CN112594904A - 一种制冷站节能优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷站节能优化控制系统，所述制冷站节能优化控制系统包括设备控制子系统和节能运行控制子系统，通过对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及系统各管路阀门等设备进行控制，根据室外温湿度、回水温度或流量，自主选择制冷主机的开启台数并进行优化控制，优化调整各工况下的运行模式，使得在系统最高效最经济的情况下提供主机负载所需要的出水温度和流量，降低系统能耗，提高综合能效。

Description

一种制冷站节能优化控制系统

技术领域

本发明涉及节能技术领域，尤其涉及一种制冷站节能优化控制系统。

背景技术

当前，随着能源供应方式的不断变革，建立资源节约型和环境友好型社会的呼声越来越高，为满足人民群众对建设美好生活的愿望，缓解能源资源和环境的多重压力，同时也是协调社会的发展与环境保护的关系，需要大力推动能源的发展变革与高效利用，但目前的能源系统的消耗很高，导致综合能效降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷站节能优化控制系统，以降低系统能耗，提高综合能效。

为实现上述目的，本发明提供了一种制冷站节能优化控制系统，所述制冷站节能优化控制系统包括设备控制子系统和节能运行控制子系统，所述设备控制子系统和所述节能运行控制子系统连接；

所述设备控制子系统，用于对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔、变频控制和阀门中的一种或多种进行优化控制；

所述节能运行子系统，用于对所述设备控制子系统进行启停控制、故障报警控制、运行时间监测、能耗监测和时序控制。

其中，所述设备控制子系统包括制冷主机变工况模块、冷冻水泵控制模块和冷却塔优化模块，所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块与所述节能运行子系统连接；

所述制冷主机变工况模块，用于根据冷源系统总负荷对所述制冷主机设计寻优运行策略；

所述冷冻水泵控制模块，用于通过监测负荷及管路压差，分析水系统中不合理的流量输出，并结合泵组设定区间运行模型以及累计泵组的历史运行数据，对对应的数据进行优化；

所述冷却塔优化模块，用于采用全变频控制模式，计算设定的冷却水供水温度，并通过控制冷却塔风机的运行进行优化。

其中，所述节能运行子系统包括均等运行时间原则控制模块和时序控制模块，所述均等运行时间原则控制模块和所述时序控制模块均与所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块连接；

所述均等运行时间原则控制模块，用于对设备的运行时间进行统计，使对应的设备能被平均使用；

所述时序控制模块，用于制定对应的开机流程和关机流程。

其中，所述节能运行子系统还包括开停机判别模块和故障报警模块，所述开停机判别模块和所述故障报警模块均与所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块连接；

所述开停机判别模块，用于根据实际负荷情况和设备优先控制原则确定开机或关机的最佳时刻和数量；

所述故障报警模块，用于对设备进行故障检测，并进行对应的报警处理。

其中，所述节能运行子系统还包括冷冻水系统控制模块和压差旁通阀控制模块，所述冷冻水系统控制模块所述冷冻水泵控制模块连接，所述压差旁通阀控制模块与所述制冷主机变工况模块连接；

所述冷冻水系统控制模块，用于根据采集的实时数据和历史运行数据，利用预测算法模型、系统特性及对应的循环周期，预测设定时间内系统所需的冷量；

所述压差旁通阀控制模块，用于对制冷主机的最小流量控制。

其中，所述开停机判别模块包括原则设定单元、负荷分配单元和负荷控制单元，所述原则设定单元与所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块连接，所述负荷分配单元和所述负荷控制单元与所述制冷主机变工况模块连接；

所述原则设定单元，用于根据采集的机组内部参数与电流负载百分比，设定对应的开机原则和关机原则；

所述负荷分配单元，用于根据能效和设定的设备组合来为每台制冷主机分配负荷；

所述负荷控制单元，用于根据设定的负荷运行阈值进行对应的启停机操作。

本发明的一种制冷站节能优化控制系统，所述制冷站节能优化控制系统包括设备控制子系统和节能运行控制子系统，通过对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及系统各管路阀门等设备进行控制，根据室外温湿度、回水温度或流量，自主选择制冷主机的开启台数并进行优化控制，优化调整各工况下的运行模式，使得在系统最高效最经济的情况下提供主机负载所需要的出水温度和流量，降低系统能耗，提高综合能效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种制冷站节能优化控制系统的结构示意图。

图2是本发明提供的开停机判别模块的结构示意图。

1-设备控制子系统、2-节能运行控制子系统、3-联锁控制子系统、11-制冷主机变工况模块、12-冷冻水泵控制模块、13-冷却塔优化模块、14-自动装载功能模块、21-均等运行时间原则控制模块、22-时序控制模块、23-开停机判别模块、24-故障报警模块、25-冷冻水系统控制模块、26-压差旁通阀控制模块、231-原则设定单元、232-负荷分配单元、233-负荷控制单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供一种制冷站节能优化控制系统，所述制冷站节能优化控制系统包括设备控制子系统1和节能运行控制子系统2，所述设备控制子系统1和所述节能运行控制子系统2连接；

所述设备控制子系统1，用于对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔、变频控制和阀门中的一种或多种进行优化控制；

所述节能运行子系统，用于对所述设备控制子系统1进行启停控制、故障报警控制、运行时间监测、能耗监测和时序控制。

在本实施方式中，主要是对制冷站制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔、变频控制、阀门控制等优化控制，冷冻水泵作用是使冷冻水吸收制冷剂蒸发的冷量，使其温度降低成为冷水；冷却水泵是提高循环系统中冷却液的工作压力，维持相关部件间的冷却液循环；而所述节能运行子系统的主要监控范围包括：制冷主机的启停控制、机组运行参数显示、故障报警、能耗监测及运行时间统计；对冷冻水泵、冷却水泵的启停控制、对应泵的变频控制及反馈、各泵组运行状况、故障报警、能耗监测及运行时间统计；冷却塔的启停控制、变频控制及反馈、运行状态、故障报警、能耗监测及运行时间累计；系统供水回水的参数(流量、温度、供水压差等)、各电动阀的控制与开度反馈等等。通过对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及系统各管路阀门等设备进行控制，根据室外温湿度、回水温度/流量，自主选择制冷主机的开启台数并进行优化控制，优化调整各工况下的运行模式，使得在系统最高效最经济的情况下提供主机负载所需要的出水温度和流量，降低系统能耗，提高综合能效。

进一步的，所述制冷站节能优化控制系统还包括联锁控制子系统3，所述联锁控制子系统3与所述设备控制子系统1和所述节能运行控制子系统2连接；

所述联锁控制子系统3，用于对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机及系统管道电动阀和变频器中的一种或多种进行联锁控制。

在本实施方式中，通过建立数学模型，实时监测系统参数(温度、流量、压力等)、各制冷主机、泵组的效率特性等参数，自动选择最佳或预设的主机及泵组的运行组合，在控制机组出力与实际负荷相匹配的同时保证系统处于最优工况，实现一对多以及多对一的运行模式，在不断变化的负荷条件下，保证泵组始终运行在高效区间。利用所述联锁控制子系统3对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机及系统管道电动阀、变频器等实现联锁控制，在满足末端需求的前提下，根据负荷变化调整运行策略，采用变压差智能控制，通过建立管网水力模型并实时计算管网需求压差，调节各水泵运行的台数、频率及阀门开度等，实现经济运行。

进一步的，所述设备控制子系统1包括制冷主机变工况模块11、冷冻水泵控制模块12和冷却塔优化模块13，所述制冷主机变工况模块11、所述冷冻水泵控制模块12和所述冷却塔优化模块13与所述节能运行子系统连接；

所述制冷主机变工况模块11，用于根据冷源系统总负荷对所述制冷主机设计寻优运行策略；

所述冷冻水泵控制模块12，用于通过监测负荷及管路压差，分析水系统中不合理的流量输出，并结合泵组设定区间运行模型以及累计泵组的历史运行数据，对对应的数据进行优化；

所述冷却塔优化模块13，用于采用全变频控制模式，计算设定的冷却水供水温度，并通过控制冷却塔风机的运行进行优化。

在本实施方式中，所述制冷主机变工况模块11根据冷源系统总负荷对制冷主机设计寻优运行策略。其运行策略是：首先根据系统负荷量和当前冷机的出力的差值，选择运行相应的制冷机组，原则是应该选择能够满足实际负荷需要并且最接近系统需求值的组合，该控制的关键在于调试中找出最佳的启停切换点；重点是考虑使制冷主机及所属泵组处于最佳效率点长期运行，由于制冷主机和泵组的最佳效率点通常不在其额定负荷处，其不同负荷效率曲线由设备厂商提供。

所述冷冻水泵控制模块12可实现冷冻水泵、冷却水泵的变流量、变温差控制。基于水力平衡控制技术，通过监测负荷及管路压差，分析水系统中不合理的流量输出，由PID模块调节冷水泵的转速，使其流量达到最佳匹配，结合泵组高效区间运行模型以及累计泵组的历史运行数据，持续优化控制模型，达到泵组高效运行的目的。

所述冷却塔优化模块13主要体现在冷却水温度再设及能效优化。采用全变频控制模式，由于冷却塔的供水温度上、下限取决于室外湿球温度，需要结合室外气象条件参数、制冷主机的当前运行台数，计算最佳的冷却水供水温度，即该温度下的制冷主机+冷却塔风机的能耗为最低，系统通过控制冷却塔风机的运行以达到最佳温度点，自动适应系统能效最优。

进一步的，所述设备控制子系统1还包括自动装载功能模块14，所述自动装置功能模块与所述制冷主机变工况模块11连接；

所述自动装载功能模块14，用于在不同的负荷情况下，使所述制冷主机的供回水温差保持在阈值内。

在本实施方式中，在不同的负荷情况下，使主机的供回水温差保持在规定值(一般控制在7℃温差，这是制冷主机的设定值)，同时引入供回水压差、流量作为控制量，优化系统工况，提高主机COP值。

进一步的，所述节能运行子系统包括均等运行时间原则控制模块21和时序控制模块22，所述均等运行时间原则控制模块21和所述时序控制模块22均与所述制冷主机变工况模块11、所述冷冻水泵控制模块12和所述冷却塔优化模块13连接；

所述均等运行时间原则控制模块21，用于对设备的运行时间进行统计，使对应的设备能被平均使用；

所述时序控制模块22，用于制定对应的开机流程和关机流程。

在本实施方式中，所述均等运行时间原则控制模块21是对设备的运行时间进行统计，启动设备时为确保设备平均使用，系统判断使用时间较少的设备优先使用，防止固定使用同一设备使设备使用寿命缩短，反之，停机时也会优先停止使用时长的设备。当然，限于现场设备条件，设备能耗特性不一致，亦可设定能耗水平较低的设备优先运行。

所述时序控制模块22包括开机流程和关机流程。

开机流程：

a.阀门状态：预选择开启的主机对应的冷冻侧、冷冻侧电动阀开启同时旁通阀调节。

b.开启顺序：开启冷冻水泵→开启冷却水泵→冷水主机→冷却塔

c.加机顺序：加载冷冻水泵→加载冷却水泵→打开水阀→冷水主机→冷却塔。

关机流程：

a.关机顺序：关闭冷水主机→冷冻水泵→冷却水泵→冷却塔

b.阀门状态：待主机关闭后，对应的冷冻水泵、冷却水泵停机后延时关闭对主机的冷冻侧、冷冻侧电动阀门。

c.减机顺序：机组→冷却塔→冷冻水泵→冷却水泵→水阀→冷却塔。

进一步的，所述节能运行子系统还包括开停机判别模块23和故障报警模块24，所述开停机判别模块23和所述故障报警模块24均与所述制冷主机变工况模块11、所述冷冻水泵控制模块12和所述冷却塔优化模块13连接；

所述开停机判别模块23，用于根据实际负荷情况和设备优先控制原则确定开机或关机的最佳时刻和数量；

所述故障报警模块24，用于对设备进行故障检测，并进行对应的报警处理。

在本实施方式中，所述开停机判别模块23是根据实际负荷情况和设备优先控制原则确定开/关机的最佳时刻和数量。初开机时，启动的冷机数量和类型由对应开启的区域叠加的冷负荷决定；平稳运行后，首先考虑调整每台制冷主机的输出来满足负荷变化要求，每台制冷主机在最佳效率一定范围内运行，如果动态调整运行的制冷主机效率不能满足实际负荷要求，才考虑开/停机模式。

所述故障报警模块24主要是对系统控制下的所有设备进行对应的故障监测，并根据监测信息进行对应的报警操作。

制冷主机的故障：当运行的制冷主机发生故障而停机时，未使用的制冷主机替补上，保证冷量供应不中断；

阀门的故障：设备能替代的场合则发出告警信息，同时自动转移到能替代的设备(如制冷主机)；

水泵的故障：冷冻水泵和冷却水泵当有一台故障时，立即切向未运行且无故障的水泵，保证水流畅通。

冷冻站故障检测主要有：变频器故障；空调主机故障；水泵电气故障；冷却塔风机故障；冷冻水出口温度高/低限报警；冷却水出口温度高/低限报警；供回水高/低压差报警；冷冻水断水及低流量保护；主机蒸发侧/冷凝侧小温差报警；等。

进一步的，所述节能运行子系统还包括冷冻水系统控制模块25和压差旁通阀控制模块26，所述冷冻水系统控制模块25所述冷冻水泵控制模块12连接，所述压差旁通阀控制模块26与所述制冷主机变工况模块11连接；

所述冷冻水系统控制模块25，用于根据采集的实时数据和历史运行数据，利用预测算法模型、系统特性及对应的循环周期，预测设定时间内系统所需的冷量；

所述压差旁通阀控制模块26，用于对制冷主机的最小流量控制。

在本实施方式中，由于冷冻水管路长，循环周期可能长达十几～几十分钟，造成温度采样时滞很大，另外因为水系统的惰性大、反应慢，传统的PID控制会造成冷冻水回水温度波动大，影响系统稳定和节能效果。所述冷冻水系统控制模块25可对冷冻水系统采用模糊控制，实现最佳输出控制。当气候条件或实际负荷发生变化时，冷冻水系统供回水温度、温差、压差和流量也随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测的参数送至模糊控制器，依据所采集的实时数据和历史运行数据，根据预测算法模型、系统特性及相应的循环周期，预测未来一段时间系统所需的冷量并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵转速和流量，使冷冻水系统供回水温度、温差、压差和流量运行在最优值，即系统输出与实际末端负荷需求相匹配，从而提高了末端系统用户的舒适感，节省系统的总体能耗。

所述压差旁通阀控制模块26仅用于保证制冷主机的最小流量控制。即：仅一台制冷主机运行且只有一台冷冻水泵变频运行时，冷冻水泵在最小频率(35Hz)下运行，供回水压差仍大于设定值，此时为保证制冷主机的最小流量，开启并调节压差旁通阀的开度。

进一步的，所述开停机判别模块23包括原则设定单元231、负荷分配单元232和负荷控制单元233，所述原则设定单元231与所述制冷主机变工况模块11、所述冷冻水泵控制模块12和所述冷却塔优化模块13连接，所述负荷分配单元232和所述负荷控制单元233与所述制冷主机变工况模块11连接；

所述原则设定单元231，用于根据采集的机组内部参数与电流负载百分比，设定对应的开机原则和关机原则；

所述负荷分配单元232，用于根据能效和设定的设备组合来为每台制冷主机分配负荷；

所述负荷控制单元233，用于根据设定的负荷运行阈值进行对应的启停机操作。

在本实施方式中，如图2所示，所述原则设定单元231根据采集的机组内部参数与电流负载百分比，设定对应的开机原则和关机原则。

其中，开机原则：通过读取机组内部参数—电流负载百分比，当负载低于某一设定值(40％～60％可调)且持续一定时间(30min可调)，判断需减少一台机组。所有开/停机的运算，应尽量以每台制冷主机处在其最高效率范围内运行为原则。

关机原则：通过读取机组内部参数—电流负载百分比，当负载低于某一设定值(40％～60％可调)且持续一定时间(30min可调)，判断需减少一台机组。所有开/停机的运算，应尽量以每台制冷主机处在其最高效率范围内运行为原则。

制冷主机的能耗由压缩方式、冷媒、制冷量、压缩机规格和换热器规格等因素决定。所述负荷分配单元232根据能效和最优设备组合来为每台制冷主机分配负荷，PLC在保持冷冻水的供/回水设定值状态的同时，也将重新设定每台制冷主机的冷冻水出口温度，以优化机组的负荷分配。

为降低机组可能出现的喘振，不允许单台制冷主机在低于可选工况点(如30％负荷)下运行(除非只有单台制冷主机承担冷负荷)。当冷负荷低于25％时，所述负荷控制单元233将选择制冷主机启停控制，以充分发挥其能效；或根据冷负荷惯性/反应时间和历史数据来选择持续运行。当系统水温增高至某设定点时可自动启机。

本发明的一种制冷站节能优化控制系统，所述制冷站节能优化控制系统包括设备控制子系统1和节能运行控制子系统2，通过对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及系统各管路阀门等设备进行控制，根据室外温湿度、回水温度或流量，自主选择制冷主机的开启台数并进行优化控制，优化调整各工况下的运行模式，使得在系统最高效最经济的情况下提供主机负载所需要的出水温度和流量，降低系统能耗，提高综合能效。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种制冷站节能优化控制系统，其特征在于，

所述制冷站节能优化控制系统包括设备控制子系统和节能运行控制子系统，所述设备控制子系统和所述节能运行控制子系统连接；

所述设备控制子系统，用于对制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔、变频控制和阀门中的一种或多种进行优化控制；

所述节能运行子系统，用于对所述设备控制子系统进行启停控制、故障报警控制、运行时间监测、能耗监测和时序控制。

2.如权利要求1所述的制冷站节能优化控制系统，其特征在于，

所述设备控制子系统包括制冷主机变工况模块、冷冻水泵控制模块和冷却塔优化模块，所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块与所述节能运行子系统连接；

所述制冷主机变工况模块，用于根据冷源系统总负荷对所述制冷主机设计寻优运行策略；

所述冷冻水泵控制模块，用于通过监测负荷及管路压差，分析水系统中不合理的流量输出，并结合泵组设定区间运行模型以及累计泵组的历史运行数据，对对应的数据进行优化；

所述冷却塔优化模块，用于采用全变频控制模式，计算设定的冷却水供水温度，并通过控制冷却塔风机的运行进行优化。

3.如权利要求2所述的制冷站节能优化控制系统，其特征在于，

所述节能运行子系统包括均等运行时间原则控制模块和时序控制模块，所述均等运行时间原则控制模块和所述时序控制模块均与所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块连接；

所述均等运行时间原则控制模块，用于对设备的运行时间进行统计，使对应的设备能被平均使用；

所述时序控制模块，用于制定对应的开机流程和关机流程。

4.如权利要求2所述的制冷站节能优化控制系统，其特征在于，

所述节能运行子系统还包括开停机判别模块和故障报警模块，所述开停机判别模块和所述故障报警模块均与所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块连接；

所述开停机判别模块，用于根据实际负荷情况和设备优先控制原则确定开机或关机的最佳时刻和数量；

所述故障报警模块，用于对设备进行故障检测，并进行对应的报警处理。

5.如权利要求1所述的制冷站节能优化控制系统，其特征在于，

所述节能运行子系统还包括冷冻水系统控制模块和压差旁通阀控制模块，所述冷冻水系统控制模块所述冷冻水泵控制模块连接，所述压差旁通阀控制模块与所述制冷主机变工况模块连接；

所述冷冻水系统控制模块，用于根据采集的实时数据和历史运行数据，利用预测算法模型、系统特性及对应的循环周期，预测设定时间内系统所需的冷量；

所述压差旁通阀控制模块，用于对制冷主机的最小流量控制。

6.如权利要求4所述的制冷站节能优化控制系统，其特征在于，

所述开停机判别模块包括原则设定单元、负荷分配单元和负荷控制单元，所述原则设定单元与所述制冷主机变工况模块、所述冷冻水泵控制模块和所述冷却塔优化模块连接，所述负荷分配单元和所述负荷控制单元与所述制冷主机变工况模块连接；

所述原则设定单元，用于根据采集的机组内部参数与电流负载百分比，设定对应的开机原则和关机原则；

所述负荷分配单元，用于根据能效和设定的设备组合来为每台制冷主机分配负荷；

所述负荷控制单元，用于根据设定的负荷运行阈值进行对应的启停机操作。

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