核島冷鏈通風空調(diào)系統(tǒng)性能優(yōu)化研究

伍經(jīng)緯 鄭文科 王 玉 姜益強

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱;2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室,哈爾濱;3.淄博市公用事業(yè)服務(wù)中心,淄博)

0 引言

隨著人們生產(chǎn)、生活中電力需求的持續(xù)增加,傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)已發(fā)生改變,使用核能發(fā)電的技術(shù)應(yīng)運而生。核電作為清潔低碳能源之一,其碳排放接近于零,電力供給側(cè)輸出穩(wěn)定,是當前能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點戰(zhàn)略。目前,我國已經(jīng)成熟掌握了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“華龍一號”第三代核電技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計,我國到2030年核電占一次能源消費總量的比例達到5%左右才能有力支撐單位GDP碳排放下降60%的目標[1]?！笆濉逼陂g,核電新增裝機量2 460萬kW,遠低于風電的1.30億kW和光伏的2.01億kW[2]。因此,隨著中國電力市場改革的不斷深化,核電的發(fā)展具有廣闊的市場空間。

核電站建設(shè)的安全性是首要問題,這導(dǎo)致傳統(tǒng)核電站通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計趨于保守,核島冷鏈系統(tǒng)的設(shè)計余量值過大[3],存在設(shè)備初投資高、運行能耗高、調(diào)節(jié)控制笨重、經(jīng)濟性差等問題。因此,考慮核電站制冷系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀和不同末端的設(shè)計需求,實現(xiàn)核島冷鏈系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,能夠合理控制核電成本,提高核電市場競爭力,使核電在我國能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革中發(fā)揮重要作用,為我國自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)“華龍一號”走向國際市場打下堅實的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者對集中空調(diào)的優(yōu)化控制方面進行了相關(guān)研究。Kim等人研究了辦公建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)中循環(huán)泵的變頻控制,通過水泵轉(zhuǎn)速及冷負荷分析實現(xiàn)對水泵的能耗預(yù)測,并提出了水泵變頻控制算法以保證冷水流量與建筑負荷的匹配[4]。鄭宇藍基于冷水機組并聯(lián)的熱力特性模型,研究了變負荷工況下不同冷水機組并聯(lián)運行的特性,提出了基于能效基準的冷水機組控制策略[5]。郭曉巖針對集中空調(diào)的控制特性,提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的預(yù)測控制方法,有機地結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和控制功能,使集中空調(diào)系統(tǒng)所需能量和空調(diào)輸出能量達到匹配[6]。于軍琪等人對集中空調(diào)系統(tǒng)中的并聯(lián)水泵提出了一種分布式概率估計優(yōu)化算法,能夠滿足末端負荷需求,實現(xiàn)并聯(lián)水泵臺數(shù)及轉(zhuǎn)速比的優(yōu)化配置[7]。魏晶亮分析了集中空調(diào)系統(tǒng)的工作原理、設(shè)備特性等,建立了主要設(shè)備能耗模型,采用改進的蟻群算法,對空氣處理系統(tǒng)進行了冷水流量及風量的優(yōu)化,并實驗驗證了算法的可行性[8]。

制冷空調(diào)系統(tǒng)通常有非線性、復(fù)雜性、耦合性、多變量等特點,Wright首先將遺傳算法應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化中,并指出約束函數(shù)的有效使用可以提高算法的收斂性與魯棒性[9]。Wang等人基于遺產(chǎn)算法提出了一種多目標優(yōu)化模型,考慮建筑物碳排放引起的負面影響,實現(xiàn)了對綠色建筑經(jīng)濟和環(huán)境標準的評估方案的優(yōu)化[10]?？紤]遺傳算法操作簡易,較容易取得最優(yōu)解,本文也采用遺傳算法對核島冷鏈系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化計算。

綜上,目前針對核島冷鏈系統(tǒng)的研究較少,且對系統(tǒng)運行能耗的優(yōu)化程度不足。本文基于“華龍一號”某通風空調(diào)系統(tǒng)模型,建立系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化目標函數(shù),分析系統(tǒng)可優(yōu)化變量,根據(jù)約束條件確定優(yōu)化范圍,設(shè)計核島制冷系統(tǒng)優(yōu)化遺傳算法。對系統(tǒng)在不同負荷率下進行優(yōu)化計算,得到系統(tǒng)整體及各設(shè)備能耗變化情況,并與核島原制冷系統(tǒng)的運行能耗進行對比,分析各方案系統(tǒng)的節(jié)能性。

1 方案設(shè)計

為減小空調(diào)能耗在建筑能耗中的比例,空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施不斷發(fā)展,其中大溫差技術(shù)通過提升水系統(tǒng)的供回水溫差而減小水流量,從而降低冷水與冷卻水系統(tǒng)的輸送能耗。同時,在“華龍一號”的系統(tǒng)中,核島冷鏈末端根據(jù)不同功能及用戶需求分為多個冷水系統(tǒng),房間按設(shè)計溫度要求分為常溫房間、高溫房間[11],因此設(shè)計2種優(yōu)化方案。

1) 方案1:采用單臺冷水機組大溫差運行,配置1臺變頻水泵。該方案下的空調(diào)冷水系統(tǒng)原理圖見圖1,單臺冷水機組運行,提供常規(guī)溫度的冷水,負荷側(cè)不同溫度分級的供冷末端采用串聯(lián)方式,冷水先進入承擔常溫房間通風空調(diào)的空氣處理機組內(nèi),完成對常溫房間空氣的處理,再經(jīng)過高溫末端換熱后回到冷水機組,經(jīng)過兩級末端機組換熱,冷水回水溫度高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),冷水機組處于大溫差運行狀態(tài),實現(xiàn)了對冷水冷量的梯級利用。

圖1 方案1空調(diào)冷水系統(tǒng)原理圖

2) 方案2:采用大溫差冷水機組與高溫冷水機組聯(lián)合運行,每臺冷水機組配置1臺變頻水泵。該方案的空調(diào)冷水系統(tǒng)原理圖見圖2,大溫差冷水機組提供常規(guī)溫度的冷水,先進入常溫房間空氣處理機組,與室內(nèi)空氣實現(xiàn)換熱,再與高溫冷水機組提供的較高溫度的冷水混合,供給高溫末端,承擔高溫房間的負荷。該方案針對高溫末端與常溫末端負荷比大于1的系統(tǒng),通過增加1臺高溫冷水機組與冷水泵的方式,代替方案1旁通管的設(shè)置。方案1中,通過旁通管,冷水機組提供的常規(guī)溫度冷水與常溫房間的出水混合,兩部分冷水具有一定的溫差,混水會有一定的冷量浪費,而采用增加的高溫冷水機組可以提供較高溫度的冷水,在滿足高溫末端側(cè)供冷需求的同時,減少了高溫末端進口混水的冷量損失。該方案中,常溫末端冷水量為大溫差冷水機組的供水量,高溫末端水量為大溫差冷水機組的供水量與高溫冷水機組的供水量之和,高溫末端的供水溫度等于常溫末端的出水與高溫冷水機組供水的混水溫度。

圖2 方案2空調(diào)冷水系統(tǒng)原理圖

2 模型建立

2.1 設(shè)備能耗模型

冷水系統(tǒng)包含冷卻水循環(huán)、冷水循環(huán)、制冷循環(huán)及室內(nèi)通風循環(huán)。將冷卻水側(cè)簡化計算,供回水溫度按額定溫度考慮。此時,冷水系統(tǒng)中的主要用能設(shè)備冷水機組、冷水泵及室內(nèi)送風機均采用變頻技術(shù)。

冷水機組能耗主要與冷水供水溫度、冷卻水供水溫度及部分負荷率有關(guān),其能耗模型為[12]

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中Pch為冷水機組運行能耗,kW;Qn為冷水機組額定制冷量,kW;Cn為冷水機組額定制冷性能系數(shù);φ1為冷水機組溫度系數(shù)矩陣;θ1為溫度回歸系數(shù)矩陣;θ2為負荷率修正系數(shù)矩陣;φ2為負荷率矩陣;tchs為冷水供水溫度,℃;tcws為冷卻水供水溫度,℃;Qch為冷水機組實際制冷量,kW;c11～c63為矩陣元素。

冷水系統(tǒng)屬于閉式循環(huán)系統(tǒng),水泵變頻運行時,適用于相似準則[13]。水泵能耗與冷水流量、水泵揚程等有關(guān),而水泵揚程可由流量表示,因此水泵能耗模型為[14]

(5)

式中Pp為冷水泵運行能耗,kW;g0～g2為機組待定參數(shù),由參數(shù)辨識確定;mp為冷水泵流量,m3/h。

室內(nèi)風機能耗模型與水泵相似,風機的能耗模型可表示為

(6)

式中Pf,k為第k個末端風機能耗,kW;h0,k～h2,k為第k個末端風機待定參數(shù),由參數(shù)辨識確定;mf,k為第k個末端風機的送風量,m3/h。

2.2 系統(tǒng)約束條件

冷水系統(tǒng)模型約束包括各設(shè)備自身約束及設(shè)備間的相互約束。設(shè)備自身約束通常為滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求及正常運行時設(shè)備的參數(shù)范圍,該系統(tǒng)中主要設(shè)備自身約束為冷水供水溫度、冷水泵流量及風機送風溫度,根據(jù)實際運行需求及負荷特點,設(shè)定如下約束:

(7)

式中tchs,min、tchs,max分別為冷水供水溫度約束最小值、最大值,℃;mp,min、mp,max分別為冷水泵流量約束最小值、最大值,m3/h;tf,k為第k個末端的風機送風溫度,℃;tf,min,k、tf,max,k分別為第k個末端的風機送風溫度約束最小值、最大值,℃。

該系統(tǒng)中設(shè)備間的相互約束主要為冷水機組與冷水泵之間的約束及風機與冷水泵之間的約束,前者遵循能量守恒原則,后者根據(jù)空氣處理機組中冷卻盤管換熱率構(gòu)建[15],計算公式如下:

Qch=mpcp(tchr-tchs)=mpcpΔtch

(8)

式中cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tchr為冷水回水溫度,℃;Δtch為冷水機組供回水溫差,℃。

(9)

式中Qk為第k個末端實際制冷量,kW;c1,k～c3,k為末端待定參數(shù),由參數(shù)辨識確定,c3,k可取定值0.8;tma,k為第k個末端管中混合空氣溫度,為室內(nèi)回風溫度與送風溫度平均值,℃;tchs,k為第k個末端的冷水供水溫度,℃;mp,k為第k個末端對應(yīng)的冷水泵流量,m3/h。

對于冷水機組串聯(lián)的系統(tǒng),冷水機組與其對應(yīng)水泵之間約束的數(shù)學(xué)表達形式見式(10),且對于串聯(lián)的末端分別滿足式(11)。

∑Qch,i=mpcp(Δtn+Δth)

(10)

(11)

式(10)、(11)中Qch,i為第i臺冷水機組實際制冷量,kW;∑Qch,i為串聯(lián)冷水機組總實際制冷量,kW;Δtn、Δth分別為常溫、高溫末端供回水溫差,℃;Qun、Quh分別為常溫、高溫末端負荷,kW;mpn、mph分別為常溫、高溫末端的冷水泵流量,m3/h。

2.3 輸入?yún)?shù)

某“華龍一號”核電站的核島電氣廠房冷水系統(tǒng)共12個末端,常規(guī)房間總設(shè)計負荷為520.0 kW,設(shè)置3臺空氣處理機組。高溫房間總設(shè)計負荷為510.0 kW,由9臺空氣處理機組承擔,其中3臺機組負責房間設(shè)計溫度為35 ℃,其余負責房間設(shè)計溫度為40 ℃。設(shè)備模型中的機組參數(shù)由設(shè)備樣本參數(shù)識別確定;核島制冷系統(tǒng)中冷卻水側(cè)采用換熱器與海水進行換熱,本文冷卻水供水溫度按照設(shè)計溫度取35 ℃。

其中原方案的參數(shù)設(shè)定約束如式(12)所示。設(shè)計負荷下方案1、2的約束條件設(shè)定見式(13)、(14)。

(12)

(13)

(14)

式(12)～(14)中tchsn、tchsh分別為常溫冷水機組、高溫冷水機組冷水供水溫度,℃;Δtchn、Δtchh分別為常溫冷水機組、高溫冷水機組對應(yīng)供回水溫差,℃。

2.4 優(yōu)化算法設(shè)計

核島制冷系統(tǒng)節(jié)能運行優(yōu)化目標是在滿足室內(nèi)供冷需求的前提下,使冷水系統(tǒng)的運行總能耗最低,即主要耗能設(shè)備——送風機、冷水泵及冷水機組能耗和最小。因此,冷水系統(tǒng)總能耗Pto表示為

Pto=Pch+Pp+Pf

(15)

式中Pf為風機能耗。

可以看出,冷水系統(tǒng)優(yōu)化由復(fù)雜目標函數(shù)和諸多約束條件組成,目標函數(shù)中的變量及其約束條件具有非線性關(guān)系?？紤]各約束條件,確定系統(tǒng)能耗模型,梳理系統(tǒng)邏輯關(guān)系。其中,對于優(yōu)化設(shè)計方案1中的系統(tǒng)形式,當高溫末端與常溫末端負荷比為1時,確定核島冷水系統(tǒng)的總能耗順序為:

1) 確定Δtn,根據(jù)Δtn由式(11)計算得到mpn,再由式(5)求得水泵能耗Pp;

2) 確定tf,k,根據(jù)tf,k及已知量Qk與計算值tma,k、mf,k,由式(6)求得風機能耗Pf;

3) 確定tchs,k,根據(jù)tchs,k及前述步驟求得的Qk、tma,k、mf,k驗證式(9),再根據(jù)tchs、Qch由式(1)求得冷水機組能耗Pch;

4) 將Pp、Pf、Pch代入式(15),求得系統(tǒng)總能耗Pto。

此時,冷水系統(tǒng)目標函數(shù)由冷水機組冷水供水溫度tchs、冷水供回水溫差Δtch及tf,k確定,由決策變量建立的冷水系統(tǒng)目標函數(shù)表示為

Pto=f(tchs,Δtch,tf,k)

(16)

當高溫末端與常溫末端負荷比為2時,確定系統(tǒng)總能耗的順序中步驟1)更改為:確定Δtn、Δth,根據(jù)Δtn、Δth,由式(11)計算得到mpn、mph,再由式(5)求得水泵能耗Pp。

此方案下,冷水系統(tǒng)目標函數(shù)由tchs、Δtn、Δth及tf,k確定,由決策變量建立的冷水系統(tǒng)目標函數(shù)表示為

Pto=f(tchs,Δtn,Δth,tf,k)

(17)

方案2優(yōu)化邏輯與計算順序與方案1類似,不再進行贅述,各優(yōu)化設(shè)計方案下的冷水全局優(yōu)化控制模型的目標函數(shù)表示為

minPto=min(Pch+Pp+Pf)

(18)

3 結(jié)果分析

3.1 高溫末端與常溫末端負荷比為1

圖3給出了方案1冷水機組與水泵能耗隨負荷率的變化情況。冷水機組的節(jié)能率隨著負荷率的減小基本呈現(xiàn)下降趨勢,負荷率由100%減小至60%,冷水機組節(jié)能率由7.2%降低至5.9%,平均節(jié)能率為6.8%。水泵的節(jié)能率隨著負荷率的減小而增大,由57.2%增大至82.4%。由于采用負荷末端串聯(lián),使得系統(tǒng)的水量比原方案大幅度減小,因此節(jié)能效果明顯。

圖4給出了方案1風機能耗與系統(tǒng)總能耗隨負荷率的變化情況。風機節(jié)能率隨負荷率的減小而降低,由8.9%降低至1.1%,平均節(jié)能率為 6.1%。系統(tǒng)平均節(jié)能率為14.1%。

圖4 方案1風機能耗與系統(tǒng)總能耗隨負荷率的變化情況(負荷比為1)

3.2 高溫末端與常溫末端負荷比為2

1) 方案1。

圖5給出了方案1冷水機組與水泵能耗隨負荷率的變化情況。冷水機組的節(jié)能率隨著負荷率的減小基本呈現(xiàn)下降趨勢,負荷率由100%減小至60%,冷水機組節(jié)能率由6.1%降低至4.6%,平均節(jié)能率為5.3%。水泵的節(jié)能率隨著負荷率的減小而增大,由63.7%增大至70.6%,平均節(jié)能率為68.5%。

圖5 方案1冷水機組與水泵能耗隨負荷率的變化情況(負荷比為2)

圖6給出了方案1風機能耗與系統(tǒng)總能耗隨負荷率的變化情況。風機節(jié)能率隨負荷率的減小而降低,由4.0%降低至-0.3%,平均節(jié)能率為2.5%。系統(tǒng)平均節(jié)能率為12.2%。

圖6 方案1風機能耗與系統(tǒng)總能耗隨負荷率的變化情況(負荷比為2)

2) 方案2。

圖7給出了方案2冷水機組與水泵能耗隨負荷率的變化情況。冷水機組的節(jié)能率隨著負荷率的減小基本呈現(xiàn)上升趨勢,負荷率由100%減小至60%,冷水機組節(jié)能率由8.8%增大至14.9%,平均節(jié)能率為12.2%。對比高溫末端與常溫末端負荷比為1時方案1冷水機組的計算結(jié)果,該工況下冷水機組運行有了明顯的節(jié)能效果,這是由于高溫末端負荷在總負荷中占比增大,此時高溫末端冷水機組型號較大,且冷水溫度的提高使得該冷水機組的COP明顯提高,因此比該工況下原方案冷水機組運行有了明顯的節(jié)能效果。水泵的節(jié)能率隨著負荷率的減小而增大,節(jié)能率由59.1%增大至83.3%,平均節(jié)能率為72.2%。

圖7 方案2冷水機組與水泵能耗隨負荷率的變化情況(負荷比為2)

圖8給出了方案2風機能耗與系統(tǒng)總能耗隨負荷率的變化情況。風機節(jié)能率隨負荷率的減小而降低,由3.7%降低至-4.2%,平均節(jié)能率為-0.2%,由于送風溫度的提高,使得風機與原系統(tǒng)相比不再具有節(jié)能效果。系統(tǒng)整體運行的平均節(jié)能率為17.2%。

圖8 方案2風機能耗與系統(tǒng)總能耗隨負荷率的變化情況(負荷比為2)

4 結(jié)論

1) 末端負荷比為1時:隨著負荷率的減小,方案1中冷水機組節(jié)能率由7.2%降低至5.9%,水泵節(jié)能率由57.2%增大至82.4%,風機節(jié)能率由8.9%降低至1.1%,平均節(jié)能率為6.1%;系統(tǒng)整體運行能耗比原方案減小了14.1%。

2) 末端負荷比為2時:隨著負荷率的減小,方案1中冷水機組節(jié)能率由6.1%降低至4.6%,平均節(jié)能率為5.3%;水泵的節(jié)能率由63.7%增大至70.6%,平均節(jié)能率為68.5%;風機節(jié)能率由4.0%降低至-0.3%,平均節(jié)能率為2.5%;系統(tǒng)整體運行能耗比原方案減小了12.2%。方案2中冷水機組節(jié)能率由8.8%增大至14.9%,平均節(jié)能率為12.2%;水泵節(jié)能率由59.1%增大至83.3%,平均節(jié)能率為72.2%;風機節(jié)能率由3.7%降低至-4.2%,平均節(jié)能率為-0.2%;系統(tǒng)整體運行能耗比原方案減小了17.2%。

3) 末端負荷比為2時,隨負荷率的變化2個優(yōu)化方案系統(tǒng)總能耗基本保持一致,且均低于原方案的系統(tǒng)能耗,整體運行能耗方案1比原方案減小了12.2%,方案2比原方案減小了17.2%,說明末端負荷比增大后,改用方案2系統(tǒng)節(jié)能效果更好。