冰蓄冷系統運行及控制策略探討

楊 寧,史維秀,謝朝國

(1.上海市安裝工程有限公司采購中心設備部,上海,200080;2.天津大學熱能系,天津,300072;3.廣東省重工建筑設計院有限公司,廣州,510030)

1 引言

冰蓄冷是近年來研究、發(fā)展的一種節(jié)能新技術,成為現代空調發(fā)展的一個重要方向[1]。冰蓄冷就是利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存。蓄冷空調系統本身并不節(jié)電,但是它利用夜間低谷電力制冰,白天融冰制冷,實現了電網 “削峰填谷”,而且利用峰谷電價差可節(jié)省電費,為電網的生產和供應帶來顯著效益,避免因高峰時段供電不足而新建電廠的額外投資,特別適用于全天間斷運行或峰谷負荷差較大的連續(xù)運行系統[2,3]。蓄冷空調系統相當于是 “不耗能”的發(fā)電廠。目前我國很多省市已實施分時電價,以鼓勵用電單位在電負荷低谷用電,控制高峰用電量,實現對電網的 “削峰填谷”,緩解電力緊張,減少電力建設投資[4,5]。本文主要根據實際工程重點討論乙二醇冰蓄冷系統的運行和控制策略。

2 工程概況

無錫國際會議中心 (君來廣場)無錫君來洲際酒店總建筑面積113212m2,設計日尖峰冷負荷為11849kW。冷凍機房位于地下二層。冷凍水供回水溫度為12/7℃。

本工程1～6層為裙樓,其中1～5層功能為餐飲,6層功能為娛樂,裙樓每層面積約為4000m2;7～35層為主樓,其中7～11層和13～19層功能為辦公,21～35層功能為酒店,12層和20層為設備層,主樓每層面積約為1000m2。

本工程按冰蓄冷空調分量蓄冰模式設計,雙工況螺桿主機和盤管為串聯方式,主機位于盤管上游。經計算空調系統需配備空調工況制冷容量為3070kW(800RT)、制冰工況為1982kW(516.3RT)的雙工況離心式冷水主機二臺。雙工況主機可分別在空調和制冰兩種工況下運行。另配置制冷量為1343kW(350RT)的常規(guī)螺桿式主機兩臺作為基載,負擔夜間全部負荷及白天部分負荷。

3 空調負荷分布

設計日全天的空調負荷分布如圖1所示,“12所對應的點”表示上午11∶00-12∶00這個時間段的冷負荷值,該值為縱軸所對應的固定值。

圖1 設計日空調負荷分布圖

4 系統流程控制

根據氣候特點和空調實際需求,蓄冰系統可按以下四種工作模式運行:

主機單獨制冰:在24∶00～8∶00期間,雙工況主機制冰蓄冷3070kW/h(800RT/h);

融冰單獨供冷:此時不開主機,冷量由融冰提供,此模式可在春秋過渡季節(jié)或冷負荷較小期間運行;

主機與融冰聯合供冷:當設計日或負荷較大時,選用該模式提供冷量;

主機單獨供冷:該模式下,主機負責全部冷負荷。

4.1 雙工況主機制冰工況

該工況的流程圖如圖2所示,在夜間利用優(yōu)惠的低谷價和低峰負荷,雙工況主機全力制冰,將制得的冷量儲存在蓄冰裝置中。在制冰工況下,由于乙二醇溫度變化很大,故乙二醇循環(huán)泵的頻率設置2個。

開始制冰時,控制程序設定乙二醇循環(huán)泵在制冰工況頻率 (頻率稍低),設定雙工況主機的出口溫度為-5.5℃(可調)開始制冰。

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V4;關閉I-V2、I-V3;

2)運行順序:I-V2、I-V3關閉 →I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V4開啟→乙二醇泵 [定頻運行,42Hz(可調)]→冷卻水泵→冷卻塔組→雙工況主機 (開啟在制冰工況)。

3)控制程序跟蹤并顯示乙二醇的溫度。

4)系統處于此工況時,每半小時啟動一臺系統冷凍水泵,以防止板換冷凍水側冷凍水凍結。

圖2 雙工況主機制冰流程圖

注:(1)圖中細實線管路為冷卻水管路,粗實線管路為乙二醇管路,細虛線管路為冷凍水管路,粗虛線管路表示在該工況下無需運行的管路;

(2)閥門:粗線表示開啟,黑色填充表示關閉,細線表示調節(jié) (圖2至圖5均同)

制冰工況的控制方式為:

1)檢測冰槽液位冰量傳感器,計算冰槽當前冰量。

2)與雙工況主機通訊,檢測到主機的壓縮機狀態(tài),水流狀態(tài)和蒸發(fā)器的進出口溫度,確保主機的安全。

3)檢測冷卻塔的出水溫度,監(jiān)測冷卻塔的工作狀態(tài)。

4)設定冷卻塔出水溫度的低溫控制設定值(20℃,數值可調,調試后確定)和高溫控制設定值(30℃,數值可調,調試后確定),通過冷卻塔出水總管的溫度變化,自動控制冷卻塔風機的開啟臺數。當溫度小于低溫控制設定值時,停一臺冷卻塔風機;當溫度大于高溫控制設定值時,開一臺冷卻塔風機;每隔15分鐘系統自檢一次。

5)根據板換乙二醇側的溫度變化,定時啟動一臺冷凍水泵循環(huán)5～10分鐘,防止板換水側凍結。

6)設定蓄冰量,當前蓄冰量達到設定值時,或雙工況主機出水溫度低于保護溫度時,或設定低谷電時間已到時,停止該工況運行。

7)由乙二醇系統定壓裝置控制乙二醇系統管道的定壓值,并將乙二醇管道內的氣體排出。

8)雙工況主機乙二醇出口溫度設定值為-5.5℃(可調)。

9)在谷電時段后半段,控制程序設定乙二醇循環(huán)泵在制冰工況頻率二 (頻率稍高)運行,以保證乙二醇的流量。

4.2 融冰單獨供冷工況

該工況的流程圖如圖3所示,當系統指示融冰供冷,系統關閉所有雙工況主機,由融冰提供全部冷量。

運行策略為:

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V3;關閉I-V2a～b、I-V4;調節(jié)I-V1、I-V2。

2)運行順序為:I-V1a～b、I-V2、I-V3關閉→I-V2a～b、I-V1、I-V4開啟→系統冷凍水泵→乙二醇泵 (變頻控制)。

3)乙二醇泵變頻控制空調系統7℃(可調)的供水溫度。

圖3 融冰單獨供冷工況流程圖(圖例見圖2)

控制方式為:

1)檢測冰槽冰量傳感器,計算冰槽當前冰量。

2)設定融冰結束冰量100 RTh(384kWh)(可調),當前冰量小于設定值時,停止該工況運行,轉入雙工況主機單獨供冷工況。

3)冷凍水供水溫度控制設定值7℃(可調),運用PID計算,由板換二次側出口溫度傳感器Ti4控制乙二醇泵的變頻;由溫度傳感器Ti2(3.5℃,可調)控制電動調節(jié)閥I-V1、I-V2的開度,具體調節(jié)方式為,當Ti2溫度升高,開大I-V1關小I-V2,當Ti2溫度降低,開大I-V2關小I-V1。

4)由乙二醇系統定壓裝置控制乙二醇系統管道的定壓值,并將乙二醇管道內的氣體排出。

5)由冷凍水系統脫氣定壓裝置控制冷凍水系統管道的定壓值,并將冷凍水管道內的氣體排出。

6)根據供回水壓差設定值△P控制系統冷凍水循環(huán)泵的變頻運行,當僅有一臺系統冷凍水泵運行且頻率低于30Hz(可調)并持續(xù)10分鐘,改為由供回水壓差設定值△P控制供回水壓差旁通閥。

7)檢測冷凍水流量傳感器、冷凍水供回水溫差來測算末端負荷。

8)控制程序跟蹤并顯示系統各傳感器參數。

4.3 雙工況主機單獨供冷工況

該工況的流程圖如圖4所示,雙工況主機單制冷工況為非標準工作模式,僅在夜間沒有蓄存冰量或蓄冰裝置故障或蓄存冰量已用完的情況下通過人工干預完成 (如果干預是指僅進行工況切換操作),對于雙工況主機而言,控制程序設定乙二醇循環(huán)泵在主機單獨供冷工況頻率,設定雙工況主機蒸發(fā)器的出口溫度為5℃(可調)。

圖4 雙工況主機單獨供冷工況流程圖(圖例見圖2)

運行策略為:

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V 2a～b、I-V2;關閉I-V1;調節(jié)I-V3、I-V4。

2)運行順序:I-V1a～b、I-V2a～b、I-V2、I-V4關閉→I-V1、I-V3開啟→系統冷凍水泵→乙二醇泵定頻開啟 (40 Hz,可調)→冷卻水泵→冷卻塔組→雙工況主機 (開啟在空調工況)。

3)控制系統可根據空調冷負荷的變化開啟制冷主機與相應的水泵與冷卻塔風機的數量。

4)由I-V3、I-V4來控制空調系統7℃(可調)的供水溫度。

5)控制程序跟蹤并顯示冰蓄冷系統各傳感器參數。

控制方式為:

1)與制冷主機通訊,適時檢測主機的壓縮機狀態(tài),水流狀態(tài)和蒸發(fā)器的進出口溫度,確保主機的安全。

2)檢測冷凍水流量傳感器、冷凍水供回水溫差來測算末端負荷。

3)檢測冷卻塔的出水溫度,監(jiān)測冷卻塔的工作狀態(tài)。

4)設定冷卻塔出水溫度低溫控制設定值(20℃,數值可調,調試后確定),高溫控制設定值(30℃,數值可調,調試后確定)。

5)結合實際負荷情況,選擇主機及相應的水泵、冷卻塔風機開啟臺數。

6)冷凍水供水溫度控制設定值7℃(可調),運用PID計算,由板換二次側出口溫度傳感器Ti4控制I-V3、I-V4的開度,具體調節(jié)方式為,當Ti4溫度升高,開大I-V3關小I-V4,當Ti4溫度降低,開大I-V4關小I-V3。

7)當乙二醇回水溫度Ti3≤7.5℃(可調)并持續(xù)15分鐘 (可調),系統判斷可停止運行一臺雙工況主機,反之則開啟一臺雙工主機。

4.4 雙工況機組與冰槽并聯供冷工況

該工況的流程圖如圖5所示,雙工況主機與蓄冰裝置聯合供冷工況包括主機優(yōu)先聯合供冷模式與融冰優(yōu)先聯合供冷模式。

圖5 雙工況機組與冰槽并聯供冷流程圖(圖例見圖2)

當系統需要聯合供冷模式運行時,控制程序設定乙二醇泵在聯合供冷工況頻率,設定雙工況主機的出口溫度為5.0～7.0℃。

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V 2a～b、I-V2;調節(jié)I-V1、I-V2、I-V3、I-V4。

2)運行順序為:I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V2關閉→I-V3、I-V4開啟→系統冷凍水泵→乙二醇泵 (定頻運行,48 Hz,可調)→冷卻水泵→冷卻塔組→雙工況制冷主機 (開啟在空調工況)。

3)雙工況主機優(yōu)先減負荷運行,不足的冷量由融冰滿足,控制系統通過溫度傳感器Ti2(3.5℃,可調)來調節(jié)電動閥I-V1和I-V2的開度;通過溫度傳感器Ti4(7℃,可調)來調節(jié)電動閥I-V3和IV4的開度。

4)根據空調冷負荷的變化啟、閉制冷雙工況主機與相應的水泵與冷卻塔的數量。

5)主機臺數控制:

①主機優(yōu)先模式:開啟2臺雙工況主機,主機出口溫度設定為3.5℃。當主機進口溫度Ti3≦8.5℃(可調),停掉一臺主機,但仍開啟2臺乙二醇泵,反之,當供水溫度Ti4持續(xù)10分鐘≧7℃(可調)時,增開一臺主機;

②融冰優(yōu)先模式:

主機出口溫度的設定按下式:

Tset=(L×3.516×0.86)×1.09/Q+Ti2

式中:

L—1小時的融冰量,RTh(kWh)[假設蓄冰量在空調運行的10小時內融完 (可按實際情況再調整),即每小時融冰量約為800RTh(3070kWh)(可調)];

Q—水泵運行總流量,m3/h;

Ti2—板式換熱器的進口溫度 (設定為3.5℃)

控制方式為:

1)檢測冰槽液位冰量傳感器,計算冰槽當前冰量。

2)設定融冰結束冰量100RTh(384kWh)(可調),當前冰量小于設定值時,停止該工況運行,轉入雙工況主機單獨供冷工況。

3)冷凍水供水溫度控制:設定值 (7℃,可調),運用PID計算,調節(jié)I-V3和I-V4的開度。

4)冰槽溫度控制 (即板式換熱器冷側乙二醇入口溫度,融冰優(yōu)先模式):乙二醇出口溫度控制設定值 (3.5℃),運用PID計算,調節(jié)I-V1和I-V2的開度。

5)通過檢測冷卻塔的出水溫度,監(jiān)測冷卻塔風機的工作狀態(tài)。

6)設定冷卻塔出水溫度。

7)結合實際負荷情況,控制冷凍水循環(huán)泵和乙二醇循環(huán)泵開啟臺數。

5 結論

蓄冷技術是一項促進能源、環(huán)境、經濟協調發(fā)展的實用節(jié)能技術。冰蓄冷中央空調系統的節(jié)能涉及范圍較廣,是一個系統工程,合理的設計方案、精心的施工安裝、科學的運行管理對冰蓄冷中央空調系統的節(jié)能都是至關重要的。本文主要從系統的運行及控制策略角度,結合無錫君來洲際酒店冰蓄冷中央空調系統具體特點和暖通空調相關技術理論,對冰蓄冷中央空調系統運行策略進行了分析探討,該控制策略在實際應用中也起到很好的節(jié)能效果。

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