中央空调系统冷却水冷冻水使用变频器

中央空调系统冷却水、冷冻水使用变频器一次泵变流量系统（Variable-Primary-FlowSystem，以下简称VPF系统）诞生的历史并不长，空调行业人士针对该系统的认识存在一渐进接受的过程。近几年来随着空调DDC控制技术的迅速发展，冷冻机组技术性能的不断提高，VPF系统技术的先进性、可靠性及经济性已为市场所接受，不容置疑，VPF系统的成功与否首先取决于设计，其中包括合理选用设备并实现其完美组合，设备控制和辅助控制元件之间的协调等。笔者试图从实际运用角度出发，分析VPF系统与传统变流量系统之间的差异，针对VPF系统的各个设计环节或要点予以说明。一、 VPF系统的构成简介目前，VPF系统尚无严格的定义，笔者就其基本特征作一概述，通过调节用户端二通阀改变流经末端设备的冷冻水流量以适应末端用户空调负荷的变化，同时采用一定的手段，使空调系统的总循环水量与末端的需求量相吻合，通过冷冻机蒸发器的水流量确保在安全流量范围内，维持冷冻机蒸发温度和蒸发压力的相对稳定。二、 VFP系统控制原理基本要点表面上VPF系统并不复杂，设备管路配置与传统设计形式差异不大，系统运行原理较为简单明了，根据外网负荷的变化，通过变频调节水泵转速，使系统循环水量维持在刚好满足负荷需求的水平，保证负荷侧（包括最不利点）获得足够的循环压差并尽可能降至最低，以期降低水泵运行能耗的目的。事实远非如此，VPF系统的设计复杂性相当大，笔者认为设计首先面对的是如何保护冷冻机组，即要维持蒸发器最低流量以及水流量变化的速率控制问题，其次是如何保证整个VPF系统运行的经济性及可靠性等。客观地看，VPF系统最大的缺点在于其控制的复杂性，设计人员应结合工程特性，因地制宜，妥善解决控制问题，确保该技术在良好的工作环境中健康发展。VPF系统自控复杂程度较常规系统不可同日而语，换而言之，VPF系统的成功与否，很大程度取决于自控设计的完善和设备及辅件选择的合理。三、 VPF系统设计要点及设备选用原则一个完善的VPF系统，需要整套精细化控制方案，为实现预定的控制目标，应针对系统设计方案各环节周密考虑。1、 冷冻机配置的选择1.1、 五年前冷水机组蒸发器管内速度一般为3英尺/秒〜11英尺/秒，目前冷冻机制造厂商经过试验证明，冷水机组可以通过改变换热管管型和换热管回程数实现蒸发器内水流速度低至1.5英尺/秒，这对VPF系统设计无疑是个好消息，我们可以在不增加旁通流量的同时大大扩展了冷冻机组的有效操作能力。根据相关资料，冷冻机蒸发器最小水流量限值应小于或等于冷冻机设计流量值的60%。1.2、 冷冻机对于冷冻水流速变化的速率较为敏感，每分钟流量改变过大将造成冷冻机的停机保护，故设计选择冷冻机时应重视其水流量最大变化速率的限制，应考虑设备相应的宽容度问题，这对系统的稳定运行无疑是重要的，一般来说冷冻机蒸发器每分钟流量改变不应超过10%，极限为30%。1.3、 通常空调设计中，常常出现多台冷冻机组并联运行的情况，针对VPF系统，冷冻机尽可能选择同一规格型号，如规格型号无法保持一致的话，建议各冷冻机蒸发器额定水阻力尽可能保持在相等的水平，这样，当外网空调负荷导致空调冷冻水流量发生变化时，流经各冷冻机蒸发器的水流量可基本实现同步等比例变化。2、 冷冻泵及其控制2.1、泵机配置的对应关系问题，在具体工程设计中，常见冷冻水泵与冷冻机的对应关系往往有两种形式。冷冻水泵单独与冷冻机一一对应串联，在传统设计中经常出现，其优点明显，各冷冻机蒸发器水流量直观上可得到可靠的保证，按常见的自控方法，由空调用户端实际瞬间总负荷辅以冷冻机工作累计时间决定冷冻机启停，而冷冻水泵启停与冷冻机相对应实现联锁，应该讲该种配置方法从自控角度上看较为简便，但此种设计须有一个前提，即冷冻机及相应的冷冻水泵均须为同一规格产品，如冷冻机及水泵存在规格大小不一并存的情况，在系统变流量过程中，各冷冻机并联回路必然产生水力不平衡的问题，即大泵将对小泵产生干扰，令水泵的能源消耗在不平衡方面，而非系统工作方面，同样大小水泵的同步变频控制也难以实现。同一规格的冷冻水泵呈并联形式，单母管与冷冻机组配接，冷冻水泵与冷冻机在控制方面不呈一一对应关系，这是目前国外较为流行的设计方式，冷冻机启停数量依旧由用户端空调瞬间总负荷决定，而冷冻水泵启停数量的控制完全脱离冷冻机，根据用户端空调水流量实际需求值并同时结合水泵效率，马达效率及变频器效率分析决定水泵启停台数。换而言之，冷冻机运行台数不一定对等于冷冻泵运行台数，这是一种较先进的控制手法，其优点通用性强，针对大小冷冻机组合的情况，避免了冷冻泵变频工作时相互干扰的问题，与图1相比，冷冻水泵运行能耗得到了最大程度的节省，缺点是将增加一定成本。冷冻机应配设联锁启闭的电动阀，水泵变频控制方面需泵厂提供全套水泵工作水力曲线用以编程，功率感应器亦在增设范围，目前国内能承担此项机电一体化工作的单位为数不多，相信在不远的将来，随着市场的需求及技术水平的不断提高，这种比较完善的控制方法将逐渐为人们所接受。在目前实际运用中，针对泵机组合形式，冷冻水泵启停数量的控制可根据用户侧水流量实际需求同时结合单台水泵设计流量值确定，与前面的水泵控制手法比，水泵的保养和节能状况略为逊色，但回避了技术支持及前期增加投入的问题，作为一折衷的方法因较为实用而为人们所采纳。2.2、 冷冻水泵的选择根据设备设计安装位置、空间及承压，结合设计流量及扬程，决定选用何种类型水泵及其所配机械密封，选泵时，水泵设计工作点尽可能在高效区偏右一点区域，以实现水泵保持在高效区变频运行，此点与常规选泵有异，传统选泵往往将水泵设定工作点确定于高效区偏左一点区域。马达的功率须覆盖水泵在实际应用中可能的工作区域，同样变频器功率亦应覆盖水泵运行的输入功率。此外，由于变频水泵在低速时可能产生扭力上的振动，水泵联轴器的中间垫片选用EPPM材质为佳。2.3、 冷冻水泵的变频控制2.3.1、 冷冻水泵最小流量：随着用户端空调负荷的减少，空调水流量相应减少，当流量太小时，水泵容易产生热能堆积，径向、轴向推力增加，从而容易损害水泵的轴承、轴封，影响水泵寿命，须设置一最小流量的限制以防止低流量造成的负面效果，根据有关资料，建议最小流量为水泵最佳效率点流量的25%。2.3.2、 水泵的最低转速：为确保水泵马达的正常散热，水泵转速不应低于正常标准值的30%，如水泵转速低于30%，变频器效率下降，水泵效率亦减小，而马达效率则剧跌，变频水泵水电效率二水泵效率*马达效率*变频器效率，显而易见，低转速带来的能源节省已被更低的水电效率所带来的能耗所抵消，在空调实际应用过程中，水泵转速低于30%标准值是毫无意义的，故水泵变频控制器应设定频率变化下限。2.3.3、 由于冷冻机针对其蒸发器水流量变化速率有一定要求，相应地冷冻水泵对此也有具体限定，要求实现稳定变化，一般来讲，VPF系统水流量变化速率设定为每分钟流量改变不超过10%，由此类推，变频器工作将与此保持同步。2.3.4、 冷冻水泵的变频控制是VPF系统一重要环节，其控制原理可简述为：以供回水总管末端最不利的压差设定值作为控制目标，以该处的压差测量值作为过程检测变量，以变频调速水泵作为控制系统的执行机构，对冷冻水供水进行PID调节控制，控制目标是使过程检测变量趋近于设定值。简而言之，与一/二次泵变频控制原理比，VPF系统水泵压差控制基本点相似，但增加了水量变化速率，最小转速限定等控制环节。此外，冷冻水泵采用温差控制方法的工程时有出现，从理论上讲，温差控制法同样可以实现节能目的。但这类设计有一定限制，外网各空调用户负荷均需按同一规律性同步变化，否则容易出现空调管网水力失衡问题，影响空调品质，事实上具体工程很少存在这种理想情况，即便空调末端配设电控阀，由于空调系统负荷-流量非线性程度因工程而异，经济节能性受到一定影响，笔者建议尽量不采取此类方法。2.3.5、 冷冻水泵是采用全变频还是一变多定的形式，目前国内存在不同看法，笔者认为就VPF系统而言，一变多定这一传统形式节能性较合变频形式为差，定速泵的的存在，往往导致定速泵与变速泵并联运行时，变速泵高速运行维持较高压力导致能耗增加，同时一变多定形式也容易造成变速泵的磨损，目前变频器价格较为合理，故笔者认为冷冻水泵采用全变频形式较为稳妥。3、旁通管及其控制阀门的配置原则冷冻机蒸发器最小水流量的数值由冷冻机生产厂商根据设计工作提供，一般不小于50%设计额定流量，出于安全因素考虑，通常确定为蒸发器标准水流量的60%，此项数值在VPF系统设计中至关重要，必须由冷冻机生产厂家商予以确认，从而确保VPF系统的正常工作。在VPF系统设计中，旁通管及其控制调节阀门是一重要环节，其唯一的作用就是确保流经每台工作的冷冻机蒸发器的冷冻水流量在任何情况下均不低于设备所要求的最小流量，基于此点，笔者认为设计人员应注意旁通管规格确定，控制阀门的选择以及系统响应时间等诸多要素，以期达到稳定运行之目的。3.1、 旁通管规格及其设置原则如何恰当地选择旁通管口径，原则上该旁通管的流通能力须保证冷冻机蒸发器的最低水流量，在最不利的情况下，末端空调空调流量趋于极低值时，旁通管将承担单台冷冻机保证正常运行所需的最低流量，根据有关专业单位的实际操作经验，旁通管长度尽可能控制在空调供回水总管管径约3~5倍，在其最大流量的情况下，水损失尽可能低于1.5英尺水柱，管径相应予以确定，当冷冻机采用大小搭配的形式时，旁通管宜根据最大型号冷冻机所要求的最低流量确定管径，以确保系统的宽容度，同时保留以传统模式（一次水泵均全部定速）工作的可能性。3.2、 旁通控制调节阀门的选用及控制VPF系统冷源侧旁通管应相应配设合适的高质量的等比例调节控制阀门和电动驱动器，须注意的是，普通蝶阀不能提供合适的水流曲线°VFP系统中较少采用，同样电动驱动器的选择应确保其扭距可克服阀门关闭压差。旁通阀的选型不能根据旁通管管径确定，而是根据计算而得的阀门系数Cv值选择，同时辅以校验阀门水流速度，原因是水流速度过高容易产生气蚀和噪音，一般来讲，流速不可超过16英尺/秒（事实上有些品牌的压差调节阀还要保守，最高为10英尺/秒），根据设计经验，阀门前后压差一般在2~3Psi之间，而旁通阀的流量为最大规格冷冻机的最低流量，正常情况，阀门选择50~60的开启度，而非90度（即全开）。旁通阀的控制手法具有一定的多样性，可由BA或冷冻机或水泵变频控制装置来控制，视工程特性和设计者习惯而定，但其控制原则是明确的，即根据冷冻机蒸发器进出口压差或流量的实测值调节旁通阀开度，确保每台冷冻机蒸发器水流速不低于安全低限。可以看出，常见的VPF系统中冷冻机、水泵以及旁通阀的控制大都各自实现独立，采集的控制信号源亦不相同，三者组合完成了VPF系统的基本控制功能。4、压差、流量计的选用原则VPF系统成功与否，精准的测量设备的选择和恰当的安装位置相当重要，根据冷冻机、水泵及旁通阀的控制原则，压差、流量计的安装位置相应确定。特别指出的是，用于水泵调速控制的用户端压差计安装位置及数量应视工程特性而定，常见的工程压差计往往设于系统最远端用户，事实上，空调系统最不利环路不一定是几何管线最长的环路，须校验用户端的局部阻力（热交换器阻力加调节阀阻力），设计时应予以重视，此外，具体工程设计时，空调水系统往往根据使用功能和时间特性划分为多路系统，设计者应考虑各回路具体使用时间等特点，确定设定用户端的压差计的数量及具体安装位置，并在水泵调速控制装置中设定程序进行判断识别。关于压差测定点设置的问题，目前常见在空调供回水总管间设置压差计，这种脱胎于传统差压旁通式变流量系统的控制方法，由于未充分考虑系统管路阻力的变化导致节能幅度相对较小。除特殊情况外，建议不采用此种作法。流量计的作用不容忽视，事实上，流量计的精准与否直接关系到VPF系统运行的经济性，同样，确定流量计的安装位置须根据选用流量计的型式合理设置，一般情况而言，流量计的选择应根据流量范围（一般为10~100%设计流量），承压及耐温等因素确定，流量计如常见的涡轮式流量计应保证前10后5（倍管径）的距离以保证测量精度。从控制信号角度而言，压差信号或流量信号有时可实现同一功能，而两者产品价格及安装要求不同，设计者可进行优化选择，如冷冻机蒸发器瞬间流量或压差的测定均可为旁通阀的控制提供可靠的信号源，但在同一测量精度和稳定性要求下，压差测量的手法投入成本低，安装难度小，故冷冻机侧往往采用压差测量的方法。5、其它注意事项5.1、 冷冻机侧的电动控制阀的选型设计须采用电动阀，不可使用时间行程短的电动开关阀，否则将对相邻已运行冷冻机产生影响。前文已经描述，冷冻机蒸发器通过的流量不能变化太快，否则将引起自动停机，蒸发器水流量变化度的极限值为每分钟30%，而蒸发器最小设定流量为60%，故冷冻机侧电动调节阀启闭行程时间至少必须在两分钟以上，以保证冷冻机正常工作（启停）。5.2、 在设计时，要注意水泵变频装置（即控制箱+变频器）与水泵电机距离尽可能小，以减少谐波效应的产生，如