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空调冷冻水泵变频控制方式分析与比较

来源:暖通空调在线论坛 时间:2020-04-02
 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。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。

 

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。

 

控制方式

 

 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。

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 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

 

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。

 

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。

 

 3 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。

 

 4 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。

 

1)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。

 

2)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,且要实测一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。

 

3)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。

 

 5 各种控制方式的比较

 

各种控制方式的特点及适用场合的简要比较如下表所示。可见,以上控制方式各有特点,在实际工程中应根据具体情况来决策。

对于空调末端采用二通调节阀的冷冻水系统,采用压力或压差控制既可保证系统的稳定运行,又能获得一定的节能效果,且控制系统结构简单,操作管理都很方便,是一般空调冷冻水泵变频系统较为合适的控制方式;对于无调节阀的系统,采用温度或流量控制较为合适;如果对控制精度要求很高,可以考虑多种控制结合的方式,如流量分段控制、变设定压差值控制等。

 

值得注意的是,目前很多空调系统冷冻水泵变频采用的是一台变频器控制多台冷冻水泵(切换控制),当一台定速泵与一台同型号变速泵并联工作时,相当于一大一小的两泵并联,变速泵可能难以充分发挥其应有的作用。因为这时定速泵与变速泵的流量分配量不同,即定速泵的流量总是大于变速泵的流量,且总流量越小,二者间的流量差别越大。有文献表明,当变速泵的转速降到其额定转速的30%~40%左右时,变频的节能效果已经体现不出来了。因此,在进行定速泵与变速泵的运行组合控制时,应对这一问题引起注意。

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(责任编辑:pppp1221)

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