冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行及控制策略探討

楊 寧,史維秀,謝朝國(guó)

(1.上海市安裝工程有限公司采購(gòu)中心設(shè)備部,上海,200080;2.天津大學(xué)熱能系,天津,300072;3.廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣州,510030)

1 引言

冰蓄冷是近年來研究、發(fā)展的一種節(jié)能新技術(shù),成為現(xiàn)代空調(diào)發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。冰蓄冷就是利用冰的相變潛熱進(jìn)行冷量的儲(chǔ)存。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)本身并不節(jié)電,但是它利用夜間低谷電力制冰,白天融冰制冷,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng) “削峰填谷”,而且利用峰谷電價(jià)差可節(jié)省電費(fèi),為電網(wǎng)的生產(chǎn)和供應(yīng)帶來顯著效益,避免因高峰時(shí)段供電不足而新建電廠的額外投資,特別適用于全天間斷運(yùn)行或峰谷負(fù)荷差較大的連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)[2,3]。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)相當(dāng)于是 “不耗能”的發(fā)電廠。目前我國(guó)很多省市已實(shí)施分時(shí)電價(jià),以鼓勵(lì)用電單位在電負(fù)荷低谷用電,控制高峰用電量,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的 “削峰填谷”,緩解電力緊張,減少電力建設(shè)投資[4,5]。本文主要根據(jù)實(shí)際工程重點(diǎn)討論乙二醇冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行和控制策略。

2 工程概況

無錫國(guó)際會(huì)議中心 (君來廣場(chǎng))無錫君來洲際酒店總建筑面積113212m2,設(shè)計(jì)日尖峰冷負(fù)荷為11849kW。冷凍機(jī)房位于地下二層。冷凍水供回水溫度為12/7℃。

本工程1～6層為裙樓,其中1～5層功能為餐飲,6層功能為娛樂,裙樓每層面積約為4000m2;7～35層為主樓,其中7～11層和13～19層功能為辦公,21～35層功能為酒店,12層和20層為設(shè)備層,主樓每層面積約為1000m2。

本工程按冰蓄冷空調(diào)分量蓄冰模式設(shè)計(jì),雙工況螺桿主機(jī)和盤管為串聯(lián)方式,主機(jī)位于盤管上游。經(jīng)計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)需配備空調(diào)工況制冷容量為3070kW(800RT)、制冰工況為1982kW(516.3RT)的雙工況離心式冷水主機(jī)二臺(tái)。雙工況主機(jī)可分別在空調(diào)和制冰兩種工況下運(yùn)行。另配置制冷量為1343kW(350RT)的常規(guī)螺桿式主機(jī)兩臺(tái)作為基載,負(fù)擔(dān)夜間全部負(fù)荷及白天部分負(fù)荷。

3 空調(diào)負(fù)荷分布

設(shè)計(jì)日全天的空調(diào)負(fù)荷分布如圖1所示,“12所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)”表示上午11∶00-12∶00這個(gè)時(shí)間段的冷負(fù)荷值,該值為縱軸所對(duì)應(yīng)的固定值。

圖1 設(shè)計(jì)日空調(diào)負(fù)荷分布圖

4 系統(tǒng)流程控制

根據(jù)氣候特點(diǎn)和空調(diào)實(shí)際需求,蓄冰系統(tǒng)可按以下四種工作模式運(yùn)行:

主機(jī)單獨(dú)制冰:在24∶00～8∶00期間,雙工況主機(jī)制冰蓄冷3070kW/h(800RT/h);

融冰單獨(dú)供冷:此時(shí)不開主機(jī),冷量由融冰提供,此模式可在春秋過渡季節(jié)或冷負(fù)荷較小期間運(yùn)行;

主機(jī)與融冰聯(lián)合供冷:當(dāng)設(shè)計(jì)日或負(fù)荷較大時(shí),選用該模式提供冷量;

主機(jī)單獨(dú)供冷:該模式下,主機(jī)負(fù)責(zé)全部冷負(fù)荷。

4.1 雙工況主機(jī)制冰工況

該工況的流程圖如圖2所示,在夜間利用優(yōu)惠的低谷價(jià)和低峰負(fù)荷,雙工況主機(jī)全力制冰,將制得的冷量?jī)?chǔ)存在蓄冰裝置中。在制冰工況下,由于乙二醇溫度變化很大,故乙二醇循環(huán)泵的頻率設(shè)置2個(gè)。

開始制冰時(shí),控制程序設(shè)定乙二醇循環(huán)泵在制冰工況頻率 (頻率稍低),設(shè)定雙工況主機(jī)的出口溫度為-5.5℃(可調(diào))開始制冰。

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V4;關(guān)閉I-V2、I-V3;

2)運(yùn)行順序:I-V2、I-V3關(guān)閉 →I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V4開啟→乙二醇泵 [定頻運(yùn)行,42Hz(可調(diào))]→冷卻水泵→冷卻塔組→雙工況主機(jī) (開啟在制冰工況)。

3)控制程序跟蹤并顯示乙二醇的溫度。

4)系統(tǒng)處于此工況時(shí),每半小時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)系統(tǒng)冷凍水泵,以防止板換冷凍水側(cè)冷凍水凍結(jié)。

圖2 雙工況主機(jī)制冰流程圖

注:(1)圖中細(xì)實(shí)線管路為冷卻水管路,粗實(shí)線管路為乙二醇管路,細(xì)虛線管路為冷凍水管路,粗虛線管路表示在該工況下無需運(yùn)行的管路;

(2)閥門:粗線表示開啟,黑色填充表示關(guān)閉,細(xì)線表示調(diào)節(jié) (圖2至圖5均同)

制冰工況的控制方式為:

1)檢測(cè)冰槽液位冰量傳感器,計(jì)算冰槽當(dāng)前冰量。

2)與雙工況主機(jī)通訊,檢測(cè)到主機(jī)的壓縮機(jī)狀態(tài),水流狀態(tài)和蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫度,確保主機(jī)的安全。

3)檢測(cè)冷卻塔的出水溫度,監(jiān)測(cè)冷卻塔的工作狀態(tài)。

4)設(shè)定冷卻塔出水溫度的低溫控制設(shè)定值(20℃,數(shù)值可調(diào),調(diào)試后確定)和高溫控制設(shè)定值(30℃,數(shù)值可調(diào),調(diào)試后確定),通過冷卻塔出水總管的溫度變化,自動(dòng)控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)。當(dāng)溫度小于低溫控制設(shè)定值時(shí),停一臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī);當(dāng)溫度大于高溫控制設(shè)定值時(shí),開一臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī);每隔15分鐘系統(tǒng)自檢一次。

5)根據(jù)板換乙二醇側(cè)的溫度變化,定時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)冷凍水泵循環(huán)5～10分鐘,防止板換水側(cè)凍結(jié)。

6)設(shè)定蓄冰量,當(dāng)前蓄冰量達(dá)到設(shè)定值時(shí),或雙工況主機(jī)出水溫度低于保護(hù)溫度時(shí),或設(shè)定低谷電時(shí)間已到時(shí),停止該工況運(yùn)行。

7)由乙二醇系統(tǒng)定壓裝置控制乙二醇系統(tǒng)管道的定壓值,并將乙二醇管道內(nèi)的氣體排出。

8)雙工況主機(jī)乙二醇出口溫度設(shè)定值為-5.5℃(可調(diào))。

9)在谷電時(shí)段后半段,控制程序設(shè)定乙二醇循環(huán)泵在制冰工況頻率二 (頻率稍高)運(yùn)行,以保證乙二醇的流量。

4.2 融冰單獨(dú)供冷工況

該工況的流程圖如圖3所示,當(dāng)系統(tǒng)指示融冰供冷,系統(tǒng)關(guān)閉所有雙工況主機(jī),由融冰提供全部冷量。

運(yùn)行策略為:

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V3;關(guān)閉I-V2a～b、I-V4;調(diào)節(jié)I-V1、I-V2。

2)運(yùn)行順序?yàn)?I-V1a～b、I-V2、I-V3關(guān)閉→I-V2a～b、I-V1、I-V4開啟→系統(tǒng)冷凍水泵→乙二醇泵 (變頻控制)。

3)乙二醇泵變頻控制空調(diào)系統(tǒng)7℃(可調(diào))的供水溫度。

圖3 融冰單獨(dú)供冷工況流程圖(圖例見圖2)

控制方式為:

1)檢測(cè)冰槽冰量傳感器,計(jì)算冰槽當(dāng)前冰量。

2)設(shè)定融冰結(jié)束冰量100 RTh(384kWh)(可調(diào)),當(dāng)前冰量小于設(shè)定值時(shí),停止該工況運(yùn)行,轉(zhuǎn)入雙工況主機(jī)單獨(dú)供冷工況。

3)冷凍水供水溫度控制設(shè)定值7℃(可調(diào)),運(yùn)用PID計(jì)算,由板換二次側(cè)出口溫度傳感器Ti4控制乙二醇泵的變頻;由溫度傳感器Ti2(3.5℃,可調(diào))控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥I-V1、I-V2的開度,具體調(diào)節(jié)方式為,當(dāng)Ti2溫度升高,開大I-V1關(guān)小I-V2,當(dāng)Ti2溫度降低,開大I-V2關(guān)小I-V1。

4)由乙二醇系統(tǒng)定壓裝置控制乙二醇系統(tǒng)管道的定壓值,并將乙二醇管道內(nèi)的氣體排出。

5)由冷凍水系統(tǒng)脫氣定壓裝置控制冷凍水系統(tǒng)管道的定壓值,并將冷凍水管道內(nèi)的氣體排出。

6)根據(jù)供回水壓差設(shè)定值△P控制系統(tǒng)冷凍水循環(huán)泵的變頻運(yùn)行,當(dāng)僅有一臺(tái)系統(tǒng)冷凍水泵運(yùn)行且頻率低于30Hz(可調(diào))并持續(xù)10分鐘,改為由供回水壓差設(shè)定值△P控制供回水壓差旁通閥。

7)檢測(cè)冷凍水流量傳感器、冷凍水供回水溫差來測(cè)算末端負(fù)荷。

8)控制程序跟蹤并顯示系統(tǒng)各傳感器參數(shù)。

4.3 雙工況主機(jī)單獨(dú)供冷工況

該工況的流程圖如圖4所示,雙工況主機(jī)單制冷工況為非標(biāo)準(zhǔn)工作模式,僅在夜間沒有蓄存冰量或蓄冰裝置故障或蓄存冰量已用完的情況下通過人工干預(yù)完成 (如果干預(yù)是指僅進(jìn)行工況切換操作),對(duì)于雙工況主機(jī)而言,控制程序設(shè)定乙二醇循環(huán)泵在主機(jī)單獨(dú)供冷工況頻率,設(shè)定雙工況主機(jī)蒸發(fā)器的出口溫度為5℃(可調(diào))。

圖4 雙工況主機(jī)單獨(dú)供冷工況流程圖(圖例見圖2)

運(yùn)行策略為:

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V 2a～b、I-V2;關(guān)閉I-V1;調(diào)節(jié)I-V3、I-V4。

2)運(yùn)行順序:I-V1a～b、I-V2a～b、I-V2、I-V4關(guān)閉→I-V1、I-V3開啟→系統(tǒng)冷凍水泵→乙二醇泵定頻開啟 (40 Hz,可調(diào))→冷卻水泵→冷卻塔組→雙工況主機(jī) (開啟在空調(diào)工況)。

3)控制系統(tǒng)可根據(jù)空調(diào)冷負(fù)荷的變化開啟制冷主機(jī)與相應(yīng)的水泵與冷卻塔風(fēng)機(jī)的數(shù)量。

4)由I-V3、I-V4來控制空調(diào)系統(tǒng)7℃(可調(diào))的供水溫度。

5)控制程序跟蹤并顯示冰蓄冷系統(tǒng)各傳感器參數(shù)。

控制方式為:

1)與制冷主機(jī)通訊,適時(shí)檢測(cè)主機(jī)的壓縮機(jī)狀態(tài),水流狀態(tài)和蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫度,確保主機(jī)的安全。

2)檢測(cè)冷凍水流量傳感器、冷凍水供回水溫差來測(cè)算末端負(fù)荷。

3)檢測(cè)冷卻塔的出水溫度,監(jiān)測(cè)冷卻塔的工作狀態(tài)。

4)設(shè)定冷卻塔出水溫度低溫控制設(shè)定值(20℃,數(shù)值可調(diào),調(diào)試后確定),高溫控制設(shè)定值(30℃,數(shù)值可調(diào),調(diào)試后確定)。

5)結(jié)合實(shí)際負(fù)荷情況,選擇主機(jī)及相應(yīng)的水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)。

6)冷凍水供水溫度控制設(shè)定值7℃(可調(diào)),運(yùn)用PID計(jì)算,由板換二次側(cè)出口溫度傳感器Ti4控制I-V3、I-V4的開度,具體調(diào)節(jié)方式為,當(dāng)Ti4溫度升高,開大I-V3關(guān)小I-V4,當(dāng)Ti4溫度降低,開大I-V4關(guān)小I-V3。

7)當(dāng)乙二醇回水溫度Ti3≤7.5℃(可調(diào))并持續(xù)15分鐘 (可調(diào)),系統(tǒng)判斷可停止運(yùn)行一臺(tái)雙工況主機(jī),反之則開啟一臺(tái)雙工主機(jī)。

4.4 雙工況機(jī)組與冰槽并聯(lián)供冷工況

該工況的流程圖如圖5所示,雙工況主機(jī)與蓄冰裝置聯(lián)合供冷工況包括主機(jī)優(yōu)先聯(lián)合供冷模式與融冰優(yōu)先聯(lián)合供冷模式。

圖5 雙工況機(jī)組與冰槽并聯(lián)供冷流程圖(圖例見圖2)

當(dāng)系統(tǒng)需要聯(lián)合供冷模式運(yùn)行時(shí),控制程序設(shè)定乙二醇泵在聯(lián)合供冷工況頻率,設(shè)定雙工況主機(jī)的出口溫度為5.0～7.0℃。

1)閥門狀態(tài):開啟I-V1a～b、I-V 2a～b、I-V2;調(diào)節(jié)I-V1、I-V2、I-V3、I-V4。

2)運(yùn)行順序?yàn)?I-V1a～b、I-V2a～b、I-V1、I-V2關(guān)閉→I-V3、I-V4開啟→系統(tǒng)冷凍水泵→乙二醇泵 (定頻運(yùn)行,48 Hz,可調(diào))→冷卻水泵→冷卻塔組→雙工況制冷主機(jī) (開啟在空調(diào)工況)。

3)雙工況主機(jī)優(yōu)先減負(fù)荷運(yùn)行,不足的冷量由融冰滿足,控制系統(tǒng)通過溫度傳感器Ti2(3.5℃,可調(diào))來調(diào)節(jié)電動(dòng)閥I-V1和I-V2的開度;通過溫度傳感器Ti4(7℃,可調(diào))來調(diào)節(jié)電動(dòng)閥I-V3和IV4的開度。

4)根據(jù)空調(diào)冷負(fù)荷的變化啟、閉制冷雙工況主機(jī)與相應(yīng)的水泵與冷卻塔的數(shù)量。

5)主機(jī)臺(tái)數(shù)控制:

①主機(jī)優(yōu)先模式:開啟2臺(tái)雙工況主機(jī),主機(jī)出口溫度設(shè)定為3.5℃。當(dāng)主機(jī)進(jìn)口溫度Ti3≦8.5℃(可調(diào)),停掉一臺(tái)主機(jī),但仍開啟2臺(tái)乙二醇泵,反之,當(dāng)供水溫度Ti4持續(xù)10分鐘≧7℃(可調(diào))時(shí),增開一臺(tái)主機(jī);

②融冰優(yōu)先模式:

主機(jī)出口溫度的設(shè)定按下式:

Tset=(L×3.516×0.86)×1.09/Q+Ti2

式中:

L—1小時(shí)的融冰量,RTh(kWh)[假設(shè)蓄冰量在空調(diào)運(yùn)行的10小時(shí)內(nèi)融完 (可按實(shí)際情況再調(diào)整),即每小時(shí)融冰量約為800RTh(3070kWh)(可調(diào))];

Q—水泵運(yùn)行總流量,m3/h;

Ti2—板式換熱器的進(jìn)口溫度 (設(shè)定為3.5℃)

控制方式為:

1)檢測(cè)冰槽液位冰量傳感器,計(jì)算冰槽當(dāng)前冰量。

2)設(shè)定融冰結(jié)束冰量100RTh(384kWh)(可調(diào)),當(dāng)前冰量小于設(shè)定值時(shí),停止該工況運(yùn)行,轉(zhuǎn)入雙工況主機(jī)單獨(dú)供冷工況。

3)冷凍水供水溫度控制:設(shè)定值 (7℃,可調(diào)),運(yùn)用PID計(jì)算,調(diào)節(jié)I-V3和I-V4的開度。

4)冰槽溫度控制 (即板式換熱器冷側(cè)乙二醇入口溫度,融冰優(yōu)先模式):乙二醇出口溫度控制設(shè)定值 (3.5℃),運(yùn)用PID計(jì)算,調(diào)節(jié)I-V1和I-V2的開度。

5)通過檢測(cè)冷卻塔的出水溫度,監(jiān)測(cè)冷卻塔風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。

6)設(shè)定冷卻塔出水溫度。

7)結(jié)合實(shí)際負(fù)荷情況,控制冷凍水循環(huán)泵和乙二醇循環(huán)泵開啟臺(tái)數(shù)。

5 結(jié)論

蓄冷技術(shù)是一項(xiàng)促進(jìn)能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)用節(jié)能技術(shù)。冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能涉及范圍較廣,是一個(gè)系統(tǒng)工程,合理的設(shè)計(jì)方案、精心的施工安裝、科學(xué)的運(yùn)行管理對(duì)冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能都是至關(guān)重要的。本文主要從系統(tǒng)的運(yùn)行及控制策略角度,結(jié)合無錫君來洲際酒店冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)具體特點(diǎn)和暖通空調(diào)相關(guān)技術(shù)理論,對(duì)冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行了分析探討,該控制策略在實(shí)際應(yīng)用中也起到很好的節(jié)能效果。

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