工業冷凍水集群控制系統新型節能策略研究

張歡，王壽川，黃靜，李光曼

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

為了響應國家“十三五”期間節能減排和科技創新的戰略需求，對生產環節的節能化、環保化、安全化和智能化改造、升級依然是企業降本增效的核心方向。作為新型工業園區在冷源利用過程中節能與智能化方面的重要突破，冷凍水集群系統得以推廣應用，優點在于解決了重復性建設和占地面積問題，降低了投資和維護成本，便于集中管理[1-2]。受限于系統的自動控制及人員管理水平，我國冷凍水集群系統的綜合能效比為2.5～3.0，與發達國家相比有較大差距[3]。因此，冷凍水集群系統的節能控制成為亟需解決的關鍵問題。

針對冷凍水集群系統的節能控制方案，諸多學者進行了研究與探討。唐伯平等[4]和朱肖晶等[5]分別提出了以時序控制和均等運行時間控制為導向，通過判斷機組負載和出水溫度進行節能控制。劉靜紈等[6]分析了基于流量控制的弊端，提出了冷凍機房變水流量和變水溫相結合的節能控制策略。姚健等[7]分析了冷凍側、冷卻側的水流量對制冷機房綜合能效的影響，提出大溫差模式的節能控制策略。卓明勝等[8]從變頻離心式冷水機組的特性角度，研究了冷凍機房的節能方案，并對系統優化控制策略進行驗證。上述研究集中于常規商用中央空調的一次回路系統的節能控制，工業冷凍水集群的末端多而雜，負荷隨機性強、變化大，傳統的群控方式并不適用。

本文結合實際工程經驗，以某中央空調互聯工廠的集中冷凍水系統為案例，通過3層網絡對系統進行集中監控，通過節能控制系統對冷水機組群、泵組和閥組進行聯控聯調，進而提升系統的節能性和穩定性，為類似工程設計應用提供參考。

1 項目概況

某中央空調互聯工廠的集中冷凍水（冷凍水集群）系統，系統包括冷凍水池、冷水機組群、機組冷凍泵組、集中冷凍水供液泵組及分集水器等設備[9]，主要對水冷機組實驗臺、風冷機組實驗臺、廠房降溫系統等提供集中、干路冷凍水（出水溫度不高于7℃），其控制部分獨立于末端各個實驗裝置和組合式空調，自成調控回路實現恒壓供水和恒溫供水功能。機組冷卻水由工廠集中冷卻水系統供應，本文不作深入探討。

該集中冷凍水系統工作原理如圖1所示，設備配置如表1所示。

圖1 集中冷凍水系統工作原理

表1 集中冷凍水系統設備配置表

2 監控系統設計

集中冷凍水節能控制系統，通常由3層網絡構成：管理層、控制層和設備層[10-11]。

管理層包括服務器或工作站、節能控制軟件和網絡接口等。系統節能控制軟件擁有良好的兼容性、擴展性和開放性，可實現能耗上傳和web訪問功能。

控制層包括節能控制中心、節能控制單元、現場操作屏和現場控制網絡等。主要實現運行數據的實時采集與分析，并采用合理的控制策略對冷水機組群、泵組和閥組進行邏輯控制，最終提高系統運行可靠性，減少運行能耗。

設備層包括主機設備、輔助設備、末端設備、智能儀表和傳感器等。

通過3層網絡結構，集中冷凍水節能控制系統可實現豐富的參數測量功能：冷水機組群、集中冷凍水供液泵組、機組冷凍水泵組和冷卻水流量調節閥等運行狀態實時監控及故障自檢；機組冷凍水進出水溫差及瞬時冷量；機組累計冷量；機組冷卻水進出水溫差及瞬時冷量；集中冷凍水供液溫度、回液溫度、供液壓力和瞬時冷量等。節能控制系統還具備一定的能量調節功能，如冷水機組及其附屬設備的負荷控制、臺數控制和起停控制等。

3 系統節能控制策略

3.1 冷水機組節能控制策略

由于大型工業園區的末端負荷具備隨機性強、變化區間大的特點[12]，傳統的冷水機組控制系統容易導致水溫波動較大，機組頻繁啟停，系統穩定性較差，且定頻水泵無法實現流量調節，不利于節能[13-14]。本項目采用冷水機組節能控制策略，如圖2所示具體分為5個步驟。

圖2 冷水機組節能控制策略

1）啟動策略：開機時，通過實時監測系統的壓力、溫度等參數和機組的故障情況，結合內置的專家節能數據庫進行分析計算后，自動確定開機組合，也可由操作人員進行手動設定。

2）系統運行：機組完成開機動作并輸出了相應的冷量后，系統采集當前冷水機組進出水溫度和流量信息，計算系統負荷率f(a)和單機負荷率f(b)，進行適當的加載和加檔策略。

3）加載策略：壓縮機采用變頻控制，通過冷凍水出水溫度和轉速可調范圍來實現制冷量的無極調節；冷凍水泵采用變頻控制，冷卻水回水安裝兩通流量調節閥，通過供回水溫差監控實現變流量調節。

4）加檔策略：通過機組能效曲線，結合離心壓縮機的運行特性，分析其運行的高效區段，對不同能力的多臺機組進行優化匹配組合，提高運行效率。

5）關機策略：當出現冷凍水池液位低時，則依次關閉所有設備；當出現某個供液泵過流或變頻器報警時，則立即停止相應的設備。

鑒于以上策略，對系統運行參數進行定義。

系統負荷率：

單機負荷率：

式中：

n——開啟機組臺數，臺；

t1——冷凍水進水溫度，℃；

t2——冷卻水進水溫度，℃；

I——機組當前狀態下實際運行電流，A；

Iref——機組當前狀態下滿載運行電流，A。

3.1.1 冷水機組加載控制策略

為更好地應對大型工業園區的需冷量隨機性強、變化大等負荷要求，本系統冷水機組壓縮機采用變頻控制，每臺機組對應一套比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）調節功能。通過可編程邏輯控制器實時采集機組冷凍水出水溫度t3pv，不斷與目標值t3sp進行對比，由節能控制系統計算后，對冷水機組控制器發出指令，進而控制壓縮機的變頻調節。冷水機組加載控制策略如圖3所示。

實時采集冷水機組的啟停信息，進而判斷相應機組冷媒水泵的啟停和冷卻水調節閥的供電，實現機組開啟則相應輔助設備自動開啟的功能。機組冷凍水泵采用變頻控制，通過冷凍水供回水溫差△T1pv與目標值△T1sp值進行對比，結合流量可調范圍來實現變流量調節；機組冷卻水，通過供回水溫差△T2pv與目標值△T2sp值進行對比，結合流量可調范圍來實現變流量調節。

圖3 冷水機組加載控制策略

3.1.2 系統加檔控制策略

冷水機組的加檔策略是基于優化模型來執行的，即滿足冷負荷需求的前提下，以機組的高能效為控制目標，在不同運行檔位中尋優并確定機組運行組合，進行加減檔判斷。

根據磁懸浮離心壓縮機的特性，結合機組廠家給出的能效數據庫，在相同狀況下，單個壓縮機在負荷率75%以上為其高效區[15-17]。因此，控制系統采集當前冷水機組進出水溫度和流量信息，計算系統負荷率f(a)和單機負荷率f(b)，進行加檔和降檔程序，盡量使壓縮機工作維持75%負荷以上運轉，不同負荷率下冷水機組的加檔策略如圖4所示。

加檔程序：當出水溫度大于設定值，即t3pv＞t3sp，持續時間5 min（可調整）并且已運行的機組的負載f(b)都持續大于95%（可調整）時，進行加檔程序。降檔程序：當出水溫度小于設定值，即t3pv＜t3sp，持續時間5 min（可調整）并且已運行的機組的f(b)負載都持續小于75%（可調整）時，進行減檔程序。

系統加減檔的檔位設計，充分考慮到實際運行中，末端負荷的大小是實時變化的，因此系統需要頻繁切換運行檔位，而在切換過程中各設備加載需要一定的響應時間，所以在檔位設計時為系統負荷切換觸發值留下一定裕量，使相鄰兩檔的系統負荷存在5%的重合區間。系統的檔位設計如下：1檔為1#+2#+3#+4#+5#+6#機組，滿載能力 4,212 kW；2檔為1#+2#+3#/4#+5#/6#機組，滿載能力3,161 kW；3檔為1#+2#+3#/4#機組，滿載能力 2,844 kW；4檔為1#+2#+5#機組，滿載能力2,427 kW；5檔為1#/2#+3#/4#機組，滿載能力 1,789 kW；6檔為1#/2#+5#/6#機組，滿載能力1,372 kW；7檔為1#/2#機組，滿載能力1,055 kW。不同負荷率下的檔位切換模式如表2所示。

圖4 系統加檔控制策略

對于不同檔位中，相同型號機組的啟停順序，遵照時序控制和均等運行時間控制原則。可編程邏輯控制器把機組的運行時間納入啟停邏輯，遵循先開先停、先停先開、均勻配置的控制模式。該模式的優點在于，自動地控制各機組進行輪流工作，延長設備的使用壽命。

表2 不同負荷率下檔位切換模式

3.2 供液泵組節能控制策略

集中冷凍水供液系統，為多臺同型號水泵并聯的變流量系統。本系統采用恒壓供水的控制邏輯，基于總供水壓力恒定的原則，采用時序和均等運行時間相結合的模式進行泵組的同步變頻控制。通過集中冷凍水供液壓力ppv與目標值psp，經節能控制系統計算后，控制水泵變頻器的輸出，進行供液壓力調節。針對水泵的高效運行范圍，設置運行頻率的上限和下限，作為加減泵的判斷依據。

與傳統的多泵并聯供水方式相比，該控制方式有顯著的節能效果，但仍存在一定的節能空間。由于末端流量變化幅度較大，隨機性較強，存在不同的流量范圍內同步變頻和不同步變頻兩種運行模式下的節能問題。為了滿足最不利末端環路負荷，給定的供水壓力往往較大，且不能根據流量變化而改變，不利于系統節能。因此，后續項目的供液泵組節能控制策略可進行如下改進：采用流量與供水壓力的聯合控制方式對水泵進行變頻調節，以供水壓力為控制目標，結合多臺同類型水泵并聯時同步變頻和不同步變頻的運行特點，引入單泵允許流量區間，分段選擇運行模式，即單泵循環水量介于允許流量區間時，采用多泵同步變頻模式優于多泵不同步變頻模式；單泵循環水量高于或低于允許流量區間時，采用多泵不同步變頻模式優于多泵同步變頻模式[18-19]，其控制流程見圖5。

圖5 集中冷凍水供液泵變頻優化控制流程

4 實驗分析

根據當地室外氣象參數，確定7月需冷負荷較高且相近的某兩天為典型日，對集中冷凍水系統運行參數進行監測。方案1選擇現場手動啟停切換設備，泵組、閥組為滿載運行，方案2選擇節能控制系統，分別記錄這兩個工作日的設備運行數據。以系統綜合能效比為指標，對集中冷凍水系統全套設備運行的節能效果進行考核，如圖6所示。

由實驗數據可知，采用節能控制系統下的系統綜合能效比有著明顯的提升，全天綜合能效比為5.32，達到新加坡對新建非居住建筑制冷機房能效比 5.0的綠色建筑要求[20]。系統綜合節能率約為27.4%，按照預期 1,620 MW 的規劃年用電量，1.00 元/(kW·h)的電費費率，每年可節省電費約44.39萬元。

采用節能控制系統下的綜合能效比數值較為穩定，歸因于變頻技術的應用，以及響應時間、檔位裕量等設置，有效改善了傳統模式下穩定性較差的缺陷，系統保持高效穩定的運行。

圖6 集中冷凍水系統綜合能效

5 結論

本文從某中央空調互聯工廠的集中冷凍水系統的項目實際出發，進行節能控制系統方案探討，研究了冷水機組群、泵組和閥組的節能控制策略，探討了并聯泵組的同步異步變頻技術的節能邏輯，得到如下結論：

1）該節能控制系統，有效提升了系統的綜合能效比，全天綜合能效比為5.32，相比于傳統模式下的綜合節能率約為27.4%；

2）該節能控制系統，有效提升了系統運行的穩定性，改善了機組頻繁啟停而導致的系統波動；

3）本文并未應用并聯泵組的同步異步變頻技術，且未采用多維尋優算法方式對系統的最優效率點進行探討，仍有一定的節能空間以待挖掘。