CN109654680B - 一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法 - Google Patents

一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，包括步骤：1)在线获取当前时刻中央空调冷冻水输配***中的测量数据；2)提供改进的温度设定值设定方法，实现温度设定值随工况而变化，并替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值；3)利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，整定后的控制信号最终送往水泵变频器用于控制水泵转速。本发明通过提供改进的换热器二次侧冷冻水出水温度设定值的设定方法以及基于反馈控制机制的水泵转速控制信号重新整定方法，在满足用户侧冷负荷需求的前提下提高冷冻水***的运行稳健性，减少水泵因运行不稳定而导致的能耗浪费。

Description

一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法
技术领域
本发明涉及建筑中央空调的技术领域，尤其是指一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法。
背景技术
目前，在高层建筑中央空调设计中，常采用竖向分区的设计方法来避免竖向高度引起的高静压对冷冻水输配管网及设备造成损坏。竖向分区指将整个冷冻水输配管网沿高度方向分成不少于两个的子***，两个子***之间一般采用换热器(如板式换热器)进行冷量交换，而换热器的两侧分别设置一次侧和二次侧冷冻水泵。图1是一种典型的竖向分区中央空调冷冻水输配***。换热器一次侧水泵和二次侧水泵一般均采用变速运行。对于换热器一次侧水泵，通常采用的控制方法，如图2，对于每一台换热器采用温度控制器(一般采用PID(比例-积分-微分)控制器)通过比较换热器二次侧出水温度实测值与其设定值来调节换热器一次侧回水阀门的开度，阀门的开度会影响换热器一次侧的供水管和回水管之间的差压，采用压差控制器(一般采用PID控制器)通过比较换热器一次侧的供水管和回水管之间的压差测量值和其预定设定值来达到控制换热器一次侧水泵转速的目的。这其中，换热器二次侧出水温度是一个重要的控制变量，对换热器一次侧水泵的运行稳定性有显著的影响。传统控制方法中换热器二次侧出水温度的设定值通常采用固定值。在实际运行中，由于运行工况中一些扰动的存在，比如冷水机组出水温度未达设定值或者换热器换热性能下降，在某些情况下会造成换热器二次侧出水温度的实测值达不到设定值。这种情况发生时，在传统控制方法下，换热器一次侧水泵将不断提高转速，直至增加运行台数，这将造成换热器一次侧冷冻水流量过度增加。而换热器一次侧管路与冷水机组侧管路通过旁通管相互耦合，当换热器一次侧管路水流量大于冷水机组侧水流量时，在旁通管中将会出现“逆向混流”现象，即旁通管中水从回水干管流向供水干管，提高了供水干管中的供水温度；供水温度的升高，导致更多的回水混入供水，形成恶性循环。当恶性循环发生时，传统水泵转速控制方法缺乏有效措施进行主动矫正，水泵超速运行，增加了水泵的能耗，影响了中央空调***的整体性能。
本发明提供一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，通过提供改进的换热器二次侧冷冻水出水温度设定值的设定方法以及基于反馈控制机制的水泵转速控制信号重新整定方法，在满足用户侧冷负荷需求的前提下提高冷冻水***的运行稳健性，减少水泵因运行不稳定而导致的能耗浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，突破传统控制方法由于采用单一固定温度设定值引起的在某些复杂工况下水泵超速运行，通过提供改进的换热器二次侧冷冻水出水温度设定值的设定方法以及基于反馈控制机制的水泵转速控制信号重新整定方法，提高冷冻水***的运行稳健性，减少水泵因运行不稳定而导致的能耗浪费。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，包括以下步骤：
1)在线获取当前时刻中央空调冷冻水输配***中的测量数据；
2)提供改进的温度设定值设定方法，实现温度设定值随工况而变化，并替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值；
3)利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，整定后的控制信号最终送往水泵变频器用于控制水泵转速。
在步骤1)中，在线获取当前时刻中央空调冷冻水输配***中的测量数据，包括换热器一次侧的进水温度、换热器二次侧出水温度和换热器二次侧总冷负荷。
在步骤2)中，提供改进的温度设定值设定方法，实现温度设定值随工况而变化，并替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值，具体如下：
改进的温度设定值设定方法，具体由下式(1)表示：
Figure GDA0002258859570000031
式中：Tset(t)表示当前时刻t换热器二次侧出水温度的设定值，Q(t)表示当前时刻t实测的换热器二次侧全部冷负荷，T1,in(t)表示当前时刻t换热器一次侧进水温度测量值，ΔTmin为常数，表示在设计阶段用于换热器选型时采用的额定温差，ΔTmax为大于ΔTmin的一个常数，Qmin和Qmax均为常数且均小于换热器二次侧额定设计冷负荷，并且Qmax>Qmin，Tmax为常数，表示设定值的最大允许值；
在每一采样时刻，实时地输出由式(1)设定的换热器二次侧出水温度的设定值，替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值。
在步骤3)中，利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，具体如下：
在每一采样时刻，将来自传统控制方法中的水泵运行频率信号先用改进的整定方法进行重新整定，整定后的控制信号再送往变频用以控制水泵转速，具体的整定方法由下式(2)实现：
VSD2(t)＝α(t)(VSD1(t)-VSDmin)+VSDmin，0≤α(t)≤1 (2)
式中：VSD2(t)表示当前时刻t整定方法输出的水泵运行频率控制信号，VSD1(t)表示当前时刻t由传统控制方法产生的水泵运行频率控制信号，VSDmin为事先设定的水泵最低允许运行频率，α(t)表示当前时刻的α值，是一个随时间变化的参数，通过反馈控制机制利用PID控制器在线计算确定，具体计算通过下式(3)：
Figure GDA0002258859570000041
式中：α(t)表示在t时刻PID控制器输出的α值；Kp、Ti和Td是预先设定的参数，分别代表比例系数、积分时间常数和微分时间常数；M1(t)表示t时刻换热器一次侧旁通管内水流量测定值，规定水从供水干管流向回水干管时为正向，流量为正值，从回水干管流向供水干管时为负向，流量为负值；Mmin表示事先设定的旁通管内允许的最小的正向流量设定值，e(t)表示在t时刻换热器一次侧旁通管内水流量测定值与流量设定值的差异。
当旁通管内没有发现“逆向回流”时，PID控制器输出的α将逐渐增大，直至达到最大值1，此时根据式(2)的计算，VSD2(t)＝VSD1(t)，即未改变传统控制方法产生的水泵运行频率；当旁通管内发现“逆向回流”时，PID控制器输出的α将逐渐减小，此时根据式(2)计算出的VSD2(t)将逐渐小于VSD1(t)，当α减小到0时，VSD2(t)也达到最小值VSDmin，VSD2(t)的减小过程直接对应水泵减速的过程，降低了换热器一次侧的流量，最终消除旁通管内的“逆向回流”。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明提供了改进的温度设定值设定方法，实现了温度设定值随工况而变化，解决了传统控制方法中单一固定的温度设定值在某些工况下很难被达到，缓解了水泵超速运行的问题。
2、本发明利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，能够消除旁通管内的“逆向混流”现象，突破了传统控制方法不能主动消除“逆向混流”现象的局限。
3、本发明方法在传统水泵转速控制方法的基础上，增强了换热器一次侧水泵的运行稳健性，在建筑中央空调控制***中具有广泛的使用空间，适应性强，在提高中央空调***节能运行方面有广阔前景。
附图说明
图1为典型竖向分区中央空调冷冻水***。
图2为传统换热器一次侧水泵转速控制方法。
图3为本发明逻辑流程示意图。
图4为实施例换热器二次侧出水温度曲线。
图5为实施例换热器一次侧旁通管中流量曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所提供的稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，实施对象为华南地区某超高层商业建筑竖向分区中央空调冷冻水***，两台冷水机组提供5.5℃的冷冻水，换热器一次侧有3台变频冷冻水泵(两用一备)，单台额定功率30kW，换热器二次侧用户额定冷负荷14000kW，原设计采用如图2所示的传统换热器一次侧水泵转速控制方法，换热器二次侧出水温度设定值为6.3℃，如图3所示，本实施例具体包括以下步骤：
1)在线获取当前时刻中央空调冷冻水输配***中的测量数据，包括：换热器一次侧的进水温度、换热器二次侧出水温度和换热器二次侧总冷负荷。
2)提供改进的温度设定值设定方法，实现温度设定值随工况而变化，并替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值，具体如下：
改进的温度设定值设定方法，由(式1)表示：
Figure GDA0002258859570000061
式中：Tset(t)表示当前时刻t下换热器二次侧出水温度的设定值，Q(t)表示当前时刻t下实测的换热器二次侧全部冷负荷，T1,in(t)表示当前时刻t换热器一次侧进水温度测量值，ΔTmin为常数，表示在设计阶段用于换热器选型时采用的额定温差，ΔTmax为大于ΔTmin的一个常数，Qmin和Qmax均为常数且均小于换热器二次侧额定设计冷负荷，并且Qmax>Qmin，Tmax为常数，表示设定值的最大允许值；本实施例中，ΔTmin＝0.8℃，ΔTmax＝1.2℃，Qmin取额定设计冷负荷的20％，即Qmin＝14000X0.2＝2800kW，Qmax取额定设计冷负荷的90％，即Qmax＝14000X0.9＝12600kW，Tmax取9℃；
在每一采样时刻，实时地输出由(式1)设定的换热器二次侧出水温度的设定值，替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值。
3)利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，整定后的控制信号最终送往水泵变频器用于控制水泵转速，具体如下：
在每一采样时刻，将来自传统控制方法中的水泵运行频率信号先用改进的整定方法进行重新整定，整定后的控制信号再送往变频用以控制水泵转速，具体的整定方法由(式2)实现：
VSD2(t)＝α(t)(VSD1(t)-VSDmin)+VSDmin，0≤α(t)≤1 (式2)
式中：VSD2(t)表示当前时刻t整定方法输出的水泵运行频率控制信号，VSD1(t)表示当前时刻t由传统控制方法产生的水泵运行频率控制信号，VSDmin为事先设定的水泵最低允许运行频率，α(t)表示当前时刻的α值，是一个随时间变化的参数，通过反馈控制机制利用PID(比例-积分-微分)控制器在线计算确定，具体计算详见(式3)：
式中：α(t)表示在t时刻PID(比例-积分-微分)控制器输出的α值；Kp、Ti和Td是预先设定的参数，分别代表比例系数、积分时间常数和微分时间常数；M1(t)表示t时刻换热器一次侧旁通管内水流量测定值，规定水从供水干管流向回水干管时为正向，流量为正值，从回水干管流向供水干管时为负向，流量为负值；Mmin表示事先设定的旁通管内允许的最小的正向流量设定值，e(t)表示在t时刻换热器一次侧旁通管内水流量测定值与流量设定值的差异；本实施例中，Mmin＝2L/s，VSDmin取20Hz。
当旁通管内没有发现“逆向回流”时，PID控制器输出的α将逐渐增大，直至达到最大值1，此时根据(式2)的计算，VSD2(t)＝VSD1(t)，即未改变传统控制方法产生的水泵运行频率；当旁通管内发现“逆向回流”时，PID控制器输出的α将逐渐减小，此时根据(式2)计算出的VSD2(t)将逐渐小于VSD1(t)，当α减小到0时，VSD2(t)也达到最小值VSDmin，VSD2(t)的减小过程直接对应水泵减速的过程，降低了换热器一次侧的流量，最终消除旁通管内的“逆向回流”。
本发明实施例的运行结果与使用传统控制方法的运行结果在动态运行性能和能耗情况两个方面进行了比较。在动态运行性能方面，比较了一个典型日凌晨至上午时间段的运行情况，图4表明本发明方法所提供的改进的温度设定值能够随工况变化，并且实测温度都能够达到设定值，图5表明本发明方法能够有效消除旁通管内的“逆向混流”现象；在能耗方面，分别在一年时间内采用传统控制方法与本发明提出的控制方法，统计了使用两种方法时该年的建筑总冷负荷和换热器一次侧水泵的总能耗量，如表1所示，本发明方法年节能率可达39.4％。
表1-水泵全年总能耗比较
综上所述，在采用以上方案后，本发明所提供的稳健性增强的控制方法大大提高了冷冻水***运行的稳定性，为中央空调冷冻水输配***的节能稳健运行提供了新的方法，能够有效降低因水泵运行稳定而浪费的能耗，具有实际推广价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在线获取当前时刻中央空调冷冻水输配***中的测量数据；
2)提供改进的温度设定值设定方法，实现温度设定值随工况而变化，并替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值；
3)利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，整定后的控制信号最终送往水泵变频器用于控制水泵转速；
其中，利用反馈控制机制对传统水泵转速控制方法输出的水泵转速控制信号进行重新整定，具体如下：
在每一采样时刻，将来自传统控制方法中的水泵运行频率信号先用改进的整定方法进行重新整定，整定后的控制信号再送往变频用以控制水泵转速，具体的整定方法由下式(2)实现：
VSD2(t)＝α(t)(VSD1(t)-VSDmin)+VSDmin，0≤α(t)≤1 (2)
式中：VSD2(t)表示当前时刻t整定方法输出的水泵运行频率控制信号，VSD1(t)表示当前时刻t由传统控制方法产生的水泵运行频率控制信号，VSDmin为事先设定的水泵最低允许运行频率，α(t)表示当前时刻的α值，是一个随时间变化的参数，通过反馈控制机制利用PID控制器在线计算确定，具体计算通过下式(3)：
式中：α(t)表示在t时刻PID控制器输出的α值；Kp、Ti和Td是预先设定的参数，分别代表比例系数、积分时间常数和微分时间常数；M1(t)表示t时刻换热器一次侧旁通管内水流量测定值，规定水从供水干管流向回水干管时为正向，流量为正值，从回水干管流向供水干管时为负向，流量为负值；Mmin表示事先设定的旁通管内允许的最小的正向流量设定值，e(t)表示在t时刻换热器一次侧旁通管内水流量测定值与流量设定值的差异。
2.根据权利要求1所述的一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，其特征在于：在步骤1)中，在线获取当前时刻中央空调冷冻水输配***中的测量数据，包括换热器一次侧的进水温度、换热器二次侧出水温度和换热器二次侧总冷负荷。
3.根据权利要求1所述的一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，其特征在于：在步骤2)中，提供改进的温度设定值设定方法，实现温度设定值随工况而变化，并替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值，具体如下：
改进的温度设定值设定方法，具体由下式(1)表示：
Figure FDA0002258859560000021
式中：Tset(t)表示当前时刻t换热器二次侧出水温度的设定值，Q(t)表示当前时刻t实测的换热器二次侧全部冷负荷，T1,in(t)表示当前时刻t换热器一次侧进水温度测量值，ΔTmin为常数，表示在设计阶段用于换热器选型时采用的额定温差，ΔTmax为大于ΔTmin的一个常数，Qmin和Qmax均为常数且均小于换热器二次侧额定设计冷负荷，并且Qmax>Qmin，Tmax为常数，表示设定值的最大允许值；
在每一采样时刻，实时地输出由式(1)设定的换热器二次侧出水温度的设定值，替代传统水泵转速控制方法中使用的相应设定值。
4.根据权利要求1所述的一种稳健性增强的空调冷冻水换热器一次侧水泵控制方法，其特征在于：当旁通管内没有发现“逆向回流”时，PID控制器输出的α将逐渐增大，直至达到最大值1，此时根据式(2)的计算，VSD2(t)＝VSD1(t)，即未改变传统控制方法产生的水泵运行频率；当旁通管内发现“逆向回流”时，PID控制器输出的α将逐渐减小，此时根据式(2)计算出的VSD2(t)将逐渐小于VSD1(t)，当α减小到0时，VSD2(t)也达到最小值VSDmin，VSD2(t)的减小过程直接对应水泵减速的过程，降低了换热器一次侧的流量，最终消除旁通管内的“逆向回流”。
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