一次泵变流量系统的设计

一次泵变流量系统的设计郝庆1) 张子平1) 穆丽慧2)1)(河北工程大学) 2)(海南元正建筑设计咨询有限责任公司天津分公司)摘 要 一次泵变流量V PF(variable primary flow)系统是中央空调系统的最新布置形式,与一二次泵系统相比在初投资和运行费用上更具有优势。

目前国内一些采用一次泵变流量系统的工程在运行中出现许多问题,本文从制冷机组的选择、旁通流量的设计、机组的启停控制、泵和机组的布置方式、一次泵变流量控制方式的选择、机房外的布置6个方面说明V PF的设计要点。

关键词 V PF 设计 一二次泵系统 大流量小温差The design of variable primary flow systemH ao Qing1) Zhang Ziping1) M u Lihui2)1)(Hebei Eng ineering University)2)(H ainan Yuanzheng Architectural Design&Consultation Co.,Ltd.)ABSTRACT Variable primary flow system is the new est system of center air conditioning sys tems,which has larg e advantages in first cost and operational cost than primary/secondary sys tems.M any domestic eng ineering applying VPF ex ists many questions.The key of VPF design is advised from six sides of chiller selection,bypass flow design,chiller sequencing,pump and chiller configuration,VPF control modes selection and configuration outside plant.KEY WORDS VPF;design;primary/secondary systems;low temperature difference and high flow中央空调系统是根据最大冷/热负荷设计的。

由于冷/热负荷受气候等因素影响经常变化,使中央空调系统大多数时间在部分负荷工况下运行,同时由于风机盘管除污器未及时清理,风机盘管选型不合适,风机盘管内空气的分布不均匀,末端使用的三通阀、管网的布置不合理等原因,使中央空调2个水系统绝大多数时间在大流量小温差下运行,造成系统运行费用的增加[1]。

因此提高中央空调水系统的供/回水温差,降低空调运行成本,受到越来越多的关注。

随着空调机组自动控制技术的发展,空调机组蒸发器和冷凝器的流量已经允许在一定范围内变化,一般为设计流量的30%~130%,这使得水泵变流量运行成为可能。

中央空调水系统形式经历了一二次泵系统(一次泵定速,二次泵定速),一二次泵系统(一次泵定速,二次泵变速),移除了自力式流量控制阀,一次泵变流量系统,压差变送器代替流量表,独立压力流量控制阀的使用,风机盘管控制阀的发展(控制水泵频率的压差传送器从供回水干管上移到最不利环路上和将压力独立控制阀安装在风机盘管上),热回收机组8个发展阶段[1]。

一次泵变流量系统作为中央空调水系统的最新布置方式,更好地解决了一二次泵系统出现的问题,特别在初投资、运行费用方面具有突出优势[2]。

国内很多工程都采用了一次泵变流量系统,但出现了系统运行不稳定、末端过冷或者过热、压差旁通控制阀长期关闭、变频器频率变化范围过小等现象。

1 一二次泵系统存在的问题1)所有的一二次泵系统在一次网和二次网的管接处都有一个汇合点,如图1上O点。

当二次第7卷 第6期 2007年12月制冷与空调REFRI GERA T ION AN D AIR-CON DIT I ON ING47 51收稿日期:2006 09 01通讯作者:郝庆,Email:haoqing8866@泵流量大于一次泵流量时,一次网的供水和二次网的回水混合,进入末端的冷冻水温度升高,风机盘管除热除湿能力下降,使风机盘管偏离原先的设计工况,同时也增加了机组和水泵的能耗。

图1 一二次泵系统2)末端水系统在大流量小温差下运行是一二次泵系统普遍存在的一个问题。

当末端冷冻水的回水温度低于设计的回水温度时就会发生这种情况。

由于这种情况不仅在部分负荷下经常出现,满负荷时这种情况也存在,因此会导致空调系统出现如下问题:限制机组的负载量。

在一二次泵系统中是按照一次泵的大小和设计温差来选择机组的,因为一次泵是定速泵,机组的负载量由末端水系统供/回水温差决定,在小温差下机组不会达到满载,只有末端水系统供/回水温差为设计温差时机组才会满载。

增大了水泵的运行费用。

在5!设计温差时,若实际供/回水温差是4!,在相同的负载下,水泵泵送的水量将比设计的水泵泵送的水量增加25%,理论上泵将增加95%的能耗。

∀管道和水泵不能满足水系统要求。

由于系统管网是按照泵的额定流量来选取的,在实际运行中,由于低温差,系统水流量比设计流量偏大,系统阻力增大,系统水力不平衡,原有的管网将不能满足水系统要求[3]。

2 VPF 的特点在一二次泵系统中一次泵采用定速泵的目的是为了确保机组安全运行,为机组提供恒定的流量。

然而随着机组控制技术的发展,通过机组蒸发器和冷凝器的水流量为恒定流量不再是一个必要的条件。

但对机组蒸发器和冷凝器最小水流量的限制仍然是必要的。

一次泵变流量去除了一次定速泵,添加了机组隔离阀,当机组关闭时,切断水流。

在机组蒸发器进口水管处安装有流量表监测流量。

一次变速泵调节整个末端水系统的流量,包括通过机组和末端风机盘管的水流量。

旁通管可以安装在风机盘管的上游或者下游。

旁通管上安装有控制阀,确保系统的末端水系统水流量在机组允许的最小流量之上。

与一二次泵相比,VPF 有如下特点:从初投资来看,减少了二次泵,另外一二次泵连接的配件、防振器、启动器、电线、控制器等的投资可以抵消一次泵的变频驱动和旁通管控制的费用,同时机房占地面积比一二次泵有所减少。

从泵的能耗角度看,在满负荷时,一次泵变流量与一二次泵的能耗相差不大;在部分负荷下,一次泵变流量比一二次泵变流量消耗更少的能量。

由于空调系统80%时间在部分负荷下运行,因而节省的能耗是相当可观的[1]。

但变流量运行会造成机组能效的下降,机组变流量运行比定流量运行能耗将会增加,将抵消一部分泵节省的运行费用。

从运行角度来看,一次泵变流量已经能够解决大流量小温差问题。

3 VPF 系统的设计VPF 系统应能够维持蒸发器的水流速在机组允许的范围内;能够对没有稳定运行时的瞬变流量(瞬变流量是由于机组启动之前与它相连的隔离阀的开启或机组停机时隔离阀的关闭引起的液压效果)进行操作,特别是在多个机组联合运行时。

同时一次泵应采用合适的控制方式,解决大流量小温差问题。

下面介绍VPF 系统设计要点。

3.1 制冷机组的选择3.1.1 选择蒸发器水流速范围较大的机组蒸发器水流速必须在机组允许的最小流速和最大流速范围内才能保证机组正常工作。

对最小流速限制是为了保证蒸发器有好的换热效果,并且能够执行稳定的控制。

对最大流速限制是为了防止振动和管道的腐蚀。

机组的蒸发器水流速范围一般是0.915(0.4575)~ 3.355m/s 。

为了更大地节约运行费用,选择蒸发器最小水流量小于或等于机组的设计流量60%的机组。

因为VPF 的特点是降低泵的能耗,制冷机组的流量不能保持恒定,蒸发器最小水流速度越小,机组蒸发器就能够在一个比较大的流量范围内运行。

只有蒸发器水流量降低到设计流量的50%的机组才具有节能潜力。

#48# 制 冷 与 空 调第7卷3.1.2 选择单位时间内允许蒸发器水流量变化大的机组在VPF 中,蒸发器水流量是经常变化的,特别是在多个机组联合运行时,对没有稳定运行时的瞬变流量进行操作。

机组允许蒸发器水流量的变化一般是设计流量的2%~50%。

对于机组控制器允许流量的变化低于2%的机组,需要30min 才能响应机组流量从设计流量降低到设计流量的50%,因而必须选择单位时间内允许蒸发器水流量变化大的机组。

对于冷冻水水温要求严格的空调系统,如洁净空调、芯片制造车间,选择流量变化不超过设计流量的10%的机组;对于冷冻水水温要求不高的空调系统如舒适性空调,选择流量变化不超过设计流量的30%的机组[4]。

3.1.3 选择通过蒸发器的水流压降相同的机组对于多台循环水泵并联为多台机组供水的中央空调系统,如果选择不同大小和类型的机组,压降小的机组将会有更大的流速,同时会有更大的负载,不同的压降使系统不能稳定运行(见图2)。

图2 VPF 系统13.2 旁通流量的设计在VPF 中,旁通管是为了维持机组流量在最小流量之上,因而旁通流量的设计尤为重要。

3.2.1 测定蒸发器流量的仪表的选择旁通管和流量表共同作用保证蒸发器水流量在机组允许的最小流量之上。

选择合适的流量测量仪表,使之能够提供准确、不间断的流量数据。

准确获取蒸发器水流量是VPF 得以成功实现的关键。

通过流量表测定蒸发器水流量对流量阀进行控制,但是水质问题、管道布置和仪表的精密程度都会对其产生影响。

解决的方法是在蒸发器进出口处安装压差变送器,编写一个简单的代数式来控制机组的最小流量阀,这种控制更加稳定,可以进行微小的调节,但水泵的能效会有小幅的增加。

由于压差变送器在使用之前需要校核,安装位置有严格的要求,且容易受外界的电磁干扰,因而有条件最好考虑电磁流量计,尽管比较昂贵,但是它比其他测定流量的方式更加准确,并无需保养,就是把它安装在弯管或阀门附近也不会受影响。

3.2.2 旁通管位置的选择旁通管应尽量安装在水泵的附近,这样可减少水路的压降,降低水泵的能耗。

同时因为测量蒸发器流量的仪表和旁通管上的控制阀必须接在同一个DDC 面板上,如果旁通管安装在远离泵的位置,那么流量表和控制阀就要接在不同的DDC 上,这样容易受到其他控制环路的影响。

3.2.3 旁通管上压差旁通控制阀的选择安装在旁通管上的压差控制阀的作用是确保每一个正在运行的机组的蒸发器的水流速在机组制造商要求的最小流速之上。

VPF 中使用压差旁通控制阀,在部分负荷下,由于蒸发器的水流量较小,在压差旁通控制阀两侧有很小的压降,此时压差旁通控制阀可能不能正常工作,始终处于关闭状态。

压差旁通控制阀两侧的压差由于安装位置的不同,会在一个大的范围内变化。

如图2,A 位置要求压差旁通控制阀有相对较高的运行压力,在B 位置要求一个较低的运行压力。