電制冷在直燃機(jī)系統(tǒng)改造中的運(yùn)行分析與優(yōu)化

趙化濤 石燦 湯哲翔

北京長峰新聯(lián)工程管理有限責(zé)任公司

0 引言

制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制，對于降低整個中央空調(diào)綜合能耗具有決定性作用[1]。制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不僅影響供冷效果，還會影響到國家綠色低碳發(fā)展和企業(yè)的效益。特別是在“雙碳”目標(biāo)和“十四五”規(guī)劃指導(dǎo)下，企業(yè)既要實現(xiàn)合理節(jié)能降耗，又要推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。在建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占50%，其中，冷水機(jī)組能耗約占2/3[2]?？梢?，冷水機(jī)組有著很大的節(jié)能潛力和發(fā)展空間，迫切需要提高冷水機(jī)組運(yùn)行效率。實現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能高效穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)手段不僅體現(xiàn)在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，還體現(xiàn)在制冷系統(tǒng)智能化改造及策略優(yōu)化控制方面，因此本文以實際案例對系統(tǒng)運(yùn)行和節(jié)能優(yōu)化策略進(jìn)行了分析。

1 站房基本情況

此制冷站房建于2010 年，主要負(fù)責(zé)工業(yè)園區(qū)約15 萬平米辦公樓宇的冷供應(yīng)。原系統(tǒng)有3 臺單機(jī)制冷量7000 kW 的直燃型溴化鋰機(jī)組（直燃機(jī)），冷水泵、冷卻泵、冷卻塔等輔助設(shè)備與直燃機(jī)一一對應(yīng)配備。三臺機(jī)組已運(yùn)行多年，近兩年故障頻出，制冷能力衰減嚴(yán)重,供應(yīng)質(zhì)量下降。此外，站房缺少參數(shù)實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)的手段，未設(shè)集中控制系統(tǒng)，仍采用手動調(diào)節(jié)、運(yùn)行參數(shù)就地讀取的模式，使節(jié)能降耗工作無法有效地開展。

為提高供應(yīng)質(zhì)量，降低消耗，公司考慮能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，嘗試在站房安裝一臺以電能作為動力源的4748 kW 離心式電制冷機(jī)組（電制冷），其輔助設(shè)備仍使用站房現(xiàn)有設(shè)備。同時，對系統(tǒng)升級改造，包括直燃機(jī)控制系統(tǒng)改造、水泵變頻改造等，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)一套智能化集中監(jiān)控平臺，實現(xiàn)機(jī)組、水泵等設(shè)備的自動調(diào)節(jié)與控制，提升站房智能化水平，保證運(yùn)行質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)運(yùn)行分析

站房冷源系統(tǒng)升級改造和智能化平臺的搭建改變了傳統(tǒng)的手動模式，機(jī)組效率和智能化水平均有很大提升。然而，智能化平臺要想最大限度的發(fā)揮自身價值，需要具備與站房本身運(yùn)行情況相結(jié)合的運(yùn)行策略。此外，在同一天中，電制冷的經(jīng)濟(jì)性還與不同時間段電價有關(guān)，直燃機(jī)運(yùn)行也有一定年限，出力效果已經(jīng)不能達(dá)到設(shè)計情況，這勢必會影響優(yōu)先選擇電制冷還是直燃機(jī)制冷。因此，發(fā)揮老機(jī)組的余熱，探索滿足生產(chǎn)需要又實現(xiàn)節(jié)能降耗的聯(lián)合運(yùn)行策略尤為重要，只有明確哪種策略比較節(jié)能，才能指導(dǎo)實際運(yùn)行。

2.1 日運(yùn)行對比分析

2.1.1 制冷效果分析

對制冷季某一運(yùn)行時段全天分別單獨運(yùn)行電制冷和直燃機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖1 所示。圖1(a)為一天內(nèi)不同時刻下室內(nèi)外溫度的變化，可看出當(dāng)室內(nèi)溫度均達(dá)標(biāo)的情況下，電制冷即使在較高的室外溫度下所能獲得的室內(nèi)溫度也比直燃機(jī)低，制冷效果更好。圖1(b)為不同機(jī)組每天冷量的最大值，保證機(jī)組穩(wěn)定的前提下，直燃機(jī)額定制冷量雖約為電制冷的1.5倍，但由于直燃機(jī)老舊以及電制冷高效性等因素，電制冷單獨運(yùn)行所產(chǎn)生的制冷量始終高于直燃機(jī)單獨使用時，直燃機(jī)最大制冷量已降低至額定冷量的54.3%。

圖1 全天分別單獨運(yùn)行電制冷和直燃機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

2.1.2 經(jīng)濟(jì)性分析

在保證制冷效果時，也要考慮節(jié)能增效。為直觀比較兩種機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，在能效比[3]和成本效益分析[4]的基礎(chǔ)上引入了一個“成本效能EERc”的概念。它可定義為：單位能源消耗成本所生成的制冷量，公式如下：EERc=制冷量÷耗能成本。它可通過比較系統(tǒng)運(yùn)行的耗能成本和所得制冷量來評估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。EERc越大，經(jīng)濟(jì)效益越好，機(jī)組優(yōu)勢較大。在同一天中，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性還與不同時間段谷峰電價有關(guān)，因此結(jié)合谷峰分時對單獨運(yùn)行電制冷和直燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，圖2 為電制冷和直燃機(jī)兩種方案各5 天谷峰不同時段下的總成本效能EERc。其中，電價按照北京市商業(yè)用電峰谷分時電價標(biāo)準(zhǔn)計算，燃?xì)鈫蝺r按照北京市燃?xì)夤窘y(tǒng)一售價標(biāo)準(zhǔn)計算。

圖2 電制冷和直燃機(jī)不同時段的總成本效能

從全天來看，兩種方案的全天EERc分別為4.25和2.52，電制冷遠(yuǎn)大于直燃機(jī)，高達(dá)1.69 倍，說明電制冷單位能源成本產(chǎn)生的制冷量遠(yuǎn)高于直燃機(jī)。從谷峰分時段來看，電制冷和直燃機(jī)低谷、平段、高峰和尖峰的EERc均依次逐漸降低，電價越低，EERc越高。低谷時電價最低，EERc最高，尖峰時電價最高，EERc最低；直燃機(jī)低谷EERc為尖峰的1.27 倍，電制冷EERc甚至高達(dá)6 倍，低谷經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)優(yōu)于尖峰。供冷時，應(yīng)盡量考慮在EERc較小時間段運(yùn)行，即電價較低時，運(yùn)行費用最優(yōu)。

2.2 機(jī)組每天啟動初期運(yùn)行對比分析

隨機(jī)抽選電制冷和直燃機(jī)單獨運(yùn)行各5 天的數(shù)據(jù)，對比分析了6:00～8:00 運(yùn)行時間段兩種方案下機(jī)組冷凍水供水溫降速率，如圖3 所示。分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)組每天啟動初期，采用兩種方案雖然都有降溫作用，但直燃機(jī)供水溫度平均下降4.62 ℃，降速較慢，而電制冷平均溫降5.97 ℃，較快達(dá)到室溫要求，效果顯著優(yōu)于直燃機(jī)。也就是說，6:00～8:00 初運(yùn)行時間段電制冷供水溫降較為迅速，其溫降速率明顯高于直燃機(jī)。早晨機(jī)組啟動時，建議優(yōu)先啟動電制冷達(dá)到快速降溫的目的。

圖3 6:00～8:00 兩種方案下機(jī)組每天啟動初期冷凍水供水溫降的對比

2.3 工作日與休息日運(yùn)行分析

如圖4 為不同時刻下工作日和休息日制冷量和用電量變化曲線?？煽闯觯瑹o論設(shè)定值如何，工作日制冷量和電量均比休息日大，很明顯這是因為工作日冷需求比休息日大。且設(shè)定值越低，耗電量也越多。因此，可分為工作日和休息日兩種模式。根據(jù)工作日與休息日冷需求的不同，分別設(shè)定不同模式下的出水溫度值，根據(jù)不同設(shè)定值自動改變機(jī)組的供回水溫度，以滿足舒適度需要。對于工作日模式，冷需求較大，所以出水溫度設(shè)定為7 ℃左右，對于休息日模式，冷需求較低，為了降低能耗，可以提高出水溫度設(shè)定值，溫度設(shè)定為9 ℃左右。

圖4 不同時刻工作日制冷量和電量變化

3 策略優(yōu)化

多臺機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時，為配合室外氣候變化和建筑冷負(fù)荷需求，確保機(jī)組高效運(yùn)行，合理的控制策略尤為重要[5]。從以上運(yùn)行情況分析來看，可從機(jī)組啟停策略、節(jié)能補(bǔ)償策略等方面優(yōu)化控制策略，從而保證系統(tǒng)的最佳運(yùn)行效率。

3.1 機(jī)組的啟停策略

此系統(tǒng)設(shè)有機(jī)組自動啟停模塊，包括3 種機(jī)組啟停策略：高效機(jī)組的優(yōu)先啟動控制、室外溫度-回水溫度控制和系統(tǒng)總負(fù)荷控制。其中，為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，防止負(fù)荷值突變引起機(jī)組不必要的啟停，避免機(jī)組頻繁啟動，機(jī)組開關(guān)機(jī)間隔時間30 min。

1）電制機(jī)組優(yōu)先啟動控制方案。

由于無論峰谷電價，電制機(jī)組EERc均遠(yuǎn)大于直燃機(jī)，經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)優(yōu)于直燃機(jī)。建議優(yōu)先啟動電制冷，可以獲得顯著的節(jié)能效果。如果電制機(jī)組輸出不能滿足要求，可以加機(jī)的方式。此外，6:00～8:00 初運(yùn)行時間段電制冷供水溫度降速明顯高于直燃機(jī)，早晨機(jī)組啟動時，同樣建議優(yōu)先啟動電制冷能夠達(dá)到快速降溫的目的。

2）室外溫度-回水溫度控制方案。

電制冷優(yōu)先啟動的前提下，根據(jù)室外溫濕度-回水溫度來控制3 臺直燃機(jī)的啟停順序。在制冷工況下，充分考慮到室外溫度與所需冷量的關(guān)系，當(dāng)室外溫度大于設(shè)定值，此時由于制冷負(fù)荷的不足，造成冷水機(jī)組出水溫度超過設(shè)定值，使回水溫度進(jìn)一步升高也大于設(shè)定值，且持續(xù)一定時間時，主機(jī)的壓縮機(jī)基本全部開啟，但仍不能滿足建筑物的冷負(fù)荷需求，所以開啟第二臺直燃機(jī)，增大制冷量來滿足要求。當(dāng)回水溫度低于設(shè)定值，且持續(xù)一定時間后，表明機(jī)組已提供了足夠的冷量來滿足需求，關(guān)閉機(jī)組，減小制冷量，避免不必要的浪費。

3）由系統(tǒng)總負(fù)荷控制。

如果機(jī)組開啟數(shù)量過多，造成系統(tǒng)總制冷量大于實際需求冷量，會導(dǎo)致多臺設(shè)備同時在低負(fù)載情況下運(yùn)行，造成能源浪費。因此，需根據(jù)總負(fù)荷調(diào)整有幾組運(yùn)行數(shù)量以提高系統(tǒng)效率。在滿足冷需求的情況下，根據(jù)用戶的實際冷量需求確定機(jī)組啟動數(shù)量，減少能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。當(dāng)負(fù)荷大于等于設(shè)定值，開啟機(jī)組；負(fù)荷低于設(shè)定值時，此機(jī)組關(guān)閉。

3.2 節(jié)能補(bǔ)償策略

供應(yīng)時段和氣候條件的變化影響著建筑物用冷量[6]，要想既滿足供冷需要，又實現(xiàn)節(jié)能降耗，供回水溫度必須做出相應(yīng)調(diào)整，使供冷量與需冷量相匹配。為此設(shè)計了節(jié)能補(bǔ)償策略，如圖5 所示，包括工作日模式和休息日模式兩種，它是根據(jù)工業(yè)區(qū)工作日與休息日辦公人員冷需求的不同進(jìn)行分日供冷。這兩種模式又分別包括定時節(jié)能補(bǔ)償（時段-機(jī)組出水溫度）和室外溫度補(bǔ)償技術(shù)（時段-室外溫度-機(jī)組出水溫度）兩種模式。前者根據(jù)不同時段設(shè)定相應(yīng)供水溫度，實現(xiàn)供冷自動調(diào)節(jié)，可根據(jù)公休日和每天上下班時間冷需求的不同，設(shè)置不同時間段內(nèi)的供冷要求。而后者根據(jù)每天不同時段下冷需求不同的基礎(chǔ)上，以室外溫度為參考，隨時修正和補(bǔ)償供冷溫度，使系統(tǒng)供冷量與室外溫度相匹配，實現(xiàn)供冷自動調(diào)節(jié)。工作時段室外溫度越高，用戶所需冷量就越多，供水溫度設(shè)定值就越低，這樣才能滿足需要，非工作時段室外溫度高，但用戶所需冷量不多，供水溫度設(shè)定值可以適當(dāng)?shù)郎?，這樣可以減少不必要的能源浪費。

圖5 節(jié)能補(bǔ)償策略

經(jīng)策略優(yōu)化，系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，綜合系統(tǒng)冷量需求，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，自動控制機(jī)組啟停、水泵變頻等，調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷凍水、冷卻水流量，保證系統(tǒng)在各種工況下處于最佳工作狀態(tài)，從而提高了整個系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性。

4 節(jié)能效果分析

改造前后站房內(nèi)制冷系統(tǒng)能源消耗主要類型均為電、水和燃?xì)?。改造前能源消耗設(shè)備主要是直燃機(jī)及其配套冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等輔助設(shè)備，改造后又增加了電制冷。由于冷凍水泵和冷卻水泵的變頻改造、電制冷機(jī)的高效運(yùn)行以及智能化平臺的搭建和策略優(yōu)化等一系列改造，使機(jī)組、水泵、冷卻塔等設(shè)備實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)與控制，在節(jié)能降耗方面取得不錯效果。圖6 為某一運(yùn)行時段內(nèi)系統(tǒng)改造前后的同期總能耗對比。改造后直燃機(jī)單獨運(yùn)行、電制冷單獨運(yùn)行以及兩種機(jī)組組合運(yùn)行的天數(shù)分別占總運(yùn)行天數(shù)的43.4%，25%和31.6%。

圖6 某一運(yùn)行時段內(nèi)系統(tǒng)改造前后的同期總能耗

可明顯看出，系統(tǒng)各項能源耗量均較改造前同期有所降低。耗電量節(jié)約149×103kW·h，降低了約10%。燃?xì)饬抗?jié)約466×103 m3，降低了約55.3%。用水量減少6485 t，降低了約22.7%。其中，站房總耗氣量降幅最大，造成下降的主要原因是電制冷的投運(yùn)和監(jiān)控平臺的搭建等減少了直燃機(jī)的總運(yùn)行時長。對于耗電量，改造后電制冷的投運(yùn)增加了電力消耗，但耗電量卻出現(xiàn)小幅度下降。為進(jìn)一步說明耗電量下降的原因，對改造前后系統(tǒng)實際耗電量和1 小時理論耗電量分別進(jìn)行了對比分析，如表1 所示?？梢钥闯觯脑烨昂蟾髟O(shè)備的投運(yùn)臺數(shù)和水泵的變頻改造等措施，使得理論耗電量也出現(xiàn)減少的情況。

表1 改造前后系統(tǒng)理論耗電量

由此可見，由于動力系統(tǒng)的改造和智能化平臺的搭建等一系列措施，避免了不必要的浪費，降低了系統(tǒng)能耗，在節(jié)能降耗方面取得了不錯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 總結(jié)

對電制冷在直燃機(jī)制冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中運(yùn)行情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合站房實際和運(yùn)行分析探討了站房自控系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制策略，解決了制冷效果差、能源消耗大的問題，既保證了供應(yīng)參數(shù)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和機(jī)組的安全運(yùn)行，又實現(xiàn)了節(jié)能、降耗、增效的目的，這對直燃機(jī)和電制冷兩種不同類型機(jī)組合并運(yùn)行及冷源系統(tǒng)智能化改造具有一定的借鑒意義，特別是在“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)下，逐步調(diào)減以天然氣為能源的直燃機(jī)數(shù)量，用電制冷予以替代，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化和綠色低碳發(fā)展，也有一定的參考價值。