CN1186572C - 空调水系统变压差变流量控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
空调水系统的变压差变流量控制方法及系统是在空调水系统冷水机前后设置一次循环泵和二次循环泵，在一次循环泵前设置流量传感器，在一次循环泵前和二次循环泵后之间设置压差传感器，流量传感器和压差传感器的信号送到可编程控制器中，与按数学模型ΔPi＝A(Qi/Qs)2+B进行计算的结果进行逻辑比较后，输出模拟量控制连接在二次循环泵上的变频控制器。优点是节能效果明显，系统的稳定性及适应能力强。
Description
本发明属于空调水系统控制方法及系统，特别涉及一种空调水系统的变压差变流量控制方法及系统。
目前在当今大型高级民用建筑中，空调系统的能耗大约占整个建筑能耗的百分之四十以上，所以，对空调系统节能设计及运行的要求愈来愈引起业主和业内人士的关心。对于闭式循环的空调水系统设计，专业设计人员在实际工程中已普遍引入了变流量设计思想，但是，由于系统设计的控制思想和具体采用的控制方法与实际管道特性有较大出入，往往用设计负荷条件下的定流量概念处理变流量系统控制，忽视了水系统对全年85％以上时间是在部分负荷运行的应变能力的考虑，因而在实际运行过程中时常出现系统稳定性及应变能力较差，运行能耗较高的情况；尤其是在多台制冷机组并联运行的较大的系统或冬夏季合用一套循环水泵的系统中，由于系统循环水量变化及流体动力粘滞系数变化的原因，导致系统实际须用压差发生较大波动，使得循环水泵工作点飘移而过载，实际运行管理中被迫采用阀门节流或增加水泵运行台数以小温差大流量稳定其工作点，这无疑增加了系统的运行能耗。在长期的工程设计和运行管理实践过程中，人们对空调水系统的稳定性，应变能力及节能运行设计的认识进一步明确了，尤其是计算机的应用和变频调速控制技术的发展，为空调水系统采用变压差变流量闭环自动控制，追踪系统负荷自适应的节能设计提供了极大的方便。空调冷冻水系统是由通过管道系统连接冷水机组(换热器)、循环水泵及空调末端设备组成的闭式循环系统。对于变流量系统而言，空调末端设备是由电动二通阀(用于FCU)和电动二通调节阀根据末端室内负荷及温度随机自动调节循环水量的(用于AHU、PAHU)。因此，变流量冷冻水(空调热水)系统的管道特性已不能简单地用H＝SQ2来描述。实际上管道特性是关于系统管道特性系数，不同温度流体的动力粘滞系数和末端电动阀的特性曲线及阀门开关数量的多少比例有关的复杂的多元函数关系，即：ΔH＝(Q，T，Ni)。而阀门开关数量比例Ni在一个运行日或一年内又是随机变化的，流体的动力粘滞系数因冬夏季温度不同而变化，实际上不可能准确预测某一时刻系统的运行状况。因而，在空调冷冻水系统设计中引入变压差变流量系统控制思想，对于优化系统设计，节能运行确是一个不可忽视的重要问题。
在变流量系统中，系统循环流量随负荷变化而成比例变化。对于负荷侧，可以通过末端的电动二通阀及电动调节阀进行控制。但是，对于冷源侧来讲，无论是一级泵系统还是二级泵系统，当冷源采用压缩式冷水机组时，应充分保证流过蒸发器的流量不低于其额定流量，否则过低的流量将会使冷冻水温度过低，甚至蒸发器部分结冰，引起机组喘振，进口冷水机组的自保护控制系统会使机组事故停车，尤其是离心式冷水机组甚为显著。因此，变流量的一级泵系统是靠冷水机组进出水管之间的旁通管压差控制来实现的，部分负荷时或在过渡季低负荷运行时，循环水泵的多余压头主要被末端阀门所消耗，尤其是在较大规模系统中采用多台冷水机组并联运行时，压差控制的变流量系统在部分负荷运行时，由于管道特性和末端电动二通阀门开关比例的综合影响，造成压差控制信号对水流量变化极为迟钝，甚至失调。并联运行机组台数越多，失调现象越甚。部分运行时的水泵因实际工作点偏移而常常处于过载运行状态。因此，对于一级泵系统设计而言，系统末端采用电动三通阀或不装电动阀的定流量系统比压差控制的变流量系统更能适应管道的流体力学特性，在部分负荷时采用可靠的节流定压差控制分级流量调节方式，反而比一次泵变流量系统可更有效的提高系统的可靠性和稳定性，值得注意的是，运行能耗较高。在过渡季日常运行的某些时段，当系统要求小温差大流量时(如每天早上开始运行初期)，系统的适应能力较差。但是，对于溴化锂吸收式制冷机组成的一次泵水系统而言，则完全可以利用机组流量可调节的适应特点进行变压差变流量系统设计，在两台或多台机组并联运行设计时，系统循环水流量可以实现在25％-100％或更大范围之间进行无级调节，在工程上已完全可以满足水系统的调节需要。
目前，业内人士普遍认识到水系统的变频调速变流量设计具有明显的节能效果，但是在实际工程设计中，人们往往简单地把生活给水设计中的恒压变量用于闭式循环的空调水系统控制，由于在开式给水系统中，系统静压起主要作用，管道特性对恒压影响较小，恒压变流量控制即可很好地满足节能运行要求；但是在闭式循环的空调水系统则不然，其一，循环水泵仅仅提供系统的循环动力，而与系统静压无关；其二，变流量系统的循环压差是一个受多方面因素影响的多元函数，恒压或定压差实际不能满足系统的运行要求；其三，系统循环流量变化与季节和室内负荷变化及运行方式有关，不存在零流量。因此，在闭式循环的空调水系统中采用恒压变流量控制时，只有在系统设计流量运行条件下，循环水泵在最高效率工作点运行，当系统在部分负荷运行时，由于水泵工作特性曲线与系统运行管道特性工作点偏移，水泵转速改变前后的工作点为非相似工况点，如图1所示此时水泵运行轴功率实际上并不符合
HA/HB＝SQA 2/SQB 2＝(QA/QB)2
NA/NB＝(QA/QB)3的规律，而应按下式计算：
式中r——水的密度，KG/M；
Q——循环流量M3/H；
g——重力加速度，M/s2；
η——水泵效率。
H----扬程
S----系统特性系数
当循环水量变化时，水系统循环需用压差因系统循环流量减小而降低，恒压变流量控制则要求系统压差不变，就必定要系统末端部分环路及阀门来消耗掉多于压差，造成能源浪费。对于全年绝大多数时间在部分负荷运行的空调水系统来说，这种能源浪费确是一个不可忽视的问题。
综上所述，可以看出对于闭式循环的空调水系统不可以简单采用恒压变流量设计，因为其控制思想不符合流体闭式循环系统的管道特性规律，在实际运行中也不可能达到预期的节能目的，往往事与愿违。而采用变压差变流量的变频调速控制才是唯一可行的理想选择。
本发明的目的是提供一种空调水系统的变压差变流量控制方法及系统，克服现有技术的缺点和不足。
本发明的目的是这样实现的：
一种空调水系统的变压差变流量控制方法，其特征为：以数学模型
ΔPi＝A(Qi/Qs)2+B
其中：
Qs：设计额定流量 m3/h
Qi：过程流量 m3/h(变量)
ΔPi：过程工作点压差 pa(变量)
A：压差常数 pa
B：压差常数 pa
式中A、B常数，依据水泵特性和系统特性来确定，ΔPi作为基础压差，在空调水系统冷水机和末端设备的串联管路中，冷水机前设置一次循环泵P1，在冷水机后设置二次循环泵P2，在一次循环泵P1前和二次循环泵P2前连接旁通管PT，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前设置流量传感器LM，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前和二次循环泵P2后之间设置压差传感器DP，流量传感器LM和压差传感器DP的信号送到可编程控制器PLC中，与按数学模型ΔPi＝A(Qi/Qs)2+B进行计算的理论压差进行逻辑判断后，输出模拟量控制信号控制变频控制器VVF，变频控制器VVF控制二次循环泵P2，达到空调水系统的变压差变流量控制。由循环流量增量及压差增量的正负值决定调速水泵转速的增减，其逻辑关系如下：
当Qi下降，而Pi不变或增加时，说明循环流量过剩，则变频控制器控制水泵转速下降至对应的稳定工作点；
反之，当Qi上升，Pi不变或下降时，说明循环流量不足，则控制水泵转速上升至对应的稳定的工作点。
在空调水系统冷水机和末端设备的串联管路中，冷水机前设置一次循环泵P1，在冷水机后设置二次循环泵P2；在串联管路中的一次循环泵P1前和二次循环泵P2前连接旁通管PT，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前设置流量传感器LM，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前和二次循环泵P2后之间设置压差传感器DP，流量传感器LM和压差传感器DP的信号输出端连接可编程控制器PLC输入端，可编程控制器PLC的输出端连接控制变频控制器VVF，和显示器XS，变频控制器VVF连接控制二次循环泵P2，即行成空调水系统的变压差变流量系统。
本发明的优点是：
变压差变流量控制对于节能和提高系统的稳定性及适应能力具有显著的效果和实际意义。
下面结合附图说明实施例：
图1是循环水系统恒压变流量ΔP-Q曲线图
图2是闭式循环水系统变压差变流量ΔP-Q曲线图
图3是空调水系统的变压差变流量控制系统示意图
图4是空调水系统的变压差变流量控制方法数学模型工作曲线图
图中：LM流量传感器，ΔP压差传感器，VVF变频控制器，P2二次循环泵，P1一次循环泵，PT旁通管，R冷水机组，MD末端设备，PLC可编程控制器，XS显示器。
变压差变流量控制思想能够很好地与闭式循环水系统的管道特性相一致，如图2，在运行过程中满足管道循环流体的基本规律，H＝SQ2。对于循环水泵而言，HA/HB＝(QA/QB)2；NA/NB＝(QA/QB)3，变速水泵运行的工作点满足相似工作点的条件。因而可以在不同流量条件下保证系统稳定，末端设备分支环路压差和流量工作在稳定的相似工作点条件。系统运行的实际能耗按流量的三次方成比例降低。所以，变压差变流量控制对于节能和提高系统的稳定性及适应能力具有显著的实际意义。
变压差变流量系统设计要点主要是能够有效地监测系统的运行过程，并根据系统流量的变化跟踪控制稳定其工作点，同时必须很好的避免系统调节过程产生自激开路。
图3所示为由一二次泵组成的空调水系统的变压差变流量系统。由于变流量系统特性是一个较为复杂的多元函数，很难用一个严格准确的数学公式来表述。为了解决实际工程问题，根据流体力学的基本理论引入模糊控制理论思想，并充分利用水泵并联运行特性，结合实际工程经验抽象总结建立一个可满足工程要求概念清晰的数学模型。
一、数学模型
ΔPi＝A(Qi/Qs)2+B……………(1)
Qs：设计额定流量 m3/H
Qi：过程流量 m3/H(变量)
ΔPi：过程工作点压差 mH2O(变量)
A：压差常数 mH2O
B：压差常数 mH2O
式中A、B常数，依据水泵特性和系统特性来确+-定。根据系统组成不同，这里有两种情况应该考虑：第一种情况是，设两台二级循环大泵(其中一台为备用泵；或采用一台大功率变频控制器同时控制多台水泵并联运行；溴化锂制冷机可以设计一级泵系统)，其工作流量和工作压差为系统最大设计循环流量和设计压差，变频调速控制可以充分满足管道在变压差变流量特性要求，水泵的调节特性与管道特性重合，系统运行稳定性和适应能力最好，是最为理想的控制模式。目前在西方发达国家较为普遍采用。但是，对于较大系统，因为循环流量过大，则往往要受到水泵型号及其特性的限制，实际在工程设计中可能很难选到合适的循环水泵。由于采用一台较大的循环水泵，控制单台水泵的变频调速器运行功率也较大，一次投资较大。此时系统设计的B常数应按系统末端环路的计算压差来确定。对于每层末端水平环路不太大的条件下，根据系统情况，对于异程环路，一般在30～50KPa(3～5mH2O)之间取值即可保证变压差变流量系统的稳定运行；对于同程环路，可以取末端设备的计算压降。A值等于系统二次环路的计算压差减去末端循环压差B；第二种情况是由一台变频调速控制器跟踪系统流量分别控制多台循环水泵的顺序软启动及自动退出运行以实现变压差变流量运行。但循环水泵并联运行台数最多不宜超过五台。正常运行时，始终只有一台水泵处于变频调速运行，其余均为工频运行，其变频控制器的输出功率只要大于或等于一台循环水泵功率即可。所以后一种情况可以定义为准变压差变流量模式。此时的常数A须按所选水泵的全范围特性曲线来确定，主要是保证当系统循环压差降低时，其工频运行的水泵不致过载。一般情况下，常数A在100～140KPa(10～14mH2O)之间。这里实际上是人为提高末端环路的资用压差，增加部分运行的末端设备流量，在系统管道设计条件相同时，后者比前者节能效果较差。除非调整系统管道设计改变管路特性，把系统主干管回路循环压差控制在A值范围，也可以达到理想的节能运行目的，同时可以在变频控制器故障或捡修时采用水泵台数进行级数控制(阀门开度调节配合)。二者的主要区别在于一次投资(包括不同变频控制器价差和不同管道特性下的管道一次投资)。对于一个具体的工程设计而言，采用那一种控制方式，须认真进行技术经济分析决定，以期尽可能的缩短节能设备投资的回收年限。
二，变频调速变压差变流量控制系统组成
变压差变流量控制系统主要由以下几个部分组成：
1，可编程控制器一套，须采用具有浮点运算功能可编程逻辑控制器(PLC。Programmable Logic Controller)
2，变频器一套，(在控制系统中作为执行器)
3，流量传感器及变送器(电磁流量计或超声波流量计，测量误差不大于0.5％)
4，压差传感器及变送器一套(测量精度0.1％)
这里的流量传感器和压差传感器作为模拟量输入控制信号，经可编程控制器接受并依据数学模型进行计算处理后输出模拟量控制信号。变频器实际上是一个执行器。在控制系统设置数码显示器(显示实际流量和压差值)，以实现系统的全透明运行。PLC控制器可实现多台泵等寿命切换运行。
三、变压差变流量系统设计要点：
1，循环水泵的选型，对于变频调速单台大功率的变压差变流量系统，宜选用特性曲线较平坦的循环水泵；对于多台并联运行的准变压差变流量系统，由于系统运行时只有一台水泵处于变频调速工况，其余的循环水泵均为工频运行，欲保证在系统压差发生变化时，工频泵完全适应其在特性曲线全范围内调节而不致过载运行，除应恰当确定A值外，应选用陡降型特性曲线的循环水泵。对于设计合理的二次泵系统，在冬季运行时，由于流体动力粘滞系数的变化，可以切断一次泵而只用一套二次泵运行，实现全年一套循环水泵运行方式。
2，变频控制器应选用具有浮点运算功能的可编程控制器(PLC)。根据系统控制数学模型和水力计算编制控制程序，并应具有系统运行调试可按实际管道特性修改A，B值的可能，编程时应设置动作增量范围(即模糊控制区间，以避免自激开路，ΔQ＝Qs1-1.5％；Δp＝ΔPS0.1％)；对于多台并联水泵的升序切入，不必从零HzQ切入，而应以30Hz切入运行。
3，根据系统设计参数及调节要求选用合适的压差传感器变送器和流量传感器，选择恰当的安装位置，以满足系统的控制精度要求。由于引入了模糊控制思想，压差传感器可以直接就近装在制冷机房内进出水母管上，从而解决了在系统末端环路设置压差传感器位置难以确定的问题。如图3所示。
四、某工程实例
1、设计参数
额定设计最大流量 Qs＝300m3/H
变流量调节范围 80m3/H≤Qi≤330m3/H
变压差调节范围 22.6mH2O≤Pi≤34.10mH2O
压差常数 A＝10.0mH2O
B＝22.0mH2O
数学模型 ΔPi＝10(Qi/Qs)2+22m3/H
循环流量增量 ΔQi＝5-8m3/H
压差控制精度 ΔPi＝0.1mH2O
2、典型工作点计算表
| 序号 | 流量m3/H | 流量比Qi/Qs | A＝10mH2O10(Qi/Qs) | 常数B | 压差Pi | 备注 |
| 1 | 330 | 1.1 | 12.10 | 22.00 | 34.10 | 110％ |
| 2 | 300 | 1.0 | 10.00 | 22.00 | 32.00 | 100％ |
| 3 | 285 | 0.95 | 9.025 | 22.00 | 31.025 | 95％ |
| 4 | 270 | 0.90 | 8.10 | 22.00 | 30.10 | 90％ |
| 5 | 255 | 0.85 | 7.225 | 22.00 | 29.225 | 85％ |
| 6 | 240 | 0.80 | 6.40 | 22.00 | 28.40 | 80％ |
| 7 | 225 | 0.75 | 5.625 | 22.00 | 27.625 | 75％ |
| 8 | 210 | 0.70 | 4.90 | 22.00 | 26.90 | 70％ |
| 9 | 195 | 0.65 | 4.225 | 22.00 | 26.225 | 65％ |
| 10 | 180 | 0.60 | 3.60 | 22.00 | 25.60 | 60％ |
| 11 | 165 | 0.55 | 3.025 | 22.00 | 25.25 | 55％ |
| 12 | 150 | 0.50 | 2.50 | 22.00 | 24.50 | 50％ |
| 13 | 135 | 0.45 | 2.025 | 22.00 | 24.025 | 45％ |
| 14 | 120 | 0.40 | 1.60 | 22.00 | 23.625 | 40％ |
| 15 | 105 | 0.35 | 1.225 | 22.00 | 23.225 | 35％ |
| 16 | 90 | 0.30 | 0.9 | 22.00 | 22.90 | 30％ |
| 17 | 75 | 0.25 | 0.625 | 22.00 | 22.625 | 25％ |
3、数学模型工作曲线(见图4)
值得注意的是，可编程控制器的编程通常采用梯形图语言，实际编程时应根据流量传感器的模拟量输入和数学模型公式计算结果与压差传感器的模拟量输入进行比较确定加减水泵转速，在流量增量范围以内即认为是系统的稳定工作点。由循环流量增量及压差增量的正负值决定调速水泵转速的增减，其逻辑关系如下；
当Qi下降，而Pi不变或增加时，说明循环流量过剩，则变频控制器控制水泵转速下降至对应的稳定工作点；
反之，当Qi上升，Pi不变或下降时，说明循环流量不足，则控制水泵转速上升至对应的稳定的工作点。
编程时必须可靠避免控制系统自激开路，实现闭环连续控制。在系统调试期间可根据实际系统的管道特性调整A，B常数值，确定最佳运行模式。
Claims (2)
1、一种空调水系统的变压差变流量控制方法，其特征为：以数学模型
ΔPi＝A(Qi/Qs)2+B进行计算，
其中：
Qs：设计额定流量 m3/h
Qi：过程流量 m3/h(变量)
ΔPi：过程工作点压差 pa(变量)
A：压差常数 pa
B：压差常数 pa
式中A、B常数，依据水泵特性和系统特性来确定，ΔPi作为理论压差，在空调水系统的冷水机和末端设备的串联管路中，冷水机前设置一次循环泵P1，在冷水机后设置二次循环泵P2，在一次循环泵P1前和二次循环泵P2前连接旁通管PT，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前设置流量传感器LM，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前和二次循环泵P2后之间设置压差传感器DP，流量传感器LM和压差传感器DP的信号送到可编程控制器PLC中，与按数学模型ΔPi＝A(Qi/Qs)2+B进行计算的理论压差进行逻辑判断后，输出模拟量控制信号控制变频控制器VVF，变频控制器VVF控制二次循环泵P2，达到空调水系统的变压差变流量控制；由循环流量增量及压差增量的正负值决定控制调速水泵转速的增减，其逻辑关系如下：
当Qi下降，而Pi不变或增加时，说明循环流量过剩，则变频控制器控制水泵转速下降至对应的稳定工作点；
反之，当Qi上升，Pi不变或下降时，说明循环流量不足，则控制水泵转速上升至对应的稳定的工作点。
2、根据权利要求1所述的空调水系统的变压差变流量控制系统，其特征为：在空调水系统冷水机和末端设备的串联管路中，冷水机前设置一次循环泵P1，在冷水机后设置二次循环泵P2；在串联管路中的一次循环泵P1前和二次循环泵P2前连接旁通管PT，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前设置流量传感器LM，在串联管路中的一次循环泵P1前，并且在串联管路与旁通管连接处前和二次循环泵P2后之间设置压差传感器DP，流量传感器LM和压差传感器DP的信号输出端连接可编程控制器PLC输入端，可编程控制器PLC的输出端连接控制变频控制器VVF，和显示器XS，变频控制器VVF连接控制二次循环泵P2，即行成空调水系统的变压差变流量系统。
Priority Applications (1)
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