变流量系统

设计参考

空调变流量水系统设计技术发展 (之三)———全变速离心冷水机组

装置设计与等临界性能原理

中南建筑设计院　高养田☆

摘要　阐述了全变速离心冷水机组装置的组成、性能特征、设计与运行以及与定速装置的初投资对比。提出了基于需求控制的方法,并结合具体实例进行了分析。介绍了等临界性能原理,并将其应用于系统设计以使系统运行最佳化。

关键词　基于需求的控制　等临界性能原理　基于网络的控制　迭代控制

De v e l o p m e nt of t h e v a ri a bl e fl o w w a t e r s yst e m i n

a ir c o n diti o ni n g(3):a ll2v a ri a bl e s p e e d c e ntrif u g a l

c hill e r p l a nts a n

d t h

e e q u a l m a r gi n a l p e r

f or m a n c e p ri n c i p l e

By G ao Y angtian★

Abs t r a ct　Describes t he comp osition,perf or mance characteristics,design a nd op eration,and t he initial invest ment comp arison.Prop oses t he de mand2based cont rol met hod a nd a nalyses wit h an application example.Explains t he equal marginal p erf orma nce p rinciple,and applies it t o t he syste m design in order t o

e nsure t he op timal op eration.

Keywor ds　de ma nd2based cont rol,equal marginal p erf orma nce p rinciple,networ k2based cont rol, iterative cont rol

★Zhongnan Architecture Design Institute,Wuhan,China

20世纪,由于控制技术的发展,直接数字控制、基于网络的智能控制的支持,使得变流量空调水系统迅速发展,其发展历程大致为:开式定流量系统─定流量系统(使用三通阀)─一、二次泵系统(定速泵带去耦管,用两通阀)─一次泵定速、二次泵变速系统(带去耦管,用两通阀)─变流量一次泵系统(带旁通管)─全变速离心冷水机组装置系统。近年来美国学者Thomas Hart man发表了全变速离心冷水机组装置及其控制理论等系列文章,紧扣空调工程设计的两个主要问题:一是如何正确选用系统所需设备,二是如何提高系统运行效率。经与原作者联系并获得许可,现就有关资料予以综述。因篇幅及笔者个人水平所限,可能挂一漏万,理解不当之处,请读者批评指正。

1　全变速离心冷水机组装置[122]

1.1　装置组成

随着变流量水系统的发展,一次泵系统逐渐代替二次泵系统。变速离心冷水机组的出现使得冷水、冷却水变流量的全变速系统也就应运而生了。所谓全变速离心冷水机组装置是指冷水机组、冷却水泵和冷却塔风机都使用变速传动的系统,如图1

所示。

图1　全变速离心冷水机组装置

①☆高养田,男,1934年10月生,大学,高级工程师

430071　武汉市武昌区中南二路10号中南建筑设计院

(027)87841939

收稿日期:2009-05-20

在没有深入研究变速机组的情况下,变速与定速机组的设计与运用曾存在如下误区:把变速机组

作为定速机组的补充,仍然沿用传统的定速机组的控制策略,若变速机组同定速机组一样使用,其潜能就被忽略掉了。1.2　装置的性能特征通过对变速离心冷水机组的深入研究,在变速与定速离心冷水机组装置机械组成部分相同,冷水供水温度不变,冷凝器进水温度不同的情况下,二者的性能曲线有很大区别,如图2所示。导线2水性能曲线(wire to water performance )包括机械、电动机和各种速度传动的损失,代表每一负荷点的单位制冷量消耗的功率(kW/kW )。二者的区别是:1)当所用冷却水温度固定,定速冷水机组的负荷率在50%～100%的范围内时,运行效率变化较平缓。而变速冷水机组在负荷低于100%时效率有所改善。2)当所用冷却水温度下降时,定速与变速运行效率明显不同,二者性能的区别有必要认真研究,如当变速离心冷水机组纳入系统设计中时,怎样使系统更加有效地运行,变速装置如何配置,变速与定速系统在同样的安装费用下,如何改进系统运行效率等问题

。

图2　变速和定速离心冷水机组的性能比较

变速冷水机组能耗的最低点,也就是机组效率最高点是在机组设计容量的60%左右。把不同的冷却水温度下的效率最高点,即机组全年的最佳运行点连接起来,得到的曲线为冷水机组的自然曲线

(nat ural curve ),如图3所示。由于这一自然曲线的存在,相应的机组控制策略发生以下变化:传统的定速机组在若干台并联时,因机组在100%负荷时效率最高,故尽可能减少机组、冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机的运行台数;而全变速冷水机组系统冷水/冷却水泵及冷却塔风机均是变速的,机组在

部分负荷下效率高且耗功少。因此,运行设备数量最小化的控制策略就要重新考虑了,应是寻求机组效率最佳化的运行方案

。

图3　冷水机组的自然曲线

图3中的自然曲线是根据冷凝器出水温度不变,而不是进水温度不变来确定的。这里使用冷凝

器出水温度的意义在于它补偿了通过冷凝器水的流量变化。举例来说,若冷却水流量变化,只要测出冷却水的出水温度这一参数,冷水机组的性能就可确定出来了。如果流量减小,就必须向冷凝器供应较低温度的冷却水,以保持冷凝器的出水温度不变。这样在冷凝器内冷却水和制冷剂之间产生较大的对数平均温差,以弥补小流量所形成的水与管子之间的导热损失,反之亦然。这一特性也适用于蒸发器的整个流量范围,虽然热流方向与冷凝器相反,但热传递原理基本上是相同的。因为自然曲线是冷水机组最高运行效率点的轨迹,所以冷水机组应尽可能靠近自然曲线运行。当然,若冷水供水温度变化,类似的自然曲线也可以绘制出来。

由以上讨论可知,变速机组有效运行的要求与通常使用的定速机组程序化运行有所不同,这也是为什么当变速机组与定速机组混合使用,或者把变速当成定速操作时,达不到最佳性能的原因之一。1.3　装置中冷却塔和冷却水泵的运行特性研究

过去在多台冷却塔装置中,由于定速冷水机组对于冷却水温度降低不像变速冷水机组敏感,所以对冷却塔风机和冷却水泵的运行没有给予特别的重视。同时,在基于网络控制出现以前,冷水机组控制对冷凝器冷却水流量的变化较敏感,冷却水流量变化会影响冷水温度控制的稳定性,所以希望冷却水流量固定。而现在使用的变速冷水机组,需要用低的冷却水出水温度来改善机组效率,但是这一点是由室外湿球温度,即通过冷却塔的冷却水趋近