的参数，是BAS完成控制所需要的参数，并不意味着任何冷冻机主机都会提供这些工艺参数。所以从系统构成及系统集成的要求看，BAS的监测点必须对数据通讯得到的参数作添平补齐。特别因为本系统是变一次流量(变频调速控制冷冻水泵)控制，对蒸发器管路水流量的监测等是必不可少的，需要高度重视。同样，对于可以经过通讯取得的参数，BAS不必配置监测元件，以避免重复设置监测点，造成浪费。根据经验，一般冷冻机都会提供：当前供水(蒸发器出水)温度实测值，蒸发器和冷凝器管道水流状态等参数。所以BAS的对冷冻机组的监控点应该根据实际情况设置，不能一概而论。如果冷冻机蒸发器管路的水流量参数，可以经过数据通讯获得，就不必设置流量监测。
　　 2 冷冻机组的启动和停止连锁控制：
　　 主机的启停与相关设备的连锁控制是保障设备正常、安全运转的重要条件。
　　 (1) 连锁启动顺序：
　　 冷却水塔风机→冷却水塔电动蝶阀→冷冻机的冷凝器电动蝶阀→冷却水泵→冷凝器水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机蒸发器电动蝶阀→冷冻水泵→冷冻水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机主机
　　 (2) 连锁停止顺序：
　 冷冻机→（延时数分钟，视设备要求和工况判定延时时间）→冷冻水泵→蒸发器水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机的蒸发器电动蝶阀→冷却水泵→冷凝器水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机的冷凝器电动蝶阀→冷却水塔电动蝶阀→冷却水塔风机
　　 动态启停控制需要特别注意的方面：电动蝶阀打开或者关闭的全行程时间大约在30秒以上，在启、停切换过程中，应尽可能避免共用总管所引起的串水现象。本系统采用变频调速水泵，如果电动阀门的开度和水泵的水量以及冷冻机的启动能够得到适当的协同控制，将可能较好地克服这一问题。这种同步控制和连锁控制的时间间隔等需要在投运调试时按一定的调试方法确定。在实现这种精细化控制以前，这种有限时间段内的串水现象，一般也是可以容忍的。
　　 3 冷冻机组的变一次水量控制
　　 为了节约能源，根据冷源系统总负荷水平进行冷水机组运行台数的控制，目的是使运行的冷冻机台数能够满足系统负荷的需要，并使开出的冷冻机尽可能在其效率最高的工况区运行。下面结合变频调速控制冷冻水泵，对这种控制方案作概要性介绍。
　　 运行台数控制的优化策略是：首先，控制系统冷冻水的供应量(总流量)始终保持在刚好满足系统负荷要求的水平，并确保系统供回总管之间最不利负荷处的压力差稳定于某个预设定值，这一点需要靠高品质的变频调速控制冷冻水泵来完成；其次，根据系统负荷量和当前冷机的供应能力的差值，决定下一次启或停的时机，原则是应该选择能够满足负荷需要、并且最接近系统需求值的工作方式。这一个控制的关键在于调试中找出最佳的启停切换点；还有就是运行台数控制的程序中，应该使冷冻机处于最佳工作效率点周围。冷冻机的工作效率分布曲线由供货厂商提供。
　　 系统配置不同容量冷机，可以降低台数控制中系统负荷能力变化的台阶，使运行能力更接近系统需求，有更好的节能效果。但对控制的要求比并列等容量机组复杂得多。现在采用全部变频调速冷冻水泵以后，系统供水流量(供冷能力)可以连续地根据负荷需要调节，所以没有必要配置不同规格容量的并列机组。
　　 传统的一次泵系统，仅在负荷侧作变流量控制，而在冷源一次侧是恒定流量(冷冻水泵固定转速)，两者之间的流量差值和系统压力，靠压差旁通控制来平衡，在正常运转时旁通管内不可避免会有旁通水流，就是说全速运转的冷冻水泵有一部分作功消耗于旁通循环中，同时水泵扬程所产生的供回总管之间的较高压力，使大量的水流动能消耗在克服管路阻力上。空调冷冻水系统的变一次流量(冷冻水泵变频调速)控制系统最有价值的作用，就是避免大部分无谓的旁通水流量，并能够维持较低的系统压力，从而大大地降低水泵的功耗。
　　 变一次流量控制系统能够很好地跟踪系统负荷的动态变化，恰如其分地满足系统的负荷需求，把能源消耗控制在较低的水平。然而这样的系统需要提供一套严格的控制方案，才能够真正发挥效益。 变一次流量控制的一般方法：以系统供回总管之间的最不利条件点(一般应选在供回总管的远端)处的设计压差作为控制预设定值，以该点压差测量值作为PID调节的过程变量，以变频调速冷冻水泵作为控制系统的执行机构，对冷冻水供水进行调节控制，控制目标是使过程变量趋近于预设定值；当冷冻水的系统负荷流量大于一台冷冻机蒸发器最低许可流量值时，流量旁通控制阀门是关闭的；当只有一台机组在运行，且冷冻水的系统负荷流量低于一台冷冻机蒸发器最低许可流量值时，需要启动分、集水器之间的旁通流量控制，控制目标是使这台正在运转的冷冻机蒸发器的水流量大于等于最低许可流量值。这个旁通阀门和传统的压差旁通控制阀门不一样，可以把它称为低流量旁通控制阀。
　　 确保冷冻机蒸发器最低水流量是一项非常重要的技术措施，否则有可能破坏冷冻机的正常工作状态，甚至损坏冷冻机。变一次流量控制的旁通控制实际上是专为这个保护而设置的。对变一次流量系统工作模式来说，这个旁通阀门不需要很大，它的流通能力只要保证大机组冷冻机蒸发器的最低水流量即可。但是，目前设计变一次流量系统，往往还要保留以传统模式(冷冻水泵全部恒定转速)工作的可能性，考虑到这一点，这个流量旁通阀门还可能担负传统压差旁通控制的作用，故其口径宜满足这样的需要。基于这一原因，本方案的旁通阀门，没有选择较小的流通能力。这种设计配置是为了加强冷冻水系统的容错能力，提高系统运转可靠性采取的必要措施。
　　 控制逻辑应该保证：任何时刻，确保运转冷冻机的蒸发器最低水流量(这个最低水流量载明在冷冻机的使用说明上)；并列运行机组同步变频调速控制是最常用的控制方式；启动冷冻机组的冷冻水泵宜采用软启动方式，以避免对水泵电机的大电流冲击；冷冻水调节控制从一台切换至另一台时应确保平滑无缝地过渡。
　　 合理的变一次流量控制，可以避免冷冻水泵作无用功的现象，可以得到更好的节能效果；并且能够实时跟踪负荷侧水量的变化作冷冻水量的控制调节，同时保证系统供回总管压力稳定。但是变一次流量控制系统，需要布置的监测点比较多，对控制和维护的要求非常高。这种精细化的过程控制要求工程服务者对系统控制有准确、全面的把握。
　　 冷冻机、冷冻水泵和电动蝶阀的配置和布局，对控制方式、投资和运行效率有重要影响，控制方案设计者应该和建筑暖通专业设计人员进行交流，以期获得合理的系统方案。 变一次流量冷冻水控制系统示意图
　　 为了更好说明问题，这里给出三种典型的空调冷冻水系统示意图，见图1所示。它们分别是：传统的冷冻水泵控制(固定转速)系统；二次泵控制系统和变一次流量控制(一次泵变频调速)系统。这里对水系统图作简化，以求简明扼要，和讨论无关的元件和监测点图中没有表示。
　　 从图示可知，只有变一次流量控制，全部管路都是可变流量，而且它的设备和传统固定转速一次泵控制一样简单。

4 冷却水和冷却塔控制

　　对冷却水控制的基本要求是保证经过冷却塔处理的冷却水温度(即进入冷冻机冷凝器的冷却水温度，也可以称为冷却塔供水温度)符合冷冻机的要求，这个温度要求由冷冻机的使用说明书提供。
　　 按冷却水供水温度进行冷却塔风机运转台数的控制，当冷却水供水水温高于要求值时加大风量(或增加冷却塔风机运行台数)，反之则减少风量，以便降低能耗。
　　 对于多风机(或多转速)的冷却塔，如果在所有风机全开启(或者最高速)后，冷却水供水温度仍不能满足工艺要求，这时应通过BAS程序开启另外一台冷却塔来增加冷却效果。
　　 所以冷却塔控制的必要条件是：对冷却塔供水温度的监测；对冷却塔风机和相应电动蝶阀的控制。
　　 冷却水的变频调速控制，也是以节约能源为目标。当系统对冷冻水量的需求降低时，与之相应，对冷却水的需求也会减少。这种负荷变化反映在冷却水时，其表现是冷凝器出水温度比额定值低，冷却塔进水温度低了，可以减少冷却塔运转风机数量，与此同时还可以降低冷却水泵的运转水平，以节约冷却水泵耗电。
　　 冷却水的变频调速和冷冻水的变频调速，在控制上没有直接逻辑关系，只有间接影响。但和蒸发器的最低水流量限制一样，冷凝器也有最低水流量限制，所以对冷却泵转速的调整，也有最低值限位的要求。
　　

三、提高系统容错能力和可靠性的技术措施

　　空调冷冻水控制系统，包含冷源侧和负荷侧，涉及的设备多，控制复杂；空调装置的正常与否，直接影响建筑物设备的综合功能，关系重大。控制方案采用变一次流量，更有严格的技术要求。所以，控制系统设计应该具有提高系统容错能力和可靠性的技术措施。
　　 (1) 除了主要工作模式以外，还考虑后备工作模式
　　 系统的主要工作模式以变一次流量控制作为设计目标，同时也保留了以传统模式工作的可能性(作为备用模式)。在设备全部正常时，变频调速冷冻水泵闭环控制投运，系统作变一次流量控制；万一变频调速闭环控制不能投运时，系统也可非常方便地切换成传统工作模式，即冷冻水泵恒定转速，同时投入压差旁通控制，系统仍能正常运行，只是后者的节能效果比前者差。
　　 为了实现这一后备运转能力，只需把低流量旁通阀门的规格仍选择为能够作压差旁通控制的规格。在相应控制器中设置这两种控制模式的程序，并使操作员能够作模式选择。由于两种工作模式在设备配置上差异不大，控制元件的配置和选择能满足这两种工况的需要。
　　 (2) 系统运转可以不完全依赖BAS和冷冻机的通讯
　　 前面已经介绍，冷却水供回水温度(即：冷凝器进出口温度)可以通过冷冻机的数据通讯获得，表面上似乎不必测量冷却水供、回总管的温度。其实不然，增加设置冷却水供、回总管的温度，可以使冷却水系统的监控不依赖于BAS和冷冻机的数据通讯，BAS照常能够进行冷却水供水温度控制，使系统运转的容错能力大为提高。所化代价不高，但带来的灵活性和可靠性是长期可以起作用的。不依赖BAS和冷冻机通讯时，系统只能以备用模式工作，且对冷冻机组的启停控制由人工操作。

四、关于冷冻机蒸发器的低水流量性能

　　为了使本系统能够按设计要求实现预定的控制功能，要求所有机电设备的性能、规格应该和系统相匹配。特别是冷冻机蒸发器的低水量性能和供水温度控制性能，这是变一次流量控制系统成功与否的关键。
　　 目前市场上冷冻机的低水量能力这个指标相差很大，它们的最低许可流量大致在额定值的20~90%之间。如果冷冻机蒸发器的最低许可流量较低，则冷冻水可调节范围较大，采用变频调速控制冷冻水流量，能够在较大的动态范围内工作，可以取得很好的节能效果。
　　 如果冷冻机蒸发器的最低许可流量和额定值接近，则冷冻水可调节范围较小，实际运转中如何满足负荷侧需求的控制有难度，变频调速范围狭窄，采用变一次流量控制的效能不高。所以冷冻机蒸发器的最低许可流量值这个冷冻机技术指标的选择对于变一次流量控制来说，有关键意义。总之，冷冻水泵采用变频调速，就应该配置低水流量能力的冷冻机，以便和冷冻水的变一次流量控制配套。
　　 在过去冷冻机蒸发器的水流量是不允许低于额定值的，这一点以前大多数产品说明书上都有明确规定。在当时条件下，冷冻机蒸发器过低水流量，有可能使蒸发器结冻，造成严重设备事故。近年来，测量和控制技术的发展，使冷冻机的综合控制水平有了很大的提高。随着空调冷冻水变一次流量技术的出现，冷冻机蒸发器的最低允许水流量一直在降低。例如采用双机头的离心式压缩机的最低水流量可以接近20%，这就为良好的变一次流量控制创造了条件。

五、基于需求的控制-当前冷冻水系统控制的发展趋势

　　 近几年来，先进地区暖通空调控制技术有了很大的发展。表现在冷冻水系统控制方面，就是根据负荷侧的实际需求，提供恰如其分的冷冻水流量。这就是基于需求的控制策略。下面就这些最新发展作简要的介绍。
　　 前面的讨论把冷冻水泵变频调速控制的过程变量-系统供回总管之间最不利压差看作一个固定的监测点，对这个压差的预设定值也是固定不变。其实，系统供回总管之间最不利的压差点是随着建筑物各处负荷的变化而变化的。虽然供回总管远端比较近端更容易处于最不利状态，当近端某个空气处理机负荷很大，远端的空气处理机负荷很小时，最不利压差点就不一定是在管路的最远端。所以把过程变量监测点固定于某一点的做法有瑕疵。
　　 为了克服这一个问题，就产生了对系统压差进行再设定的控制。把压差设定值称为“再设定值”是因为这个设定值不是固定不变的，而是按照负荷侧的水流量需要不断地调整，故称“再设定”。系统需要测量空调水系统负荷侧所有空气处理单元调节阀门的开启程度和它的负荷率水平，据此给出一个合理的压差再设定值，控制目标是使系统压力维持在刚好满足负荷需求的水平上；就是始终不断地调整系统压差的预设定值，使系统内相对负荷率最大的空气处理机的控制阀门刚好处于全开状态。
　　 这样的控制算法，能够保证负荷侧流量率最大(最不利情况)支路得到足够的压力，同时把系统压力降到尽可能低。由于不同的负荷水平时需要的系统压力差别很大，所以对压差的再设定和控制算法将决定变一次流量控制系统的节能效率。而实现这种测量和控制，必须依赖BAS的控制网络，因为空调水系统的控制调节阀门分布于建筑物的各处，只有通过控制网络，才可能把阀门开度百分率等信息传送到作变一次流量策略控制的控制器中。
　　 这里描述的，就是基于需求的控制策略在空调水变一次流量控制方面的应用。这种控制要求监测负荷侧众多空气处理机调节阀门的开度以及它们的工况，所以变一次流量控制系统离不开控制网络和DDC控制技术。进一步深化这种控制策略，在DDC控制网络和一定软件支持下，甚至可以摈弃传统的PID控制算法，形成全新的控制方法，这就是汤母斯.哈特曼(Thomas B. Hartman )先生所倡导的关于暖通空调系统的全局优化控制策略。
　　 这种先进的、全新的控制算法和策略，对暖通空调设备及其控制元件的要求、对建筑设备控制系统的设计和系统集成的要求和以前有很大不同。所以建设先进和完善的楼宇自控系统，并不仅仅是控制工程师的事情。这一点需要暖通工艺的设计者、建筑物的业主，有关专家、控制系统的设计者以及一切关心本行业发展的人士共同关注这方面的发展和进步。

参考文献：

　　1.汤母斯.哈特曼(Thomas B. Hartman ): Optimizing All-Variable Speed Systems with Demand Based Control, The Automator, AutomatedBuildings.com May 2002
　　2.汤母斯.哈特曼(Thomas B. Hartman ): All-Variable Speed Centrifugal Chiller Plants: Can We Make Our Plants More Efficient? The Automator, AutomatedBuildings.com March 2002
　　3.汤母斯.哈特曼(Thomas B. Hartman ): Global Optimization Strategies for High-Performance Controls, ASHRAE Transactions Vol. 101, Pt. 2; June, 1995
　　4.汤母斯.哈特曼(Thomas B. Hartman ): PID Control: May It Rest in Peace, HPAC Engineering July 2002 1

（摘自《城市·建筑智能系统》第十期）