區域能源站用戶側板式換熱器系統的性能仿真研究

曾賀湛，鐘如杰

（國家電投珠海橫琴能源發展有限公司，珠海 519031）

1 引言

現如今，板式換熱器已經廣泛應用于各種制冷站中，尤其在區域供冷能源站中，板式換熱器是不可或缺的換熱設備，中央空調系統的能效運行情況很大程度上取決于板式換熱器系統的換熱效果［1-6］。對于區域集中供冷系統，冷凍水系統存在輸送距離遠、熱容量大、惰性大、溫度反應慢的特點，為此，本文建立了區域能源站用戶側板式換熱器系統的模型，對變頻泵、調節閥、板式換熱器、末端、控制器等設備進行調試［7-10］。同時結合DeST軟件建立了區域能源站建筑末端負荷模型［11-12］，模擬了板換間運行參數的動態變化過程，分別討論了不同負荷、調節閥PID參數對板式換熱器一次側和二次側水溫的影響［13］。這對運用到板式換熱器的實際工程運行調節具有重要的指導意義。

2 板式換熱器系統模型

2.1 水力計算模型

水力計算用于確定系統各設備的水力參數。根據上一時刻群控參數計算結果，控制器下發控制信號調節閥開度和泵頻率。閥開度和泵頻率的改變將影響系統的水力參數。本時刻以上一時刻系統狀態參數及群控信號為輸入調節，進行水力計算，得到本時刻系統的各狀態參數。一次側和二次側的水路相對獨立，可分別進行計算。

2.1.1 一次側水力計算模型

一次側水力計算流程如圖1所示。以一次側總管壓差H0，一次側總管進出口水溫作為輸入條件。此處，認為H0已知且為定值。根據調節閥PID控制算法得到的控制信號，進行閥門開度調節。在此基礎上，假設調節閥兩端壓差為H1，調用調節閥水力計算模塊，可得通過調節閥的流量。由于調節閥與總管串聯，此時調節閥流量等于總管流量W。

在該假設條件下，利用求得的W，分別調用板換水力計算模塊（一次側）和管路水力計算模塊，可得板換一次側壓降H2及一次側管路壓降H3。將求得的H1、H2、H3之 和與總管壓差H0進行比較，若兩者相等（或差值小于某一精度），則認為假設的H1正確，以此求得總管流量W及各設備水力參數。若不等，則對H1重新進行假設。經反復迭代，直至H1收斂至真值，輸出總管流量和各設備水力參數。

2.1.2 二次側水力計算模型

二次側水力計算流程如圖2所示。以末端負荷，總管供回水溫度作為輸入條件，首先調用變頻泵PID控制算法，對變頻泵頻率進行調節。然后調用末端水力計算模塊，求得總管壓差H0。

現假設二次側總管流量為W0，分別調用變頻泵水力計算模塊、板換水力計算模塊（二次側）、管路水力計算模塊和開關閥水力計算模塊，得到假設條件下變頻泵揚程H1，板換壓降H2，管 路 壓 降H3和 開 關 閥 壓 降H4。比 較H1與H2+H3+H4+H0的大小，若兩者相等（或差值小于某一精度），則認為假設成立，總管流量即為W0，以此求得各設備水力參數。若不等，則對W0重新進行假設。經反復迭代，直至W0收斂至真值，輸出二次側總管流量和各設備水力參數。

圖1 水力計算模塊（一次側）

圖2 水力計算模塊（二次側）

2.2 熱力計算模型

系統熱交換過程主要發生在板換和末端。板換冷、熱側流體進行熱量交換，末端冷水經冷負荷作用溫度升高。除此之外，還需考慮二次側熱慣性對末端進水溫度的影響。二次側冷媒的溫度變化過程如下：二次側水經末端換熱后溫度升高，流經板換后溫度降低，再受熱慣性的影響，溫度升高，最終又送入末端。

系統熱力計算流程如所示圖3所示。以一次側、二次側總管流量（水力計算求得）、二次側回水溫度T2r以 及一次側供水溫度T1s為 輸入條件，調用板換熱力計算模塊，可輸出一次側回水溫度T1r和 二次側板換出水溫度T2o。 將T2o作為輸入參數，調用熱慣性計算模塊得到末端進水溫度Tti。Tti作 為輸入參數，調用末端熱力計算模塊，得到下一時刻二次側回水溫度T2r。

圖3 熱力計算模塊

3 控制模型

3.1 變頻泵PID算法模塊

變頻泵的頻率調節通過PID算法模塊完成。調節過程如圖5所示。在每個時間步長中，控制器先讀取變頻泵的狀態，判斷其是否滿足調節條件。一般認為變頻泵有4種狀態：開狀態、關狀態、開過程、關過程。僅泵處于開狀態時控制器才對變頻泵進行頻率條件；在關狀態、開過程、關過程時不進行頻率調節。

圖5 變頻泵PID算法模塊

圖6 變頻泵PID參數計算

圖7 調節閥PID算法模塊

圖8 調節閥PID參數計算

調節條件滿足時，控制器讀取二次側總管供回水溫差，通過自身控制策略，進行PID參數計算，求得待調頻率。求得待調頻率后，控制器下發調節命令至變頻泵，變頻泵下一時刻運行頻率根據本時刻控制信號進行調節。

PID參數計算如圖6所示。輸入條件位總管溫差設定值Tset（ 5℃溫差），本時刻總管溫差Ti（ 熱力計算輸出），上一時刻總管溫差Ti-1及上上時刻總管溫差Ti-2，帶入計算模型中求得需要調節的頻率ΔHz。

3.2 調節閥PID算法模塊

調節閥開度調節通過PID算法模塊完成。調節過程如圖7所示。在每個時間步長中，控制器先讀取調節閥的狀態，再讀取二次側供水溫度T2s， 結合自身控制策略，進行PID參數計算，求得待調開度ΔL。求得ΔL，控制器下發調節命令至調節閥，調節閥下一時刻運行開度根據本時刻控制信號進行調節。

調節閥PID參數計算如圖8所示。需要輸入總管供水溫度設定值Tset（ 7℃），本時刻總管供水溫度Ti， 上一時刻總管供水溫度Ti-1及上上時刻總管供水溫度Ti-2，帶入計算模型中求得需要調節的開度ΔL。

4 案例分析

4.1 用戶側板式換熱器系統簡介

（1）用戶側板式換熱器系統

系統由板換、調節閥、開關閥、變頻泵、末端及相關設備控制器組成。用戶側板式換熱器系統流程圖如圖9所示。根據板換間設計參數，單臺板換額定換熱量為2300 kW，一次側總管參數：供回水溫度4/11℃，流量848.6m3/h；二次側總管參數：供回水溫度7/12℃，流量1188m3/h；換熱方式為逆流換熱。水泵參數：功率P=30kW，流量Q=400 m3/h，揚程H=18m。

調節閥控制器通過控制閥開度來調控板換二次側供水溫度。二次側供水溫度設定值為7℃。變頻泵控制器通過控制泵頻率來調控二次側供回水溫差。為降低系統復雜性，末端做相關簡化處理：認為末端負荷等于末端換熱量。通過能量守恒求得末端回水溫度。

圖9 用戶側板式換熱器系統流程圖

圖10 測試負荷曲線

（2）測試負荷

測試負荷曲線如圖10所示，從8:00—8:30，負荷維持為100kW，當時刻超過8:30，負荷迅速增加到2300kW，一直維持到9:00。

4.2 調節閥PID參數對水溫的影響

（1）參數P

從圖11-14可以看出，當P為0.1時，二次側出水溫度、調節閥開度、水泵流量、水泵頻率等參數在系統運行時間8:00-9:00波動嚴重；當P為0.05時，二次側出水溫度、調節閥開度、水泵流量、水泵頻率等參數在系統運行時間8:00-8:05輕微波動的，隨后控制恢復穩定，運行正常；當P為0.01時，二次側出水溫度、調節閥開度、水泵流量、水泵頻率等參數在系統運行時間8:00-9:00控制穩定，運行正常。

這說明，P值越大，系統反應越靈敏，但P值過大，會使系統出現超調，這里P值設為0.01比較合理。

圖11 參數P對二次側出水溫度的影響

圖12 參數P對調節閥開度的影響

圖13 參數P對水泵流量的影響

圖14 參數P對水泵頻率的影響

（2）參數I

從圖15-圖18可以看出，參數I主要用于消除系統穩態誤差，同樣I值過大會引起超調，因此，參數I值取0.05比較合理。

圖15 參數I對二次側出水溫度的影響

圖16 參數I對調節閥開度的影響

圖17 參數I對水泵流量的影響

圖18 參數I對水泵頻率的影響

（3）參數D

從圖19-圖24可以看出，適當的D作用可使超調量減小。若P、I控制不理想，可考慮增加D；增加D后反而出現震蕩，因此D取0較為合理。

圖19 參數D對二次側出水溫度的影響

圖20 參數D對二次側出水溫度的影響

圖21 參數D對二次側出水溫度的影響

圖22 參數D對調節閥開度的影響

圖23 參數D對水泵流量的影響

圖24 參數D對水泵頻率的影響

5 結論

本文搭建了板換間仿真系統，對變頻泵、調節閥、板式換熱器、末端、控制器等設備進行調試。同時，對調節閥的PID參數進行了調試。根據負荷分布，本文模擬了板換件運行參數的動態變化過程，討論了不同調節閥PID參數對板換二次側出水溫度、調節閥開度、水泵流量、水泵頻率的綜合影響。通過計算分析，主要結論如下：

（1）P增大使系統反應更靈敏，但P過大會使系統出現超調；P設0.01較為合適；

（2）I用于消除系統穩態誤差；但I過大會使系統出現超調；I取0.05較為合理；

（3）適當的D作用可使超調量減小。若PI控制不理想，可考慮增加D；增加D后反而出現震蕩，因此D取0較為合理。