區域能源水力輸送系統控制方法的優化

王 俊

(深圳市深燃清潔能源有限公司，深圳 518000)

0 引 言

為應對全球氣候過快變暖，國家提出了 “3060” 的雙碳政策，即2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和的愿景。在此大背景下，各行業用能的低碳、零碳轉型將是未來幾十年額發展趨勢。建筑行業空調用能是建筑能耗最主要部分之一，其能耗的控制是建筑降低碳耗的重要手段。實踐表明，區域供冷可以降低區域范圍內的建筑空調用能能耗，對城市范圍內降低碳耗，實現雙談目標有重要作用。

運行控制是大型區域供冷系統提高綜合能效，節省能耗的重要手段，目前老舊的設計理念和粗放式的控制方法不能滿足這一需求[1]。隨著軟件技術、數據采集和智能化控制技術的成熟，為精準運行和控制，為低碳區域供冷系統的建設帶來了契機。本文以發掘區域供冷中的能量輸送系統的精準運行和控制，來降低區域供冷系統的輸送能耗的重要作用。

1 水力系統控制現狀

大型區域供冷系統，末端用戶較多，可能有幾十棟大樓，上百個末端換熱器。而這些大樓和換熱器距離冷源(制冷主機)距離、負荷大小和水力損失等均有較大差異。供冷系統為了滿足系統中所有用戶的要求，在設計階段，設備選型均是按照最不利用戶的水力損失和冷量需求選擇設備。而運行階段，供冷區域內有多種業態運行負荷不同時間差異較大，同時考慮到距離遠近不同問題，對區域冷源來說，就算是同樣的負荷，對于輸送系統，能耗也會有較大差異。

目前，暖通空調行業的冷凍水系統在運行階段，對水力輸送控制，主要有以下模式：

(1)在冷凍水泵入口母管(或集水箱)處設置壓力檢測點，根據冷凍水系統的水力特性，預先設置一個壓力定值，控制冷凍水輸送泵的運行特性來滿足入口母管處預設的壓力定值要求。該方法的特點是控制系統簡單，測點少，邏輯簡單，但是沒有反映出具體末端的水力情況和用冷需求，所以節能性較差。該方法一般適用于樓宇中央空調系統或小型的區域供冷子站。

(2)在末端用戶換熱端的冷凍水進/出口位置設置壓差檢測點，冷凍水泵的運行特性以滿足末端所有用戶中最不利用戶的水力資用壓頭需求為其運行工況點。該控制方式的特點是設置的測點較多，系統較為復雜，控制邏輯較復雜，但是控制也更精準，更節能[2]。該流量的控制方法，目前區域供冷系統中使用較多，以滿足最不利用戶的壓力和冷量為前提制定整個冷凍水的溫度和流量控制策略。

方法2相對方法1，細分到了每個用戶來進行控制，節能效果好，也可以滿足各種工況下的系統運行要求，但是僅考慮了滿足壓力的要求，沒有考慮負荷變化、距離位置和標高等的影響。

一般設計情況下，認為管網水力特性曲線為一根據流量/負荷變化的二次曲線，如圖1所示，輸送泵通過變頻調節轉速來與系統水力性能點匹配。而實際上，管網系統的水力特性并不是一條曲線，而是多條水力曲線組成的一個曲面[3]，如圖2所示。在同一流量/負荷下，對應的是一個阻力范圍。用冷負荷30%～70%之間阻力范圍相對差異更大，而這個范圍又是空調主要的運行區間。如果泵按照最不利情況運行，在很多情況下是不必要的，勢必會造成能量浪費。在單個樓宇或小型區域供冷系統能量損失可能不明顯，但對于大型區域供冷系統，輸送能耗絕對量較大，損失的能量也會更多。所以需要根據管網系統的水力特性建立對應的輸送泵控制方法，降低輸送能耗。

圖1 系統水力曲線與輸送泵特性曲線

圖2 系統水力阻力范圍

2 水力分析方法

區域供冷管網為一流體網絡[4]，其管道內流量分配根據各管段壓力降，在滿足水力/壓力平衡的情況下自動分配。一般設計過程中是根據用戶的負荷需求情況反算管網的壓力分配情況，即管網的阻力損失。供冷系統管網的阻力損失主要包括設備阻力、管道沿程阻力和局部阻力。管道沿程阻力損失計算公式為：

其中，L為管長；D為管徑；v為流速；λ為沿程阻力系數，與管道的粗糙度有關；g為重力加速度。

局部阻力計算公式為：

其中，Σζ為總的局部阻力損失系數。

疊加各段的阻力損失，即可知道區域供冷站管網的整體水力損失情況。由于大型區域供冷系統管網復雜，建議采用水力計算軟件計算管網的流量分配，根據供冷系統的系統設置情況和管網、設備布置情況建立分析模型，通過調整末端負荷組合分配，分析管網阻力情況，繪制管網水力阻力范圍曲線。

3 算例

關于不同負荷組合下供冷系統的水力阻力性能曲線的分布問題，下面以深圳某冷站為例說明。

以深圳某制冷站為例進行分析，該冷站總共有22各用戶，一期建成運行時主要用戶為A大廈與B學校，供冷面積分別為5.4萬m2與4.0萬m2，入住率均為100%。后陸續新接入C、D、E用戶，供冷面積分別為12.7萬、5.8萬、7.6萬m2。后續接入用戶入住率均不高，2022年預計總入住率約30%。

圖3 深圳某冷站用戶分布于管網路由

下面以左邊支路50%負荷下，兩種不同負荷組合對應計算出的管網水力損失及泵的功耗，根據表1，同樣是50%負荷，由于不同用戶負荷組合的不同，水力損失差異為10 m，對應增加泵的輸送功耗差異為87.3 kW。按照一天運行12 h計算，一天能耗差異為1 089 kWh，整個供冷季節省的運行費用可達21.4萬元。

表1

某一支路50%負荷下兩種不同組合的水力損失對比

4 控制運行策略

高效水力輸送系統的運行控制主要包括末端和能源站兩部分控制。

對于末端首先需了解末端用戶對負荷、水量和壓力實際需求，在滿足需求的情況下，調整整個輸送系統，達到高效的目的。其次，對于末端用戶，不應以簡單滿足某個資用壓頭為前提，而應通過測得的實際參數情況和末端用戶布置、設備選型情況，滿足換熱性能即可。再次，在較低負荷下，如負荷低于10%，單純調節流量，換熱設備和水力控制設備可能很難滿足要求，建議應結合水溫一同調節。最后，由于末端各用戶差異較大，建議針對性的根據實際情況指定對應的控制運行策略。

能源站內，對收集到的末端用戶數據進行統一處理，匯總出的不同負荷組合，對比預先設定好的計算程序，可以得出對應管網的流量和阻力，也就是輸送泵的流量和揚程。根據系統需要的流量和揚程計算出水泵電機對應的運行數量、頻率、轉速等信號，控制水泵運行。 一般泵在額定點運行的效率最高，所以單泵盡量維持在額定點附近運行。系統運行流量Q除以單泵流量Qd，結果向下取整后的值即為運行水泵數量n。水泵運行頻率f為：額定頻率乘以(實際流量Q/額定流量Qd)

水泵的運行轉速N=額定轉速×(實際流量/額定流量)。

水泵的運行頻率f=額定頻率×(實際流量/額定流量)。

5 結束語

在大型區域供冷系統中，受用戶接入時間、入住率、業態等因素影響，供冷站某一負荷下運行，對應多種負荷組合，相應的管網對應多個阻力損失。如果冷站不關注末端用戶實際情況，只根據站內情況運行會造成輸送能耗升高，降低冷站綜合能效。所以對于大型供冷系統，應同時監控末端用戶負荷情況，制定對應的設備運行和控制策略。類似現象同樣適用于區域供熱系統，供熱系統也存在能源站某個負荷下用戶不同負荷組合，也許對應監控末端熱用戶負荷，制定對應的設備運行和控制策略。對于大型的供冷或供熱系統，雖然節省水泵的輸送揚程只有幾米，但是考慮其輸送水量較大，減少幾米的揚程所節省的電量也是較為可觀的。