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冷凍站控制及節能技術的應用和展望

發布日期:2014-10-15 16:23:22       作者:謝杰       來源:商業規劃院機電所

  摘 要:本文介紹了冷凍站控制及節能技術的發展歷史,分析了經典控制理論在冷凍站控制中的優缺點,介紹了嵌入哈特曼算法的全變頻冷凍站控制策略的特點和節能價值。

  關鍵詞:冷凍站 PID 全變頻 哈特曼算法

  我國建筑能耗占社會總能耗30%左右,典型的商業綜合體項目中,夏季空調能耗約占運營能耗的50%~60%,而在中央空調系統的耗能設備中,制冷壓縮機、冷凍水泵、冷卻水泵,冷卻塔風機等冷凍站設備的能耗是最主要的,約占空調系統總能耗的60%~65%。而控制系統是中央空調設備運行的必要保障,同時在節能降耗中也發揮著重要作用,不同的運行控制策略將會導致不同的能耗。運用先進的控制算法來提高冷凍站設備組綜合效率,是實現降低冷凍站能耗最直接、最有效的方法。萬達集團是我國商業地產領域的領軍企業,希望本文能對萬達集團旗下的萬達廣場空調系統節能降耗起到建議作用。

  1 控制理論在冷凍站控制中的發展

  經典控制理論以頻率法和根軌跡法為主體,在制冷空調系統中的應用源于20世紀50年代,被控參數主要是溫度、壓力、流量和液位。控制的目的是保持這些過程參數的穩定,消除和減小主要擾動的影響。系統主要為模擬控制,無需軟件支持,通過硬件調整比例帶(P)、積分時間(I)和微分時間(D)三個旋鈕,利用反饋原理組成的閉環控制系統。此控制技術理論成熟、實踐應用經驗豐富,結構簡單、投資少、易于調整和投入運行,但對于節能來講并不具任何優勢。

  60年代之后,現代控制理論得到應用,過程控制由單變量轉向多變量系統。計算機控制系統開始應用于過程控制領域,實現了直接數字控制(DDC)。但控制策略對于節能方面的貢獻依然乏善可陳。

  70年代中期,集散控制系統和PLC在建筑設備控制領域的推廣,使得新風量的焓差控制等節能控制策略逐步施行。20世紀80~90年代是空調技術發展最快的時期。同時現代控制理論從本質上解決了一般多變量系統的控制問題,從而大大促進了過程控制的發展。同一實際,國內中央空調技術開始全面轉向民用,更多的轉變為對建筑空間的舒適性要求,傳統上對溫度、濕度等參數的工藝性要求不再那么嚴格,使控制理論在節能方面有所突破成為可能。

  2 變頻節能技術在冷站控制中的應用

  20世紀90年代初,變頻器引入中國,并迅速在節能控制領域得到推廣。對于中央空調的冷凍站設備來說,其冷凍泵、冷卻泵組、冷卻塔等動力設備的電能消耗和閥門、擋板等相關設備的節流損失占到運營能耗的7 % ~2 5 %。目前投入使用的大型公共建筑冷凍站控制系統中,變頻器主要應用冷凍站一級泵系統。通過調流調速,在理論上具有一定的節能效果,但從實踐效果來看,冷凍站的實際能耗仍然未能得到顯著降低。

  3 冷凍站實際能耗和冷凍站年平均綜合運行效率

  我們知道,冷凍站實際能耗的降低與機組效率的提升有著直接的關聯,所以可以用 “冷凍站年平均綜合運行效率”來表征冷凍站運行的節能效果。所謂“冷凍站年平均綜合運行效率”,即冷凍站中的冷凍機、水泵和冷卻塔等全部動力設備輸出單位冷量與輸入電功率比率,用 kw/ton(千瓦/冷噸)表示。目前美國冷凍站(電制冷)實測年平均綜合運行效率普遍為1.0kw/ton~1.2kw/ton。顯然這并不是一個理想的節能數據,而且在國內現有控制技術和安裝、運維條件下,很明顯在這個數據還會更加劣化。

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圖一:冷凍站年平均綜合運行效率

  4 冷凍站綜合運行效率無法有效提升的主要原因

  首先,目前多數大型商業綜合體項目中,冷站最大的能耗設備—冷水機組通常是定速的。以離心機組為例,隨負荷減少,機組效率下降。當負荷下降小于70%左右時,其運行效率線開始出現拐點。即定速冷水機組本身不能在負荷變化時維持設計效率。同時,因為定速冷凍機組冷凝器不能變流量,控制系統無法對一次冷凍泵實現變頻控制。

  其次,目前多數冷凍站控制系統,對各種變量的控制還是基于單輸入單輸出的比例控制模式(PID--比例積分微分),或者采用植入PID控制軟件的DDC(直接數字控制)。對存在多個PID回路,無法協同增效而令整個冷凍站高效運行。目前冷凍站控制系統的啟動策略是基于單臺受控設備轉速或流量而非同名設備組綜合運行效率。即系統會讓一臺主機達到滿負荷后,再啟動下一臺冷凍機和其相連的冷卻水泵。即冷凍站中同名設備組和效率關聯設備之間無“對話”機制,無法“協同增效”運行。

  綜上所述,冷凍站實際能耗不能降低的根本原因,是受冷水機組工藝特點和現有控制策略算法限制,冷站機組系統的綜合運行效率已無法有效提高。

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圖二:比例控制模式

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圖三:植入PID控制軟件但性能更完善的DDC

  5 冷凍站全變頻控制技術的特點和節能應用

  由上述分析可知,如果新的控制技術能夠在冷凍機蒸發側和冷凝側水量變化及負荷的變化中,實時控制、調節所有設備組(泵組)運行于最佳效率頻點,大幅提高冷凍站綜合運行效率,那么降低冷凍站乃至建筑電耗的目標將是可期待的。

  隨著冷水機組及其控制技術的不斷發展, “全變頻冷凍站”近年來得到廣泛的發展和應用。全變頻冷凍站由全變頻冷水機組、泵組及一套嵌入哈特曼算法的全變頻控制裝置及軟件組成。其與常規冷凍站的的主要區別是,冷水機組及所有泵組都加載了變頻器,通過以太網,任何時間和負荷條件下,冷凍站標準控制箱(基于微機和PLC)或DDC控制器都能夠協同控制所有冷站設備的運行。

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圖四:全變頻冷凍站優化網絡

  全變頻冷凍站的年平均綜合運行效率范圍在0.45kw/ton至0.65kw/ton,主要根據當地天氣、采用的設備,管路組合和負荷模型而有變化。比常規冷凍站的年均運行效率提高了40%至60%,或者是每個安裝冷量的耗電減少了800kwh至1200kwh。

  6 在“全變頻冷凍站系統”控制中使用哈特曼算法

  哈特曼算法的基本控制理論由三部分組成:即自然曲線、相等邊際效能原則(Equal Marginal Performance Principle)和按需主動控制原則(Demand Based Control)。

  所謂“自然曲線”即冷凍機、水泵和冷卻塔風機等離心機械的最佳效率曲線。控制器預先把所有冷站設備的最佳效率曲線輸入芯片,在運行過程中,控制器跟隨系統負荷的變化,實時比較設備組的綜合運行效率線是否接近“自然曲線”,利用效率標尺作為設備啟動策略定序和變頻調速的依據。他解決了傳統控制策略逐臺啟動和調速的問題,使設備組而非單臺設備始終工作于最佳效率頻點。如下圖,某種工況下,開3臺冷凍機的能耗其實比開2臺冷凍機的能耗更低。

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圖五:哈特曼算法與普通算法能效對比

  圖三中,左圖表示嵌有哈特曼算法的控制器在負荷為38.7%時,讓3臺冷凍機在線,冷凍站綜合運行效率為0.47kw/ton.而右圖表示的傳統控制系統在同樣負荷下,啟動2臺冷凍機,冷凍站綜合效率為0.95kw/ton.

  “相等邊際效能原則”即四個冷凍站電力構件的冷量-耗功之斜率相等。也就是說當幾乎相等的額外電量加載于冷凍站各設備上,如果冷凍站各設備能夠提供相等的系統額外冷量時,這時整個冷凍站的效率是最優化的。它解決了傳統冷凍站控制系統中的三個獨立PID反饋回路,即冷凍機-冷凍水溫度PID回路、冷卻塔-冷卻水溫度PID回路、冷凍泵-壓差PID回路相互之間不能通信和對話 ,負荷需求無法優化分配到各回路變頻設備的問題。

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圖六:相等邊際效能原則

  “按需主動控制”是把整個冷凍站作為一個整體而實施的簡單的功率型主動控制。內部固有原理是“關聯控制”,依托網絡使用相等邊際效能原則對冷站所有變頻設備進行操控。控制系統當感知到系統的負荷需求時,能夠按照電腦芯片中預設的冷凍機、冷卻塔和冷卻泵對應的最佳功率關系,主動調節冷卻塔和冷卻泵運行在某一固定頻率值上。

  7 總結和結論

  利用“相等邊際效能原則”的“按需主動控制”比傳統的PID控制及其改進算法更能符合冷凍站控制的特點,采用哈特曼全變頻冷凍站比傳統的定速冷凍站能節能40%~60%,是一種值得在舒適性中央空調系統中使用的冷凍站控制方案。

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