基于流量分區的變壓力節能集群控制系統分析

鄭傳經，昝世超，黃 靜，林建泉，張 歡，張 偉

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

圍繞國家“十三五”期間節能減排和科技創新的戰略需求，制冷空調行業需朝著節能、環保、安全和智能等方向發展［1］。為了進一步提高行業關鍵技術的研發水平，保證制冷空調產品的出廠質量和運行穩定性，提升企業和產品在國際市場的影響力和競爭力，近幾年各大空調廠商建設了一批綜合性的產品研發大型試驗中心，冷卻源集群系統作為一種高效節能的后臺供應系統應運而生。

長期以來，降低成本、節約能源是企業生存的重要一環，產品研發大型試驗中心作為制冷空調產品的研究及檢驗的重要基地，也是空調企業能源消耗大戶，而冷卻源集群系統作為大型試驗中心的心臟，其能耗比重較大，從現有多個大型試驗中心冷源集群系統的使用情況反饋來看，雖取得了一定的節能效果，但仍有進一步的潛力可挖掘［2］。

目前大型試驗中心冷卻源集群系統普遍采用變頻恒壓變流量控制系統，以水泵出口的供水壓力信號作為控制參考量，實現水泵的運行臺數和變頻調節。這種控制方式雖然原理簡單且能實現使用功能需求，但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，削弱了部分節能潛力。本文針對常規變頻恒壓供應系統的節能局限性，提出一種基于流量分區的變壓力節能控制策略，以進一步挖掘冷卻源集群系統的節能潛力，并結合工程實例，通過數值仿真分析優化后的節能效果，為類似工程設計應用提供參考。

1 系統組成

圖1 為典型的大型試驗中心冷卻源集群系統示意，該系統主要由冷卻塔組、水泵組、分/集水器、冷卻塔集水盤或冷卻水池、閥件及管道等組 成［3］，冷卻水通過分水器提供給各試驗臺末端，末端通過板式或殼管式換熱器實現熱交換，然后經集水器匯集后送入冷卻塔進行降溫處理，各支路利用電動或氣動蝶閥實現通斷控制。

圖1 大型試驗中心冷卻源集群系統示意

系統一般采用多臺同類型水泵并聯同步運行的一次泵變頻控制策略，結合時序和均等運行時間控制模式，在水泵高效運行效率范圍內設置頻率上限和頻率下限作為加減泵判斷依據，通過分水器的供水壓力信號調節水泵的頻率和運行臺數以實現系統的變流量控制，其控制部分獨立于各個末端試驗臺，自成調控回路為各試驗臺末端設備提供穩定流量和溫度的水源。

2 控制策略

變流量控制方法在冷卻源集群系統節能控制技術中應用最為廣泛，按照控制參考量主要分為壓力控制策略和溫差控制策略［4］。前者通過壓力信號調節水泵頻率，實現變流量控制，后者則是采用溫差作為控制參考量用于調節，相比于前者，后者存在信號傳遞滯后、響應較慢、控制精度較差等問題，因此在冷源集群變流量系統中優先采用壓力控制［5-7］。而壓力控制策略根據壓力設定值是否發生變化，又可分為恒壓控制和變壓控制兩種方式。目前恒壓控制在冷源集群系統變流量技術中應用較為普遍，但如果壓力設定值過大，則無法充分挖掘水泵在變工況下的節能潛力，如果壓力設定值過小，則無法滿足全工況下的功能需求。因此，兼顧需求與水泵節能效果，對壓力設定值進行優化設置，是實現冷卻源集群系統變流量技術的關鍵問題。

2.1 壓力設定值調整

系統管網變化時水泵工作點的調節原理如圖2 所示。假設初始狀態時管網的曲線為L1，水泵的運行頻率為f1，對應的特性曲線為η1，其系統的工作點為A，對應的流量為Q1，此時若某試驗臺末端停止運行，相應管路的通斷閥關閉，管網的曲線變為L2，系統額定流量由Q1變成為Q3。若采用常規的變頻恒壓變流量控制策略，因供水壓力設定值為Pset1保持不變，水泵的工作點由A 變為B，水泵的運行頻率由f1變化至f2，系統的流量降低至Q2，但仍大于額定流量Q3。若重新調整供水壓力設定值Pset2，使水泵的運行頻率調節至f3，其對應的系統流量剛好為額定流量Q3，則水泵的耗功將得到進一步降低。

圖2 水泵工作點的調節原理

2.2 基于流量分區的變壓力控制策略

由圖2 的調節機理可知，通斷調節型供應系統主要通過各末端支路設置通斷閥門實現間歇控制，系統簡單，第一次調試運行時各閥門開度均已調節到位，實際運行過程中閥門開度保持不變，對整個管網而言，管網的阻力特性均會因為末端管路閥門的動作而發生改變。因此，在變工況條件下，其流量發生變化，相應管網的總壓損也會發生變化，傳統采用變頻恒壓控制策略的節能性將大打折扣。針對變頻恒壓供應系統的節能局限性，綜合考慮調節的穩定性，本文提出一種基于流量分區的變壓力節能控制策略，即將系統分成若干個流量區，每個流量區對應一個壓力設定值，用于調節水泵的頻率和運行臺數，以進一步挖掘冷卻源集群系統的節能潛力，其工作機理如圖3 所示。

圖3 基于流量分區的變壓力控制策略工作機理

2.3 仿真框架

由于各試驗臺末端投入使用的隨機性較強，因此系統多數在變工況下運行，考慮到系統的穩定性和調節的可靠性，變壓力控制策略下的壓力設定值不能頻繁變動，故需要根據末端使用特點對系統進行流量分區，然后根據各末端閥門的通斷狀態，計算出不同閥門狀態下的系統總阻抗以確定當前狀態下控制參考量的設定值，然后結合水泵模型確定各流量分區的水泵最佳運行臺數和運行頻率，最后結合能耗模型輸出仿真結果，其優化仿真系統框架如圖4 所示。

圖4 優化仿真系統框架

3 數學模型

變頻技術的節能性是建立在水泵處于高效區運行的基礎上，而水泵的運行工況取決于管網的特性曲線與水泵的特性曲線2 個方面［8］。因此，從水力特性出發建立水泵和管網的數學模型，并給出全年運行費用和節能率的計算式，然后通過MATLAB 對水泵的運行狀態和系統的能耗進行仿真。

3.1 水泵模型

定義水泵當前轉速與額定轉速的比值為轉速比，記為kp，根據水泵的變頻特性和相似定律，變頻水泵的揚程、效率及功率的計算模型分別如下所示：

式中 Hp—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的揚程，MPa；

a0，a1，a2，a3—— 性能參數，由樣本數據或實測數據通過最小二乘法擬合得到；

Qp—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的流量，m3/h。

式中 ηp—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的效率；

b0，b1，b2，b3—— 性能參數，由樣本數據或實測數據通過最小二乘法擬合得到。

式中 Np—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的功率，kW；

ηTotal—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的總效率，與kp有關；

ηM—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的電機效率［9］；

ηVFD—— 水泵在kp轉速比運行狀態下的變頻器效率［9］。

假設系統有N 臺同類型水泵并聯同步運行，則各并聯泵的單位時間總能耗NTotal計算式為：

式中 Npi—— 第i 臺泵的功率，由式（3）計算可得，kW。

3.2 管網模型

根據流體輸配管網［10］可知，實際管網的特性曲線方程可表示為：

其中

式中 Hg——實際管網的總阻力，MPa；

H0—— 實際管網特性曲線的靜揚程，與水泵的安裝位置以及泵中心與系統進出口的相對高度差有關，MPa；

S —— 實際管網的總阻抗，h2/m5；

Q —— 實際管網的總流量，m3/h；

M ——末端并聯支路的數量；

Szj—— 第j 條末端支路的阻抗，可通過計算或試驗獲得，h2/m5；

Sother—— 除了末端并聯支路外其他各管段的阻抗，可通過計算或試驗獲得，h2/m5；

N ——水泵的運行臺數；

Qpi——第i 臺水泵的流量，m3/h。

3.3 能耗模型

假設系統各流量分區下的全年使用率為yi，全年運行天數為D，每天運行小時數為H，電價為E（元/kWh），則水泵的全年運行費用C 可由下式計算：

式中 C ——水泵的全年運行費用，萬元；

X ——系統流量分區的數量；

NTotal，i—— 第i 個流量分區工況下的單位時間水泵總能耗，kW。

若以恒壓控制策略的運行費用作為基準，可得出變壓控制策略下的節能率如下：

式中 ε ——變壓控制策略下的節能率，%；

CVP—— 系統在變壓控制策略下的全年運行費用，萬元；

CCP—— 系統在恒壓控制策略下的全年運行費用，萬元。

4 案例分析

某試驗中心的冷源集群系統采用3 臺型號為Wilo-NL125/400 的離心式水泵，該泵所配置電機功率為55 kW，工頻轉速為1 450 r/min，該型號水泵通過最小二乘法擬合，其曲線特性方程為：

系統設計總流量為750 m3/h，分5 條支路為用戶規劃的各試驗臺末端提供集中冷卻水，各支路流量均為150 m3/h，通過電動閥門實現通斷調節，由于水泵中心與系統進出口的相對高度差較小，忽略系統管路的靜揚程，通過測定得知系統各支路阻抗為15 h2/m5，除支路之外的管段阻抗為0.2 h2/m5，故由式（5）可得管路的特性曲線方 程為：

根據各試驗臺末端對冷卻源的需求，其典型的變工況冷卻源供水量分別為150，300，450，600和750 m3/h，因此，將系統分成5 個流量區，其各分區的壓力設定值可根據式（10）計算可得，具體如圖5 所示。由此可見，若采用變頻恒壓控制，其最不利情況下系統的供水壓力至少應為0.45 MPa。

圖5 各流量分區的壓力設定值

圖6 示出了不同流量在兩種控制策略下的單臺水泵總效率和轉速比?？梢钥闯?，不同流量在兩種控制策略下的單臺水泵總效率基本維持在65%左右，說明兩種控制策略下水泵的運行狀態均處于高效區域。但不同控制策略下，水泵的轉速比存在差異，不同流量下變壓控制策略下的轉速比普遍較恒壓控制策略下的轉速比低，且隨著流量的減少，其轉速比的差異越顯著。

圖6 不同流量在兩種控制策略下的單臺水泵 總效率和轉速比

圖7 示出了不同流量在兩種控制策略下的水泵總能耗、最佳運行臺數和相對節能率，圖中相對節能率以恒壓控制為基準計算得到。從圖可以看出，不同流量在兩種控制策略下水泵的最佳運行臺數是一致的，但水泵運行總能耗存在明顯差異，若以恒壓控制的水泵運行總能耗作為基準，變壓控制策略下的相對節能率隨著系統流量的減少而增大，在150 m3/h 的流量條件下，其相對節能率達24.86%。

圖7 不同流量在兩種控制策略下的水泵總能耗、最佳運行臺數和相對節能率

同樣，以上述5 種典型的變工況冷卻源供水量為例，若5 種典型的變工況冷卻源供水量在全年的使用率為：750 m3/h 占10%，600 m3/h 占30%，450 m3/h 占30%，300 m3/h 占20%，150 m3/h 占10%，以全年運行天數300 d，每天運行18 h，綜合電價0.725 元/kWh 為基本參數，對兩種控制策略下的全年運行費用進行計算，其結果匯總如圖8 所示。

圖8 不同控制策略下的全年運行費用和節能率

如圖8 所示，系統在變壓控制策略下的全年運行費用為30.56 萬元，較恒壓控制策略的34.37萬元節能11.1%，因此，采用基于流量分區的變壓控制策略可進一步挖掘冷源集群系統的節能潛力，是一種行之有效的節能運行控制策略，可在試驗中心的冷卻源集群系統中推廣應用。

5 結論

（1）在給定的5 種典型變工況流量下，兩種控制策略均可保證水泵的運行狀態處在高效區，但不同策略下水泵的轉速比存在差異，且隨著流量的降低而更為顯著。

（2）在不同流量條件下，變壓控制策略的水泵運行總能耗低于恒壓控制策略的水泵運行總能耗，且隨著流量的減少，其相對節能率更為突出。

（3）在給定的基本參數條件下，變壓控制策略較恒壓控制策略的全年運行費用低，其節能率約為11.1%，可廣泛應用于試驗中心冷卻源集群系統。