空调冷冻水泵变频控制方式分析与比较.pdf.doc

维普资讯 专 题 研 讨空调冷冻水泵交频控制方式分析与比较王寒栋(深圳职业技术学院机电系，广东深圳 518055)摘要：从系统运行的稳定性、可靠性和节能效果等方面，对可用于空调冷冻水泵变频控制的几种 ：方式即压力或压差控制、温度控制、流量控制、综合控制等进行了比较，分析得出了各种控制方式的 ：特点及适用场合。：关键词：空调； 冷冻水泵； 变频； 控制： 中图分类号：TU83文献标识码：A文章编号：10068449(2004)010016061 引言冷冻水泵变频节能技术已越来越多地在中央空调系统 中得到应用，但应用效果却各不相同，有的节能量很可 观，有的不但没有明显的节能效果、有时甚至还影响空调 系统的正常运行。由于这些现象都是在工程实践中出现 的，导致人们凭 “眼见为实”形成了对空调冷冻水泵变频 节能的不同看法，从而在工程人员中出现了关于空调冷冻 水泵变频究竟能否节能、节能效果有多大等的争论。本文主要从变频冷冻水泵的控制方式对系统运行的 稳定性、可靠性以及节能量的影响等方面进行探讨，分 析不同控制方式的特点，以便针对不同的系统采用合适 的或最佳的变频控制方式、获得既能稳定运行又能最大限度节能的效果，期望能对工程实践有所帮助并能引起人们对选择变频冷冻水泵控制方式的重视。2 冷冻水泵变频控制方式及其特点目前，变频冷冻水泵闭环控制方式主要有压力或压差控制、温度或温差控制、流量控制及在以上控制方式的基础上形成的综合控制等。本文对开环控制不加讨论。2。1 压力或压差控制这是一种最常见的控制方式，其闭环控制方框图如图1所示。主要由压力或压差传感器、变频控制器 (有的是由PLC或 DDC等控制器来控制变频器 )、冷冻水泵及 其管路等组成，它要求空调系统中空气处理末端装置的冷冻水管路上必须设置能随负荷变化而调节流量的二通阀，如电动阀、电磁阀等，空调冷冻水系统示意图见图2。图 1 压力闭环控制方框图厂 二二 一卜嘹 冲嚅 e卜骨e，囱0L _ 卜_-_J0图 2 空调冷冻水系统示意图vT一温度调节阀；AHU一空气处理装置；VFD一变频装置；BV 旁通阀；T一温度传感器 (每个AHU都有 )；V一平衡阀；P一冷冻水泵 ；Ch一冷水机组 ；C一控制器在这种控制方式中，采用冷冻水系统中某处(通常是离泵最远的空调用户端或冷冻水供、回水总管处 )的压差P作为变频控制器的采样输入信号。当空调负荷改变时，由于相应管路上阀门开度的自动变化而引起管路上压差的改变，控制器检测到这一变化后 (通过与其设定值比较 )，按照预先设定的控制算法计算出偏差，并产生输出信号控制冷冻水泵电机的运转频率或转速，从而通过改变冷冻水泵的流量和扬程等来适应空调负荷的变化。由于采用的是冷冻水环路中的压力 (压差 )信号，受环境温湿度干扰的影响较小。反应较快、较灵敏，一旦系统中某处压力产生变化时，系统能及时感知并采取16 l，I95期0o4卷维普资讯 专 题研 讨控制动作。系统中任何地方的负荷变化都能在压力或压差检测点得到反映(由于静压传递的关系 )，由于该压力或压差与冷冻水系统的流程、流动阻力等有密切关系，可以比较准确地反映系统内部冷冻水流动的变化，甚至是空调用户数量与位置的变化。但对于除湿要求较高的空调系统，如果不注意对空调末端热交换器的温度进行合理设置，这种控制方式可能存在影响除湿效果的问题。此外，当各支路正常运行所要求的压差各不相同，而靠唯一的定压差值控制时，则要求该定压差值能确保所有空调用户都能正常运行，否则，有可能出现部分用户空调效果差或失效的现象。2-2 温度或温差控制这种控制方式的闭环方框图如图 3所示，主要由供水或回水温度传感器 (或供 、回水温差传感器 )、变频控制器、冷冻水泵及其管路等组成。设定沮差硪汪度僵图 3 温度或温差控制方框图它采用冷冻水供水或回水总管中的供水或回水温度，或供回水的温差作为控制器的采样输入信号，控制器将该输入信号与内部的设定值进行比较，得出需要的输出信号来控制冷冻水泵的转速，使冷冻水的流量满足空调负荷变化的要求。这种控制方式的特点是，温度采样点离负荷变化点有一定的距离，冷冻水流动中易受环境温度等的干扰。同时，只有当冷冻水经过一个循环后，其温度变化才能反映出来，故控制的及时性较差。该方法虽能在一定程度上稳定系统总的供水或回水温度，但不能根据负荷变化准确地分配各用户所需要的冷冻水量并提供适当的水压。当同样的负荷变化发生在不同楼层的用户端时(如分别在最高层或最低层 )，仅从冷冻水的温度上是反映不出其中的差别的，但在系统最高层与最低层变负荷时对冷冻水泵的扬程的要求是不同的，因此采用这种控制方式有可能造成部分用户的供水不足或是达不到理想的节能效果。该控制系统中，由于冷冻水的流量与温度间 不存在准确的对应关系，且缺少对管路系统实际所需压头 (扬程 )的检测，在控制的稳定性和可靠性方面不如压力控制方式。针对其控制不及时的问题，有人提出将温度检测点设在最远端的供回水管上。如果不考虑信号传输的损失，这在最远端有冷冻水流动时确实可以适当缩短控制的反应时间，但由于该点温度只能反映该支管中冷冻水的温度，而不能反映出全部管路中冷冻水的温度，用其作为控制器的输入信号显然是不合适的。从温度或温差控制的特点来看，这种方式比较适合于用户端不设调节阀或带有旁通管的冷冻水系统。对于采用二通阀尤其是采用温度调节阀而不设旁通管的系统，负荷减小时，由于空调末端的冷冻水进出水温差能基本上不变或变化很小 (主要通过阀门开度来调节冷冻水流 量，从而控制换热盘管的换热量，温差基本不变 )，用其作为被控变量将很难获得好的控制效果。而对有旁通管的系统，当系统负荷变化时，在供回水总管压差控制下，旁通管上的旁通阀开度随之变化，旁通的温度较低的冷冻水与温度较高的用户端回水相混合，引起总的回水温度或供回水温差的变化，控制器根据这种变化发出指令调节泵的转速，以减小旁通流量来达到节能的目的。因此，采用温度或温差控制的空调冷冻水泵变频系统，要求所检测到的冷冻水温度或温差随负荷有较明显的变化。23 流量控制这种方式中，通过检测系统用户端实际冷冻水流量的大小来调节冷冻水泵提供的流量使之达到供需平衡。单从流量的角度而言，这种方法是可行的，但空调系统不但对冷冻水的流量有要求，而且对提供的水压即冷冻 水泵的扬程有较为严格的要求，对于用户支路较多较复杂的系统，仅控制流量仍难以保证不同支路的压差的要求。因此，除了用于二级泵系统中恒速二次泵的台数控制外，这种方式用于变频泵控制的成功例子还鲜见报道。24 其它控制方式这些控制方式主要有变设定压差值控制、根据管段流量分配的分段控制、检测水阀阀位或开度的控制等，前二者实际上分别是压差控制、压差与流量控制相结合的产物。241 变设定压差值控制，它是在多个空调用户支路上 设置压力或压差传感器等，通过 DDC控制器不断检测冷冻水管路中的相关压力或压差，同时检测各支路上二通阀的开度或流量以判断负荷的分布，以此来控制变频泵的运行。目前这一方式在国内实际工程应用中还很少见到报道。其特点是传感器设置较多，控制过程较为复杂，维护保养工作任务较重，比较适合于各空调支路上压差各不相同(如有的要求为30kPa，有的要求为50kPa 等 )且需要精确控制的场合，否则就显得有些大材小Not 2004 I卷用。实际工程中有无必要，应从可能的节能量 、系统运行的稳定性、初投资及日后维护管理费用、管理人员的 技术水平等方面与采用单一定压差控制方式相比较后，进行正确的决策。242 按管段流量分配的分段控制 ，它是根据各管段的 压力、流量分配特点，将最高 、平均、最低流量时管网 中最不利点工况用三个流量段的控制方程分别表示，在 每个流量段内，利用 PLC或 DDC等控制器获取管路中 的流量、压力信号，根据对应 的控制方程对泵的变频调 速进行控制 。这一控制方式主要是针对水厂供水控制 提出的，在目前的空调供水控制中还未见采用，但其控 制策略在分区供水较复杂、负荷变化具有明显规律的空 调系统中值得借鉴，可以提高控制的精细程度，比较有利于节能。但与其配套的控制系统部件增多，且要实测些参数才能获得比较准确的控制方程，这对于一般的空调系统来说并无太大的必要。243 检测水阀阀位或开度的控制，它是根据各支路上阀门的开度大小 (或阀位 )来达到调节冷冻水泵转速的 目的。该系统同样需要配置PLC或DDC控制器，不断对阀门的开度或阀位进行采样，并需要对不同位置的阀门进行识别以满足不同的水压需要，控制规律较难确定 、控制过程也相当复杂，其实际应用的例子也未见报道。3控制方式对系统运行与能耗的影响由于系统的运行不可避免地要受控制方式的影响，控制方式不同时，冷冻水泵变频运行的性能、能耗等也会有差别。以下主要对应用较多的、也是最基本的压差 控制与温度控制进行讨论，并在此基础上得出各种控制 方式的特点与适用场合。31 压力或压差控制 采用这种控制方式时最好是设定空调系统中最远端用户所需的压差为定值，属于定压差控制。由于定压 差控制值的存在，冷冻水泵的变频运行能耗已不能用人 们所熟悉的相似定律来直接计算，即冷冻水泵的能耗已 不再与流量或转速的3次方成正比 。文献【2】指出，采 用定压差控制的变频冷冻水泵的扬程、能耗的计算式为：= S2Q +SQ +C(1)N=口(C+SQ )Q+ 2Q 】(2)式中一冷冻水泵的扬程，in；一冷冻水泵组 (包括电机、泵、变频装置等 )的总耗功。W；维普资讯 专 题 研 讨Q一管路中的冷冻水总流量 ，in，s，在实际系统中受冷水机组等的要求，Q有最小值； 建筑中第 1层空调用户以下的冷冻站内冷冻 水管路的阻力系数，sms；从第 1层到第 一层 (最高或最远端 )用户间 供水及回水总管的等效阻力系数，s2ms； Q。一从第 1层到第一层间供 (或回 )水总管中的冷冻水等效流量，m3s；c一第 n层 (最远端 )空调用户支路所产生的管 路阻力损失即 ，Ah ，=apy，也即 控制泵转速的设定值 (定压差常数 )，m；口一综合系数，口=7(叩 d叩 叩 )， 其中 y一冷冻水的容重，Nm，；叩 。一变频驱动器的效率；叩一冷冻水泵电机的效率； 叩一冷冻水泵的效率。模拟计算发现 ，当冷冻水流量 (或空调负荷 )减少 到一定程度时，定压差能耗在总能耗中开始占据主导地 位，如图 4所示。图中冷冻水泵的总能耗对应于式 (2)中的；等效管路能耗对应式 (2)中的 Q2PQ；冷冻站内冷冻水供回水管路能耗对应于 ，Q，；定压差能耗对应于cQ；cQ+ Q2PQ则称为全部用户等效环路能耗 (图中未画出 )。而且由于该定压差能耗只与流量的一次方成正比，当流量减小时，其变化的速度较慢，这就在一定程度上限制了变频泵节能潜力的发挥。值得注意的是，有的工程贪图简便，将压差传感器设在冷冻水供水及回水总管上，并用该压差信号来控制变频泵的运行。这样做的结果是式 (1)与 (2)中的 c值较大，对系统运行的节能非常不利，应尽可能加以避免。虽然定压差控制对系统的节能有一定影响，但是可以较好地控制变频冷冻水泵的运行，可以确保系统在不同负荷及不同负荷分配情况下的稳定运行。系统中任何用户负荷变化后，都能引起冷冻水管路的压力变化，并通过压差传感器将信号送至控制器，由控制器发 出控制 信号调节冷冻水泵的流量与扬程，保证供需平衡。而且当最高层空调负荷减为0时，该压差信号能自动地反映 出下一层负荷非0的空调用户支路的压差，无需进行其它判断或操作。因此无论负荷在各楼层中如何变化，如果控制阀设置得当，系统所需的流量与扬程总能得到正确的控制，控制系统简洁又可靠，非常方便实用。 该控制方式的另一个优点是变频泵的控制与冷水机组的控制可以分别独立进行而不致产生冲突，可以通过墙No112004维普资讯 专题 研 讨冷冻水量的变化，将泵的变频节能与冷水机组的能量调 节很好地结合起来，较好地满足运行稳定与节能的要 求。但对一级泵系统变频时，要求设置变频泵的频率或 转速下限 (亦即冷冻水的最小流量 )，以满足冷水机组 等的最低流量要求。由于平坦特性的水泵对压力的变化不敏感，对于控制精度要求比较高或同时运行的并联泵台数较多对，采 用这一方法要慎重 ；而对于控制精度要求不高或同时 运行的并联泵的台数少的场合，只要能适当避免大的振荡出现，在舒适性空调中还是可以接受的。图4 某冷冻水泵变频调速系统中各项能耗的变化示意图32 温度或温差控制采用温度或温差控制时，由于温度不能准确地反映出负荷在建筑物内的分布，只能起到调节冷冻水总量供需平衡的作用，难以准确地获得系统所需供水压力的大小。虽然从冷冻水泵本身的特性看，流量与扬程间具有对应的关系，但其在系统中的工况点还要受冷冻水管路 特性曲线的影响。即使是同样的水泵，由于管路系统特性曲线不同，其工况点也不同。按照式 (1)(此时可将 c用相应管路的阻力降 来代替 )，建筑物内不同的负 荷分配 (通过 反映出来 )将影响到系统的阻力特性。例如，同样是 80的总负荷，当其分别分布在建筑 物的上层部分或下层部分时，冷冻水管路的特性曲线是 不同的，建筑物的层数越多，这种差别越大。而温度或 温差控制检测不到这种差别，这就有可能引起部分楼层 因冷冻水水压不足而出现空调失效的现象。因此该控制 方式比较适合于各楼层空调负荷变化较均匀，或变负荷 时冷冻水管路特性曲线不变或变化微小的场合。对一级泵系统而言，这种控制方式还要兼顾与冷水 机组能量控制协调的问题，处理不当可能会引起系统运 行的不稳定，影响空调品质 。这是由于冷水机组的制冷 量会根据空调负荷的大小在一定范围内进行自动调节，而这种能量调节往往是根据冷水机组的冷冻水回水或出水温度来进行的，因此在变频泵的温度或温差控制过程 中可能会出现两种情形：(1)冷水机组的能量调节范围较大 ，且冷水机组对 冷冻水温度的调节作用很强，经过冷水机组的调节后， 冷冻水泵变频控制器检测到的回水温度或供回水温差没 有明显变化，冷冻水泵的转速不发生改变，仍然维持原 有转速，对冷冻水泵而言并没有节能效果，系统的节能 只能通过冷水机组的能量调节来实现，这与冷冻水泵的 定速运行并无区别这也可能是一些变频调速系统没 有好的节能效果的原因；(2)冷冻水泵的变频与冷水机组的能量调节同时进行，即冷冻水流量变化的同时，冷水机组也根据变化的冷冻水温与流量进行能量调节，这样冷冻水泵冷水机组 似乎都能运行，但由于此时冷水机组和变频水泵同时对冷冻水温度或流量进行调节，必然要求两者的控制能很好地协调，否则可能造成系统控制的振荡而运行不稳定，影响整个控制品质，因此对系统的控制要求更高。对于这样的控制方式，有必要考虑两者如何协调以及控 制优化的问题，即考虑如何才能充分发挥冷冻水泵变频节能与冷水机组能量调节节能效果，否则会得不偿失。在能耗方面，采用温度或温差控制变频冷冻水泵的运行时，表面上看似乎消除了压力或压差控制中定压差控制值的影响，应具有更好的节能效果。但由于空调用 户端冷冻水管路的压差仍然存在，且该系统中必须设置旁通管 (体现温度变化的需要 )，旁通阀的开度一般要 由供、回水总管中的供、回水压差控制，在泵变频的过 程中，旁通阀不断地进行 “开关”的动作，其实质 还是维持供、回水压差为恒定值。如果单纯依靠温度 (或温差 )来控制冷冻水泵的变频而不考虑空调管路所需压差，则可能会出现如前述的部分空调失效的现象。 根据并联管网的阻力特性，对式 (1)、(2)作适当的变 化，我们可以将其管路阻力特性方程表示为：= Q +ch(3)=口(chQ+ Q)(4)式中 G一冷冻水供回水总管中的供回水压差水头，ITI； 旁通管以下 (冷冻站内 )冷冻水管路的阻力系数，一般情况下 。由于管路中cL的设定值是系统正常运行所确定的，并不因采用何种控制方式而不同，这就相当于压差控制中利用冷冻水总管中的供回水压差作为控制器的输入信 号，其节能效果实际上 比最远端压差控制要差。可见， 在空调冷冻水系统中，采用温度或温差控制并不能获得No12004 I19。一维普资讯 专 题 研 讨更好的节能效果，除非是与此同时结合变设定压差值控的信号始终不变 )。制的思想，根据实际需要对 G 进行改变，但这样一来无疑是控制变得复杂化了。4各种控制方式的比较对于管路中不设调节阀的系统 (如空调冷却水系各种控制方式的特点及适用场合的简要比较如表 l 统 )，采用温度或温差控制既能维持稳定运行，又能获 所示。可见，以上控制方式各有特点 ，在实际工程中应得一定的节能效果；相反，如果在这种系统中对变频泵 根据具体情况来决策。 采用压力或 差控制，则不会有节能效果(因为传感器表 1 各种控制方式的简要比较5 结语(1)空调冷冻水泵变频运行的稳定性与节能效果的好坏，除与设备的选用等有关外，还 其控制系统密切相关。好的控制系统既可以维持空调系统的正常运行