冷却水节能控制知识总结.doc

冷却水系统控制 能源管理系统对冷却水泵采用系统自适应模糊优化算法进行节能控制：控制器依据所采集的实时数据和自适应知识库，进行模糊推理运算，计算出系统最佳转换效率对应的冷却水流量，并与检测到的运行数据进行比较，利用变频技术，调节冷却水泵，启停相应冷却塔风机以及开关冷却塔阀门，动态调节冷却水的流量使冷却水的流量逼近最佳冷却水流量值，保证中央空调系统随时处于最佳效率状态下运行。横流塔冷却系统变频与风阀模块控制模式性能比较内容原理机械特性故障隐患控制逻辑节能管理结论变频控制模式根据设定冷却水温变化，所有风机同时、同步变频运行，负荷高时转速变快，负荷低时转速变慢。1. 大直径冷却风机需要惯性性能，频繁变速，皮带容易抖动、发热、打滑，造成松脱、磨损。2. 冷却风机属大直径、低转速，变频降速空间小，转速变低，风机叶轮动力特性变差，回流区加大，综合效率低。1. 如控制系统故障，系统回到传统冷却方式，手动运行状态，必须配置备用电动分水系统，否则，需全开风机，工频运行，或重现无散热回流、短路等问题。2. 如单机控制故障，同样再现传统隐患。3. 如皮带打滑、管理人员很难及时知道，同样再现传统隐患。1. 根据冷却逼近度或定冷却回水温度，进行变频逻辑设定，程序编写者无法知道不同的运行状态，冷却塔组的热力性能，很难是控制逻辑达到切合蒸发冷却特性。2. 传统冷却风机变频逻辑，容易与冷却水泵变频逻辑冲突，造成水温波动频繁，影响主机性能。1. 所有风机同时、同步变频，系统低负荷时，冷却风机不节能。2. 管理要求强度较大，系统寿命、稳定性、实用性反应普遍不高。理论可行，实用性差。风阀模块模式系统共风腔，根据负荷演算结果，自动对应运行若干风机，对风腔产生负压作用，使填料外部压差产生对流。1. 保持原（风机仰角、传动、电机）设计机械效率特性；2. 机械性自压自开、重力自闭式风阀，不需电动联控装置，较为可靠；1. 如控制系统故障，系统切换到手动运行，同样可根据人工观察冷却回水温度，模块控制风机运行数量，风阀随风机自开闭，杜绝回流，可满足理想利用所有填料面积要求。2. 如单机故障，所有风机均可相互备用，系统自动忽略该故障风机，独立维修，互不影响。1. 根据室外湿球、冷却水流量、进回水温，自动演算冷却塔组热力曲线，根据系统能力，优化逼近度目标，对应投入风机运行模式，能达到为主机提供更理想的冷却水温。2. 该控制逻辑与水泵变频可较好融合，可自适应冷却水小流量、大温差工况。1. 理论逻辑相对合理，各环节以最佳效率点出发，符合整系统负荷散热传递效率节能依据。2. 新技术、新产品，有待实践运行验证。稳定、可靠、耐用，方便管理。冷却效果对压缩主机综合能耗的影响随着全球变暖、节能减排问题的得到各行各业的重视，不论工业、商业中央空调工程系统能耗所占比重都比较大，中央空调工程系统节能得到了比较大的重视。而冷却部分由于冷却塔自身只有风机有耗电负荷，主要是由填料等固定部件性能决定且冷却效果，冷却塔的制造工艺比较简单，造成行业性对冷却塔的综合性能对系统的能耗影像较为忽略。为了清晰的了解冷却塔的综合性能对中央空调工程系统的能耗影响，我们有必要对其进行了细化分析，以便更好的完善节能减排工作。经过百年的发展与革新，中央空调工程行业技术已经较为成熟，普遍采用高效、稳定的“蒸汽压缩式制冷系统”，作为中央空调工程系统主要工作方式，并制定了各项相关标准。蒸汽压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，制冷剂作为其循环工质，也具标准化和通用性。标准空调设计工况为：蒸发温度：5 吸气温度：15 冷凝温度：40 过冷温度：35中央空调工程中的冷却塔既是“蒸汽压缩式制冷系统”中的冷凝器，其标准设计工况为进水温度37、出水温度32。在压缩设备制造和工程设计中也采用该标准为依据，而实际运行中，由于冷却水温状态会随着环境条件、系统负荷、冷却塔性能、管理疏失等因素不断变化的。冷却水温变化会产生什么影响，对主机的综合能耗影响有多大呢？以下我们就对用途较为广泛的水冷螺杆式系统进行深入分析。根据“蒸汽压缩式制冷系统”中冷凝温度对循环性能的影响，对于同一台制冷装置，当蒸发温度工况相对恒定时，冷凝温度升高，制冷量将减小，而消耗的功率将增大，因而制冷系数也将降低。（附图）以一台实际应用比较广泛的500冷吨螺杆机不同冷凝温度下的参数变化参考分析：（螺杆主机综合参数表）FW-500D变工况参数表冷却水进水温度冷却水出水温度蒸发温度冷凝温度制冷量KW输入功率KWCOP运转电流A启动电流A蒸发器水量m3/h冷凝器水量m3/h28335381767310.45.69536938304357.428.533.55391759313.35.61541947302.5356.429345391750316.25.53546956300.9355.329.534.55401741319.15.4655196429.4354.3303554017303225.37556973297.6352.930.535.55411723324.95.3561982296.3352.231365411713327.85.23566991294.7351.131.536.55421704330.95.155711000293.135032375421695333.85.085761009291.634932.537.55431686336.855821018289.9347.933385431676339.74.935871027288.3346.833.538.554416673434.865921036286.7345.734395441657346.14.795981046285.1344.634.539.55451648349.24.726031055283.4343.435405451638352.24.656081064281.7342.335.540.55461628355.54.586141074280341.236415461618358.64.516191084278.3340冷却水温直接对能耗影响百分比计算方式：上表中“COP”的定义为：，即主机能效比为制冷量与主机输入功率的比值。我们将公式变形为：，即可理解，需要制造Q制冷量时，主机要按一定的比例耗工，比例系数为，Q一定时，COP越大，W越小。 回到上表中可看出，在表所示的范围内，随冷却水温的减小，主机制冷量增加，耗能减少，COP增大。 取冷却水进水温度t1、t2，且t1.t2；假定某一负荷为Q则在：低冷却水温t1下：主机能效比COP1，输入功率W1,且 高冷却水温t2下：主机能效比COP2，输入功率W2,且则节电比：按上面的公式对表中的数据处理：不同冷却水温状态下的能耗直接影响统计（统计表）：冷凝温度过低带来的影响由于中央空调工程中，制冷设备均采用标准工况参数，由于季节气候条件变化因素，不同的地域、不同季节冷却水温可能降至很低，冷却水温过低也会对制冷循环参数带来不利影响。在“蒸汽压缩式制冷系统”的制冷循环过程中，冷凝压力与蒸发压力之间有一个压差工况比值，一旦偏离这个最大压差工况，系统综合循环参数性能跟着改变。所以在标准设计工况的系统中，冷凝温度过低，系统COP也跟着下降，压缩机的也会因蒸发压力过低，油压、回油等出现机械问题。一般冷却水温理想温度在25-32。间接影响因素和带来的问题：由于冷却影响因素是湿球温度，而湿球温度随气候环境而变化，四季和日夜随时波动，且系统负荷也根据需求不断变化；传统冷却塔的冷却水温会跟着这些变化而波动，冷却水温波动主机工况随之频繁变化。长时间处于此状态运行，造成管理人员工作量大、难度高，设备性能和寿命相应影响。现有冷却塔现状：清华大学建筑节能研究中心在2006年夏季对大型建筑节能诊断实测发现:同样是位于北京市三环路以内的建筑物，在同一时间下，冷却塔的回水温度相差近10.例如2006年7月12日下午，室外湿球温度为24.2，接近空调系统的设计外温，同时实测10台分属不同建筑物的冷却塔，回水温度在25.334.5之间。若能将上述各台冷却塔的回水温度都降低至湿球温度以上1，预计可提高制冷机组的COP，实现节电15%以上。（摘自2007中国建筑节能年度发展研究报告总结：综上所述，冷却塔的性能对主机能效影响是严重的！系统设计是变工况的，而传统冷却塔很难满足该变工况要求。对于变负荷系统来说，冷却部分应该是一个能满足变工况需求独立的一个系统；如果冷却时可根据环境湿球、系统负荷、冷却水量变化，自动调节风流量，把冷却水温稳定在被冷却设备的最佳要求范围下的变工况系统， 那将具有很高的综合优化管理意义和节能价值。冷却塔设计说明内容建议冷却系统技术要求：由于本项目方案投入实际运行使用中，将处于负荷不断变化的工况，主机系统为本项目系统核心；且冷却系统运行状态直接、即时影响主机系统的电流、电压、冷量输出等性能；即冷却系统需满足以下节能管理的技术要求。1 杜绝冷却系统普遍存在的几大问题：l 部分负荷时，现有填料换热面积无法全部利用；l 电动联动系统故障率高，管理难度大；l 冷却水通过风机停用塔时，无冷却换热直接回流，造成冷却工况恶劣。2 采用方形横流塔，保证系统负荷变化，冷却水循环流量、水压响应变化时，分配到所有单元塔及填料的水量相对均匀，且不增加水泵扬程功耗。3 采用多塔模块组合，以利系统负荷低时，调节风机运行能耗，达到较佳的冷却气水比，减少飞水率和风机运行能耗。4 采用敞开式配水，不采用电动阀联动系统，系统冷却水循环量如何变化，都必须能利用所有填料换热面积。5 如采用各单元塔间风道联通方式，须有合理、可靠的措施保证停用风机口不出现空气回流，造成电机反转，启用风机有效风量衰减严重的问题。6 配置冷却状态自动控制系统，根据气候、系统负荷变化情况，自动控制风机运行状态，使冷却水温尽可能的保持在主机要求的最佳效率范围，使系统运行于最佳节能点；杜绝主机因不同季节气候工况下，冷却水温变化频繁，主机运行工况恶劣，造成故障率高、管理难度大、影响机组寿命等问题。 某公司冷却塔在进出水温差不变的情况下变工况运行性能与额定工况性能比较控制方式流量(m3/h)换热量(kW)进水温度()出水温度()供回水温差()供回水平均温度()定流量50029083732534.5500232635.231.2433.2500174533.530.5332变流量50029083732534.540023263631533.530017453530532.5从表中数据可以看出，对于选定的冷却塔而言，在相同的室外湿球温度下，冷却水系统无论是定流量还是变流量运行，冷却塔出水温度基本相同，水流量变化对冷却塔的性能几乎没有影响。冷机在部分负荷工况下运行时，冷凝温度都会降低，但定流量时冷凝温度降低的幅度最大。这时因为部分负荷时，制冷剂流量减少，冷凝器换热量减少，而冷却水流量不变时，冷凝器出水温度降低，冷凝温度也随之降低。当部分负荷率为20%时，相比于全负荷工况，冷凝温度降低约为7。变流量时，流量基本随着部分负荷率成线性变化。由换热公式可知，由于冷却水换热系数与流量的0.8次方成正比，制冷剂侧的换热系数基本保持不变，因此总的换热系数的下降速度比部分负荷率的下降速度慢。可认为冷凝器换热量随着部分负荷率的下降成比例下降，由冷凝器能量平衡方程可知冷凝温度将会有所降低。变流量下冷凝温度随部分负荷率变化的曲线冷却水无论是变流量还是定流量，进口温度都保持为30，变流量时控制流量使冷却水出口温度保持在35，同时为了便于比较分析，保持冷媒水出口温度为7。不同冷却水泵功耗比重下机组的IPLV变流量时不同冷却水泵功耗比重的节能效果定义制冷循环性能系数COP=QW压，式中，Q为制冷量，W；W压为压缩机功率，W。随着部分负荷率的下降，COP先增大，而后减小，大概在部分负荷率为70%时COP最大；定流量的COP大于变流量的COP。这时由于随着部分负荷率的下降，冷凝温度一直降低，压缩机功耗也降低，但压缩机功率减小的速度越来越慢，并不与部分负荷率的降低速度一致，因此随着部分负荷率的下降，COP存在着最大值。而由于同负荷下，定流量压缩机功耗小于变流量压缩机功耗，所以定流量时COP大于变流量时COP。循环性能系数(COP)随部分负荷率变化的曲线对于冷水机组而言，机组大部分时间都是在部分负荷下运行，因此考察冷水机组的性能就不能仅仅以全负荷下的性能作为唯一标准。为了使蒸汽压缩循环的冷水机组有一个相同的部分负荷评价标准，美国制冷学会(ARI)在ARI5501590标准中提出了用部分负荷性能值IPLV来综合评价各种冷水机组的COP，而我国在制定的公共建筑节能设计标准(GB 501892005)中，针对我国具体气候条件提出如下计算公式：IPLV=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D式中：A为冷水机组在100%负荷下的COP；B为冷水机组在75%负荷下的COP；C为冷水机组在50%负荷下的COP；D为冷水机组在25%负荷下的COP。0.023，0.0415，0.461和0.101分布为部分负荷为100%，75%，50%和25%时的权重系数。利用此式进行冷水机组部分负荷COP的计算，由于冷媒水泵功率保持不变，故不作考虑。定义冷水机组综合性能系数COPtotal=QW压+W泵。由于变频水泵在实际运行中功耗并不是和流量成3次方关系，故在水泵节能效果上乘以0.7的系数。针对不同功率的冷却水泵，都可以得到机组IPLV。随着水泵功耗比重的增加，无论是变流量还是定流量机组，其IPLV都会降低，但当水泵功耗比重小于7.2%时，定流量机组的IPLV大于变流量时的IPLV，当水泵功耗比重大于7.2%时，定流量机组的IPLV小于变流量时的IPLV，同时两者的差距随着水泵功耗比重的增大而增大。因此在衡量比较定、变流量的节能效果时，应着重考虑水泵功耗及水泵功耗在机组总能耗中所占的比重。这主要是因为在满足流量计扬程要求的情况下，当水泵功耗比重较小时，变流量水泵节能效果不明显，但机组通过定流量来降低冷凝温度可大幅降低压缩机的功耗，因此总体来看机组定流量时节能效果较好。反之，若水泵功耗在机组总能耗中所占比例较大，水泵变流量的节能效果大于定流量时压缩机的节能效果，因此变流量节能效果较好，水泵功耗比重越大，节能效果越明显。考察定、变冷却水流量是否节能应着重考虑冷却水系统能耗在机组总能耗中所占的比例，冷却水系统能耗比例越大，变流量节能效果越明显。某办公楼水冷冷水机组部分负荷运行时间分布负荷率/%102030405060708090100运行时间/h1431422002201891341211117946运行时间占比/%10.32%10.25%14.44%15.88%13.65%9.68%8.74%8.01%5.70%3.32%20.58%30.32%23.32%16.75%9.03%冷却水泵变速调节节能控制策略冷却塔进出水温差控制在冷却水供回水总管上各安装一个温度传感器，测量冷却水供回水温差，将此温差信号传给温度控制器，控制器将此实测温差值与设定温差值（一般为5）进行比较，控制冷却水泵变速调节运行。冷却塔出水温度近湿球温度控制冷凝器出水温度控制