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    江苏快3app:冷冻站控制及节能技术的应用和展望

    发布日期:2014-10-15 16:23:22       作者:谢杰       来源:商业规划院机电所

    快三走势图 www.39lhj.com   摘 要:本文介绍了冷冻站控制及节能技术的发展历史,分析了经典控制理论在冷冻站控制中的优缺点,介绍了嵌入哈特曼算法的全变频冷冻站控制策略的特点和节能价值。

      关键词:冷冻站 PID 全变频 哈特曼算法

      我国建筑能耗占社会总能耗30%左右,典型的商业综合体项目中,夏季空调能耗约占运营能耗的50%~60%,而在中央空调系统的耗能设备中,制冷压缩机、冷冻水泵、冷却水泵,冷却塔风机等冷冻站设备的能耗是最主要的,约占空调系统总能耗的60%~65%。而控制系统是中央空调设备运行的必要保障,同时在节能降耗中也发挥着重要作用,不同的运行控制策略将会导致不同的能耗。运用先进的控制算法来提高冷冻站设备组综合效率,是实现降低冷冻站能耗最直接、最有效的方法。万达集团是我国商业地产领域的领军企业,希望本文能对万达集团旗下的万达广场空调系统节能降耗起到建议作用。

      1 控制理论在冷冻站控制中的发展

      经典控制理论以频率法和根轨迹法为主体,在制冷空调系统中的应用源于20世纪50年代,被控参数主要是温度、压力、流量和液位??刂频哪康氖潜3终庑┕滩问奈榷?,消除和减小主要扰动的影响。系统主要为模拟控制,无需软件支持,通过硬件调整比例带(P)、积分时间(I)和微分时间(D)三个旋钮,利用反馈原理组成的闭环控制系统。此控制技术理论成熟、实践应用经验丰富,结构简单、投资少、易于调整和投入运行,但对于节能来讲并不具任何优势。

      60年代之后,现代控制理论得到应用,过程控制由单变量转向多变量系统。计算机控制系统开始应用于过程控制领域,实现了直接数字控制(DDC)。但控制策略对于节能方面的贡献依然乏善可陈。

      70年代中期,集散控制系统和PLC在建筑设备控制领域的推广,使得新风量的焓差控制等节能控制策略逐步施行。20世纪80~90年代是空调技术发展最快的时期。同时现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题,从而大大促进了过程控制的发展。同一实际,国内中央空调技术开始全面转向民用,更多的转变为对建筑空间的舒适性要求,传统上对温度、湿度等参数的工艺性要求不再那么严格,使控制理论在节能方面有所突破成为可能。

      2 变频节能技术在冷站控制中的应用

      20世纪90年代初,变频器引入中国,并迅速在节能控制领域得到推广。对于中央空调的冷冻站设备来说,其冷冻泵、冷却泵组、冷却塔等动力设备的电能消耗和阀门、挡板等相关设备的节流损失占到运营能耗的7 % ~2 5 %。目前投入使用的大型公共建筑冷冻站控制系统中,变频器主要应用冷冻站一级泵系统。通过调流调速,在理论上具有一定的节能效果,但从实践效果来看,冷冻站的实际能耗仍然未能得到显著降低。

      3 冷冻站实际能耗和冷冻站年平均综合运行效率

      我们知道,冷冻站实际能耗的降低与机组效率的提升有着直接的关联,所以可以用 “冷冻站年平均综合运行效率”来表征冷冻站运行的节能效果。所谓“冷冻站年平均综合运行效率”,即冷冻站中的冷冻机、水泵和冷却塔等全部动力设备输出单位冷量与输入电功率比率,用 kw/ton(千瓦/冷吨)表示。目前美国冷冻站(电制冷)实测年平均综合运行效率普遍为1.0kw/ton~1.2kw/ton。显然这并不是一个理想的节能数据,而且在国内现有控制技术和安装、运维条件下,很明显在这个数据还会更加劣化。

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    图一:冷冻站年平均综合运行效率

      4 冷冻站综合运行效率无法有效提升的主要原因

      首先,目前多数大型商业综合体项目中,冷站最大的能耗设备—冷水机组通常是定速的。以离心机组为例,随负荷减少,机组效率下降。当负荷下降小于70%左右时,其运行效率线开始出现拐点。即定速冷水机组本身不能在负荷变化时维持设计效率。同时,因为定速冷冻机组冷凝器不能变流量,控制系统无法对一次冷冻泵实现变频控制。

      其次,目前多数冷冻站控制系统,对各种变量的控制还是基于单输入单输出的比例控制模式(PID--比例积分微分),或者采用植入PID控制软件的DDC(直接数字控制)。对存在多个PID回路,无法协同增效而令整个冷冻站高效运行。目前冷冻站控制系统的启动策略是基于单台受控设备转速或流量而非同名设备组综合运行效率。即系统会让一台主机达到满负荷后,再启动下一台冷冻机和其相连的冷却水泵。即冷冻站中同名设备组和效率关联设备之间无“对话”机制,无法“协同增效”运行。

      综上所述,冷冻站实际能耗不能降低的根本原因,是受冷水机组工艺特点和现有控制策略算法限制,冷站机组系统的综合运行效率已无法有效提高。

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    图二:比例控制模式

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    图三:植入PID控制软件但性能更完善的DDC

      5 冷冻站全变频控制技术的特点和节能应用

      由上述分析可知,如果新的控制技术能够在冷冻机蒸发侧和冷凝侧水量变化及负荷的变化中,实时控制、调节所有设备组(泵组)运行于最佳效率频点,大幅提高冷冻站综合运行效率,那么降低冷冻站乃至建筑电耗的目标将是可期待的。

      随着冷水机组及其控制技术的不断发展, “全变频冷冻站”近年来得到广泛的发展和应用。全变频冷冻站由全变频冷水机组、泵组及一套嵌入哈特曼算法的全变频控制装置及软件组成。其与常规冷冻站的的主要区别是,冷水机组及所有泵组都加载了变频器,通过以太网,任何时间和负荷条件下,冷冻站标准控制箱(基于微机和PLC)或DDC控制器都能够协同控制所有冷站设备的运行。

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    图四:全变频冷冻站优化网络

      全变频冷冻站的年平均综合运行效率范围在0.45kw/ton至0.65kw/ton,主要根据当地天气、采用的设备,管路组合和负荷模型而有变化。比常规冷冻站的年均运行效率提高了40%至60%,或者是每个安装冷量的耗电减少了800kwh至1200kwh。

      6 在“全变频冷冻站系统”控制中使用哈特曼算法

      哈特曼算法的基本控制理论由三部分组成:即自然曲线、相等边际效能原则(Equal Marginal Performance Principle)和按需主动控制原则(Demand Based Control)。

      所谓“自然曲线”即冷冻机、水泵和冷却塔风机等离心机械的最佳效率曲线??刂破髟は劝阉欣湔旧璞傅淖罴研是呤淙胄酒?,在运行过程中,控制器跟随系统负荷的变化,实时比较设备组的综合运行效率线是否接近“自然曲线”,利用效率标尺作为设备启动策略定序和变频调速的依据。他解决了传统控制策略逐台启动和调速的问题,使设备组而非单台设备始终工作于最佳效率频点。如下图,某种工况下,开3台冷冻机的能耗其实比开2台冷冻机的能耗更低。

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    图五:哈特曼算法与普通算法能效对比

      图三中,左图表示嵌有哈特曼算法的控制器在负荷为38.7%时,让3台冷冻机在线,冷冻站综合运行效率为0.47kw/ton.而右图表示的传统控制系统在同样负荷下,启动2台冷冻机,冷冻站综合效率为0.95kw/ton.

      “相等边际效能原则”即四个冷冻站电力构件的冷量-耗功之斜率相等。也就是说当几乎相等的额外电量加载于冷冻站各设备上,如果冷冻站各设备能够提供相等的系统额外冷量时,这时整个冷冻站的效率是最优化的。它解决了传统冷冻站控制系统中的三个独立PID反馈回路,即冷冻机-冷冻水温度PID回路、冷却塔-冷却水温度PID回路、冷冻泵-压差PID回路相互之间不能通信和对话 ,负荷需求无法优化分配到各回路变频设备的问题。

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    图六:相等边际效能原则

      “按需主动控制”是把整个冷冻站作为一个整体而实施的简单的功率型主动控制。内部固有原理是“关联控制”,依托网络使用相等边际效能原则对冷站所有变频设备进行操控??刂葡低车备兄较低车母汉尚枨笫?,能够按照电脑芯片中预设的冷冻机、冷却塔和冷却泵对应的最佳功率关系,主动调节冷却塔和冷却泵运行在某一固定频率值上。

      7 总结和结论

      利用“相等边际效能原则”的“按需主动控制”比传统的PID控制及其改进算法更能符合冷冻站控制的特点,采用哈特曼全变频冷冻站比传统的定速冷冻站能节能40%~60%,是一种值得在舒适性中央空调系统中使用的冷冻站控制方案。

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