离心式冷水机组的冷却水系统变频节能分析

李 达

(广州博奕特机电技术有限公司,广州510530)

0 引言

对于离心式冷水机组而言,冷冻水和冷却水的出水温度基本决定了饱和蒸发温度 (压力)和饱和冷凝温度 (压力)。因此在冷冻水侧,只要流量变化范围和流量变化率在该机组的允许范围之内,在相同的冷冻水出水温度下,变冷冻水的流量变化基本上不会改变机组的运行工况,与定流量系统相比,相同条件下 (冷量及冷却水温度)机组本身的性能不受影响,因此业主或使用者可以充分享受冷冻水泵变频带来的节能效果而无须考虑主机的影响。但对于冷却水系统,由于主机的冷凝温度与冷却水流量、冷却水进水 (即冷却塔出水)温度存在极强的相互依存关系,如果对冷却水系统中的设备(冷却泵和冷却塔)实施变频控制,都会影响到主机的运行状态,在冷却泵和冷却塔获得节能的同时,必将导致主机的冷凝温度升高,性能下降。更为关键的是,在一定的条件下,有可能出现离心式冷水机组固有的特性—喘震,对机组的安全运行造成隐患。因此对于采用离心式冷水机组的中央空调系统,在冷却水侧实施变频控制必须要特别的加以小心,需要综合考虑,否则可能出现得不偿失,因小失大的现象。

1 冷却水泵变频

目前对冷却水泵实施变频控制的主要方法有定温差控制法、定冷凝温度法[1]、定温差+最小压差、定冷凝温度+最小压差[2]、模糊控制法[3]等。笔者认为文献 [3]中控制算法所采用的依据 “在制冷机及蒸发器、冷凝器已确定的情况下,蒸发温度通常取决于冷冻水的回水温度,冷凝温度取决于冷却水的入口温度;因此制冷量和制冷系数也是冷冻水回水温度和冷却水入口温度的函数”较难实施,本文不做分析。本文主要讨论在实际项目中使用比较多且易于实施的定温差 (+最小压差或流量)和定冷凝温度 (+最小压差或流量)控制方法。对系统 (冷水机组+冷却泵)的节能效果,文献 [2]认为定温差 (+最小压差或流量)的节能效果优于定冷凝温度 (+最小压差或流量)的节能效果,而文献 [1]、[4]更倾向于定冷凝温度控制。那么这种控制方法是否适合于所有场合呢?

冷量Q与冷却水流量G和冷却水的进出温度t1,t2的关系为:式中Cp为水的比定压热容,COP为冷水机组的性能系数。

从式中可以看出,只要主机的冷却水温度能够低于设计温度,即使主机处于满载或接近满载工况,冷却水泵也能实施变频而获得节能。文 [1]、[5]对某个厂家的同一台1760 kW(500RT)离心式冷水机组的分析表明,定冷凝温度方法对系统 (主机和冷却水泵)具有相当好的节能效果 (相对于定流量水泵的耗电量),特别在机组负荷处于50%～70%负荷之间,节能效果更佳。但笔者认为该分析结果不一定具有普遍的意义。

首先,不同型式的离心式压缩机具有不同的特性曲线。因为压缩机性能曲线(Compressor Map)属于生产公司的机密信息,不可能公开,但我们不妨从一些主流公司的公开资料找到一些示意性的曲线来分析该方法的可行性。

D①公司在其样本上的压缩机 (单级)性能特性如图1所示 (其中粗线为笔者所加,下同)。

图1 D公司单级离心式压缩机特性曲线

从图1中可以看出,对于没有配置可调扩压器的机组,在恒定的冷凝温度下,机组在60%冷媒流量 (黑色实线)左右就进入喘震区域。而如果配置了可调扩压器的机组,同样工况下机组可以卸载到10%而不发生喘震。需要说明的是,对于恒定冷冻水出水温度的机组,冷媒流量基本上与冷量成正比。目前尚不清楚可调扩压器是否属于该公司机组的标准配置。

M②公司在其应用手册上的压缩机 (单级)性能特性如图2所示。

图2 M公司单级离心式压缩机特性曲线

从图2中可以看出,同样对于没有配置散流滑块 (作用同可调扩压器)的机组,在恒定的冷凝温度下,机组在40%负载开始喘震。而如果配置了散流滑块的机组,同样工况下机组可以卸载到27%左右。该装置属于该公司机组的标准配置。

而Y③和C④公司在其大多数单级离心式冷水机组型号上也配置了类似装置,但没有相关的性能曲线说明其恒定冷凝温度下的卸载能力。

T⑤公司在其资料上公布的双级离心式压缩机特性曲线如图3所示。机组在很高负载附近就到了喘震区域,而且该公司不提供类似可调扩压器的装置以提高卸载能力。

图3 T公司双级离心式压缩机特性曲线

而另外一家公司H⑥的双级离心式压缩机的曲线如图4所示。大致也是60%左右可能发生喘震。同样,该公司也不能提供类似可调扩压器的调节装置以提高卸载能力。

图4 H公司双级离心式压缩机特性曲线

文献 [6]给出的定频离心式压缩机曲线模型如图5所示,如果这个压缩机曲线采用定冷凝温度控制,则喘震点位于85%负载点左右,可运行区域很窄,在实际项目中几乎无法运行。

从上面的离心机组特性曲线图可以看出,如果直接采用定冷凝温度控制来调节冷却水流量,有些压缩机能卸载到50%左右而不发生喘震,采用该方法是可行的,但对于某些压缩机而言,由于其喘震点很高,几乎不能卸载,采用该方法很可能导致安全隐患。

图5 定频离心式压缩机特性曲线(模型)

其次,与离心式冷水机组是否采用变频驱动有关。在冷却水温度较低的工况下,定流量下变频冷水机组可以低频运行,其COP高达10以上。但如果将冷凝温度固定在设计点,则意味着变频离心机组为了保证不喘震而不得不在工频附近工况下运行,冷水机组本身所导致的能耗增加将是水泵变频节能所无法补偿的。此时采用定冷凝温度控制将导致系统能耗增加。

最后,与系统控制模式,特别是增加和减少压缩机运行的策略密切相关。一般定频机组的高效区间为60%～95%之间,变频离心机组的高效区间是40%～80%之间。按照之前的分析,为了保证不喘震,必须让主机的运行负载率处于高位,这种控制模式对定频机组是可行的。但如果有变频冷水机组,这样的控制模式无法发挥变频离心机组的优势,显然是不合理的。

因此对于有变频驱动的离心机组,笔者认为最佳办法是不对冷却水泵进行变频控制。如果要变频,定温差的控制模式会比定冷凝温度的控制模式好。

另外,冷却泵的变频控制还与建筑物类型及气候特点有关。Steven[7]认为对于写字楼项目,冷却水泵变频在生命循环成本 (LCC)中一般是不节能的。

2 冷却塔变频

国外公司如Trane[8],Johnson Controls[9]都推出了独有的控制策略,其中后者被ASHRAE[10]标准所采用推广。他们都是以主机和冷却塔作为分析对象来进行系统优化的。而目前国内的自控公司都宣称能够对冷却塔实施变频控制,但都没有明晰的控制策略。一般在实际项目中采用定冷却水出水温度或定逼近度控制,以后者居多。

定逼近度的控制方法是将冷却塔出水温度 (即式1中的 t1)与室外湿球温度之间的差值维持在一设定值 (一般为设计点的差值)。但文献 [11]表明,在目前常规的控制模式下,冷却塔的变频控制区间很小。

目前常规的机房控制模式简述如下:

(1)主机的加减以电流百分比或实际电流值为依据,例如当电流百分比达到或超过某一设定值(或冷冻水温度不能维持)超过一定时间 (可设定)后加机;当电流百分比低于某一设定值超过一定时间 (可设定)后减机;

(2)水泵,水塔与主机对应启停。

这样控制的目的是让单机冷量达到最大,运行的设备数量最少。但对于冷却塔的变频控制基本上无用武之地。

按照式 (1),冷却塔的排热量大部分是由冷量转化而来的。如果采用定冷却水流量系统,则t2-t1的变化很小,虽然室外湿球温度降低,但冷却塔的性能也变差,导致实际的逼近度会拉大,此时冷却塔根本无法在变频状态下运行。文献 [7]、[8]的曲线清楚表明了这一点。

图6⑦曲线表明:当湿球温度从设计的25.6℃(78℉)下降到15.5℃(60℉)时,冷却水出水温度由 29.4℃ (85℉)降为 21.9℃ (71.5℉),逼近度由 3.9℃ (7℉=85℉-78℉)提高到 6.4℃(11.5℉=71.5℉-60℉)。这种情况下冷却塔变频只会导致逼近度加大,冷却水出水温度升高。此时的变频器成了摆设,反而因为变频器本身的损耗而增加了能耗。

图6 湿球温度、冷却水出水温度、冷却水温差关系示意图

同样,图7⑧曲线也说明要维持负荷 (即散热量)、温差和逼近度恒定,在低湿球温度下需要加大冷却塔型号才能满足这个要求,反过来表明同一台冷却塔无法维持恒定的逼近度。

从上面的分析可以看出,要获得恒定的逼近度,在常规控制模式下,必须要减少冷水机组的负载,但这样与 “运行设备越少越好”的控制逻辑相悖,因此对加减机组控制提出了更高的要求。

图7 恒定散热负荷、冷却水温差、逼近度工况下湿球温度与冷却塔规格关系图

也有人提出在非设计工况下将采用多开冷却塔以增加换热面积的方法来解决上述问题,理论上是可以实现的。但问题是冷却塔的布水器设计能否满足低流量的布水要求以满足空气与水的充分接触。在国外,大部分的冷却塔厂家都可以提供选配的挡水围堰 (weir dams)或低流量喷嘴,使冷却水流量可以减少到额定流量的50%,甚至33%或25%[12],也能保证空气与水的充分接触使恒定逼近度成为可能。但很遗憾的是,目前国内能提供这样选项的冷却塔厂家很少。另外还与冷却塔的初始调试是否到位有关。这种情况下多开冷却塔不但不一定能达到理想的效果,甚至出现其它相反的结果。

同样,变频离心机组对压头 (饱和冷凝压力—饱和蒸发压力)的敏感性要远远大于定频机组,冷却水进水温度越低 (冷却水不变频或定温差控制模式下),变频机组的效率提高相对要快。但是在低湿球温度下冷却塔的逼近度增大的特点导致了即使是工频运行,冷却塔的出水温度也受到了一定限制(即不可能无限降低),显然主机与冷却塔两者之间存在一定的平衡关系。笔者认为,由于冷却塔的功率与主机相比很小,对于采用变频机组的系统而言,冷却塔定频控制比变频控制会更有利一些,且控制程序相对简单可靠。

3 其它问题

冷却泵和冷却塔的变频还会带来如下问题,在分析的时候也必须加以考虑。

(1)冷凝器结垢速度加快,由于流量减少导致流速降低,增加冷凝器和冷却水管道的结垢速度加快[1,13];

(2)冷却水温度比定流量系统高也将导致结垢速度加快[14];

(3)低流量下,冷却塔容易出现干表面,阻力减小导致很多空气没有与水接触就被旁通,在干湿边界处由于水的蒸发,不融性固体物质将残留在填料表面,由于没有水的冲刷而导致结垢比常规严重[12]。

(4)冷却水流量变化范围也是一个必须加以重视的问题,它与主机、冷却塔的型号有关,很多时候我们很关心主机的最小允许水流量,但却忽视了冷却塔的最小允许水流量,而事实上很多情况下很多选定冷却塔的最小水流量要大于主机的允许最小水流量,而冷却塔低流量下将导致受水不均、结垢、缩短寿命等一系列问题。

(5)冷却泵变频和冷却塔变频优先问题。对采用恒定冷凝温度的定频离心机组的系统会更复杂,这是因为这种模式下主机对冷却水的进水温度已经不敏感,特别是冷却泵频率已经到了低限的时候,冷却塔可以在很低的频率下运行维持稍高的逼近度,但如果冷却塔采用定逼近度控制则将同时增加冷却泵和冷却塔的能耗,其控制策略需要更深的考虑。

4 结论

在采用离心机组的系统中,冷却水系统侧实施变频控制所能获得的节能效果与压缩机特性曲线、是否变频、冷却塔特性、冷却水系统设计、建筑物类型、气候特点等因素密切相关,因此不能采用固定的系统控制模式而应根据实际需要而单独设计、实施与调试,否则达不到所期望的节能效果,甚至适得其反。另外还会衍生出系统和设备的结垢速度加快等问题,提高了运行维护成本,需要在评估过程中加以考虑。

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[13]曾振威.节能不能因小失大 [J].暖通空调,2002,32(4):32-33[14]AHRI,1997 GUIDELINE for Fouling Factors:A Survey of Their Application in Today′s Air Conditioning And Refrigeration

①顿汉布什(烟台)工业有限公司DCLC水冷离心机组

②McQuay Centrifugal chiller fundaments

③Johnson Controls,离心式冷水机组YK系列

④Carrier 19XR封闭型离心式冷水机组

⑤Trane,Centrifugalwater chillersA Trane Air Conditioning Clinic

⑥Hitachi,日立离心式冷水机组HC-FC系列

⑦Marley,Cooling Tower information index

⑧Continuing Education and Development.Inc,Heat Rejection Options in HVAC Systems