一次泵变流量系统旁通控制模拟分析

刘庆东 徐新华 车轮飞 刘 俊



一次泵变流量系统旁通控制模拟分析

刘庆东1徐新华1车轮飞2刘 俊2

（1.华中科技大学建筑环境与能源应用工程系 武汉 430074；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

分析了一次泵变流量空调系统旁通控制的方法及特点，并根据某项目空调水系统实际布置与配置，搭建模拟平台，进行水系统管网模拟。模拟分析了在变流量系统中水泵采用压差变频控制时，压差旁通控制和最小流量旁通控制的控制效果。结果表明，在采用压差旁通控制时，需要设置水泵变频运行的最低频率，但是实际工程运行工况多变，固定的最低运行频率难以满足多工况情况下制冷机最低限流量需求，控制程序设计也复杂。最小流量旁通控制直接以系统流量作为控制参数进行旁通阀门的开启调节控制，简单、方便。采用水泵压差变频控制+压差旁通控制与水泵压差变频控制+最小流量旁通控制的能耗基本一样。建议在一次泵变流量系统中设置流量传感器直接采用最小流量旁通控制。

一次泵变流量系统；水泵变频控制；最小流量旁通控制；压差旁通控制

0 引言

随着世界能源形势越发严峻，建筑能耗不断增加，中央空调系统的节能改造工作日趋重要。工程实践证明，导致集中空调系统电耗高的主要原因是我国大型建筑空调冷水系统多为定流量系统，系统运行中普遍存在“大流量，小温差”的问题，由此造成冷冻水泵扬程过大、电耗过高。在过去的几十年中，由于技术的进步，变速装置的成本大大降低，这使得变速泵在空调系统中的广泛应用成为可 能[1-3]。

空调系统一次泵变流量系统的工作原理：一方面是在负荷侧通过调节电动两通调节阀的开度改变流经末端设备的冷水流量，以适应末端用户空调负荷的变化；另一方面是在冷源侧采用可变流量的冷水机组和变频冷冻水泵，使蒸发器侧流量随负荷侧流量的变化而变化，从而最大限度地降低冷水泵的能耗[4-6]。一般来说，制冷机蒸发器存在一个最低限流量，一般为蒸发器额定流量的50%，当制冷机蒸发器流量小于其最低限流量时，制冷机就会进行自保护而停止工作[7]。在一次泵变流量系统运行过程中，当系统负荷减小，水泵流量减小接近蒸发器最低限流量时，通常需要设置旁通，打开旁通阀减小系统阻力，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低流量要求[8]。

本文以某实际工程的空调一次泵变流量水系统为对象，通过建立该系统的模拟模型，采用压差旁通控制方法及最小流量旁通控制方法对该系统进行模拟，进一步分析这两种方法在一次泵变流量系统中的控制效果并给出在实际工程中的应用建议。

1 变流量系统旁通控制分析

在中央空调的设计中，设计人员一般是根据建筑所需的最大负荷来选择相应容量的设备，然而对于大部分建筑而言，空调系统大部分时间都在部分负荷下运行，此时采用水泵变频调节技术会较好地满足末端用户的冷量需求同时也可以节约水泵能耗[9]。

一次泵变流量系统常用的水泵变频方法有温差控制法和压差控制法，由于简单可靠的特点，压差变频控制方法得到了广泛的应用[10,11]。本研究采用分集水定压差控制法调节水泵的频率。在一天的运行过程中，当末端盘管所需流量增大时，末端盘管回水管上的二通控制阀开度增大，在水泵不变速条件下，环路的压差会减小。此时水泵的控制器感知压力变化与设定值比较产生输出信号增大冷冻水泵运行频率，加大流量与扬程，环路的压差自然升高，从而保证末端有足够的水量可取。同样，当末端盘管所需流量减小时，末端盘管回水管上的二通控制阀阀门开度减小，在水泵不变速条件下，环路的压差会增大。此时水泵的控制器感知压力变化与设定值比较产生输出信号改变变频器的频率，从而减小冷冻水泵运行频率，环路的压差减小，达到预设的设定值。

在变流量水系统中（通常是指水泵变频运行），当末端阀门不断关小或关闭时，系统阻力加大，水泵流量减小，当系统流量减小至蒸发器最低限流量时，此时需要打开旁通阀减小系统阻力，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低流量要求。目前在实际工程当中常见的是压差旁通控制，而这个旁通压差值如何设定，一直是工程领域关心的一个热点与难点。

由于压差旁通设定值难以确定，也有采用直接测量一次泵水系统流量的方法来进行旁通控制。其控制方法是在制冷机与集水器或分水器之间设置流量传感器，以系统流量作为变量进行旁通阀门的开度控制，当系统流量降低至接近蒸发器的最低限流量时，旁通阀开启，减小系统阻力，提高系统流量，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低流量要求。

2 系统描述

空调冷冻水系统如图1所示。冷冻水系统设有2台螺杆式冷水机，蒸发器额定流量为92m3/h，冷凝器额定流量为110m3/h。设置2台冷冻水泵，选取的水泵参数为单台额定流量101m3/h，扬程32.7mH2O，额定功率22kW。该空调系统末端有四大用户，即A用户、B用户、C用户、D用户。空调冷冻水系统用户侧通过分水器、集水器以并联方式连接。A用户、B用户末端为组合式空调器。C用户为多台风机盘管。D用户为多台小型空调柜机。

该空调系统的水泵、冷水机组和D用户的小型空调柜24小时不间断运行，A用户、B用户和C用户每天早上6时开启，晚上24时停运，每日运行18个小时。A、B、D三大用户空调器采用风水一体化控制进行末端水量及风量的协调控制。因为本系统设计选型偏大，实际的现场调研表明在系统最大负荷时也只需要开启1台制冷机和1台冷冻水泵，仅考虑在1台制冷机及1台水泵运行时，不同控制方法在变流量系统的控制效果。

图1 中央空调冷冻水系统示意图

3 系统模拟平台

Flowmaster为一维工程流体管路系统仿真软件，内置的一维流体动力系统解算器和流体系统仿真软件包，可对流体管路系统进行完整分析，并能对稳态、瞬态过程进行模拟。Flowmaster自带的组件库涵盖了目前流体系统所需的绝大多数标准组件，每个流体系统都由不同的流体元件构成，如泵、阀门、管路、末端设备等。在系统建模的过程中，可以直接调用软件中的组件，再通过节点连接，从而完成空调水系统模型的建立。

图2 一次泵变流量冷冻水系统控制模型图

该空调一次泵冷冻水系统的控制模型如图2所示。管网建模时采用阻力件替代冷水机组等空调设备。一次泵变流量系统中，水泵变频控制通过在分水器及集水器上设置压差测点，将压差测量值输入到控制器中以进行水泵频率调节。压差旁通控制也是通过分集水器的压差测量值作为压差旁通控制器的输入以控制旁通阀门的开度。最小流量旁通控制是通过在冷冻水总供水干管设置流量测点作为最小流量控制器的输入以控制旁通阀门的开度。本系统设计选型明显偏大，实际的现场调研表明在系统最大负荷时也只需要开启1台制冷机及1台冷冻水泵。在本研究进行模拟分析时，以一机一泵方式进行模拟分析。

4 水泵压差变频控制+压差旁通控制模拟结果与分析

在变流量水系统中，当末端进行调节（阀门关小或关闭）时，系统阻力加大，水泵流量减小，当系统流量过小时通常需要设置旁通保证蒸发器的流量不小于最低流量要求。目前常用的旁通控制方法为定压差旁通控制，具体是在冷冻水系统的分水器和集水器上设置压差传感器，以分集水器间压差作为压差旁通控制器的输入，并与设定压差值比较产生输出，调节旁通阀门开度进行流量旁通，并维持分集水器间压差恒定。

水泵压差变频控制+压差旁通控制作用原理是当系统运行流量较大时压差旁通阀处于关闭状态，水泵通过变频调节维持分集水器压差恒定，以保证末端有足够的资用压力获取需要的流量。当系统所需流量降低，相应水泵频率降低至最低频率（最低频率需要根据系统的流量值而定），此时水泵频率不再降低，压差旁通控制器通过调节旁通阀门开度来维持分集水器压差恒定，并旁通一部分流量使蒸发器流量不低于其最低限流量。

在该控制中涉及到两个压差设定值，一个是水泵压差变频控制时的满足末端流量的压差设定值，一个是旁通压差控制时的满足蒸发器最低限流量的压差设定值。这两个压差值如何设定，一直是变流量控制系统一个难点。在实际工程中，一次泵变流量系统的压差旁通设定值通常按照选型水泵扬程的一半考虑。本研究选取15mH2O作为水泵压差变频控制和压差旁通控制的设定值。选取典型设计日的末端空调设备所需流量作为末端流量控制器的输入流量，模拟分析该变流量系统压差旁通控制效果。

图3 压差旁通控制水泵频率、扬程、压差设定值与压差控制模拟值（15 mH2O）

水泵压差变频控制+压差旁通控制时，水泵频率、扬程、分集水器压差设定值与压差控制模拟值如图3所示。通过对系统不同工况的测试分析，为避免系统运行过程中系统流量低于蒸发器最低限流量，水泵的最低频率应设为37Hz。结果显示，压差控制模拟值和压差设定值（15mH2O）基本一致。在白天（6:00—24:00），系统四个支路全开，水泵频率为38Hz～42Hz之间；在夜间（0:00—6:00），只有C支路运行，水泵以最低频率37Hz运行。

图4 压差旁通控制系统流量分配图（15 mH2O）

系统流量分配如图4所示。在白天（6:00—24:00），四大支路均开启，系统总流量为60～85m3/h，38～42Hz之间，高于最低频率设定的37Hz，压差旁通控制不作用，旁通阀门关闭。在夜间（0:00—6:00），只有C支路运行，此时水泵以最低频率37Hz运行，旁通阀门开启，此时的旁通流量为40m3/h左右，系统流量为49m3/h。制冷机组的额定流量为92m3/h，制冷机组所需最低限流量一般为制冷机组额定流量的二分之一，即46m3/h，此时系统流量能够满足制冷机组最低限流量的需求，符合制冷机稳定运行要求。水泵一天的运行功耗为198kWh。

从模拟结果中的末端阀门开度来看，在压差设定值定为15mH2O时，水泵变频运行的频率仍然很高，水泵的能耗虽然有所降低，但是并未达到最佳的节能效果。根据运行结果分析，可以选取11mH2O作为压差设定值进行系统运行。此时水泵的最低频率设为33Hz。

图5 压差旁通控制水泵频率、扬程、分集水器压差设定值与压差控制模拟值（11 mH2O）

图6 压差旁通控制系统流量分配图（11 mH2O）

按照上述参数进行水泵压差变频控制+压差旁通控制时，水泵频率、扬程、分集水器压差设定值与压差控制模拟值如图5所示。在白天（6:00—24:00），系统四个支路全开，水泵频率为33～35Hz之间；在夜间（0:00—6:00），水泵以最低频率33Hz运行。系统流量分配如图6所示。白天系统总流量为50～82m3/h之间，压差旁通阀门关闭。在夜间，只有C支路运行，水泵以最低频率33Hz运行，旁通阀门开启，此时旁通流量为44m3/h左右，系统流量为53m3/h，此时系统流量能够满足制冷机组安全运行流量需求。水泵一天的运行功耗为147kWh。可以看出水泵变频控制的压差值可以通过进一步优化来节约能耗，实际工程中的压差设定值需要经过多次调试进行优化。

一次泵变流量系统的压差设定值一方面控制水泵变频运行满足末端流量需求（旁通阀关闭），另一方面是在水泵以最低频率运行时，进行压差旁通控制满足制冷机组安全运行最低限流量需求。在选定压差设定值后，为了满足制冷机蒸发器最低限流量的需求，需要确定水泵的最低频率。如果最低频率选择不当则会造成系统流量过小，影响冷水机组的安全运行。在这种控制方式下，由于根据压差设定值及控制的实际压差值无法直接系统的流量到底是多少，所以需要通过不同工况的测试才能设定最小频率。不同的控制压差值，最小频率也不一样。虽然通过多工况的测试，可以设定给定压差下的最低频率值，但运行工况多变，难以适应多工况情况。

5 水泵压差变频控制+最小流量旁通控制结果与分析

水泵压差变频控制+最小流量旁通控制，一方面是利用分集水器的压差进行水泵变频控制满足末端流量需求，另一方面采用最小流量旁通控制以满足制冷机蒸发器最低限流量要求。具体是在冷冻水供回水干管（在制冷机与分水器之间的供水干管上或在制冷机与集水器之间的回水干管）设置流量传感器，以系统流量作为旁通阀门控制器的输入，当实测的流量小于设定流量时（可按照最小流量额定值的1.05倍设定），水泵频率不再降低，旁通阀开启，减小系统阻力，提高系统流量，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低限流量。

为与第4节的水泵压差变频控制+压差旁通控制的控制效果进行比较，水泵压差变频控制+最小流量旁通控制中，分集水器定压差控制的压差控制值同样取11mH2O，最低限流量设定值为48m3/h。水泵频率、扬程、分集水器压差设定值与压差控制模拟值如图7所示。结果显示，分集水器压差控制模拟值和压差设定值（11mH2O）完全一致。在白天（6:00—24:00），系统四个支路全开，水泵频率为33～37Hz；在夜间，只有C支路运行，水泵频率降为32.5Hz左右，此时水泵的频率控制满足末端流量需求，分集水器之间的旁通控制满足最低限流量需求。空调水系统流量分配如图8所示。白天系统需求流量高于制冷主机最低限流量值，旁通阀门关闭，系统总流量为55～85m3/h之间。在夜间，只有C支路运行，此时旁通阀门开启调节，旁通流量为39m3/h左右，系统总流量稳定在48m3/h左右，满足制冷机组最低限流量（46m3/h）需求。水泵一天的运行功耗为149kWh，与水泵压差变频控制+压差旁通控制的能耗基本一样。

图7 最小流量旁通控制水泵频率、扬程、分集水器压差设定值与模拟值

图8 最小流量旁通控制系统流量分配图

综合比较水泵压差变频控制+压差旁通控制与水泵压差变频控制+最小流量旁通控制，两种方法需要以分集水器压差作为水泵变频调节的控制参数，进行PID控制以满足末端流量需求。区别在于水泵压差变频控制+压差旁通控制是用水泵变频调节的压差设定值作为压差旁通控制参数，虽然压差旁通控制可以通过多工况测试来确定水泵的最低运行频率（不同的压差设定值，最低运行高频率也不同），但是实际工程运行工况多变，固定的最小运行频率难以满足多工况情况的制冷机最低限制流量需求，控制程序设计也复杂。在水泵压差变频控制+最小流量旁通控制中，旁通控制器是直接以系统流量作为控制参数进行旁通阀门的开启调节，简单、方便、明了。

6 结论

本文根据某一空调系统末端采用流量调节、水泵采用变频运行实际情况，搭建模拟平台，进行水系统管网水力特性模拟分析。比较分析了水泵压差变频控制+压差旁通控制和水泵压差变频控制+最小流量旁通控制的控制效果。结果表明，两种方法都需要以分集水器压差作为水泵变频调节的控制参数，进行控制以满足末端流量需求。区别在于水泵压差变频控制+压差旁通控制是用水泵变频调节的压差设定值作为压差旁通控制参数，虽然压差旁通控制可以通过多工况测试来确定水泵的最低运行频率（不同的压差设定值，最低运行频率也不同），但是实际工程运行工况多变，固定的最小运行频率难以满足多工况情况的制冷机最低限制流量需求，控制程序设计也复杂。在水泵压差变频控制+最小流量旁通控制中，旁通控制器是直接以系统流量作为控制参数进行旁通阀门的开启调节，简单、方便。在水泵采用变频控制的空调水系统中，无论是压差旁通控制还是最小流量控制水泵能耗基本一样。建议在一次泵变流量系统中设置流量传感器直接采用最小流量旁通控制。

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Simulation and Analysis of Bypass Control in Primary-pumping Variable Water System

Liu Qindong1Xu Xinhua1Che Lunfei2Liu Jun2

( 1.School of Environment Science & Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074;2 China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

This paper analyzes the method and characteristics of bypass control of primary-pumping variable water system. The simulation platform of a real primary-pumping variable water system was developed according to its actual arrangement and configuration. The characteristics of the variable water system pipe network were simulated with pressure differential bypass control and minimum flow bypass control. The results show that a minimum frequency of the pump needs to be set when using pressure differential bypass control. However, the actual operation conditions vary significantly, and it is very difficult to set a fixed minimum operation frequency for meeting the minimum flow requirement of chiller evaporator under multiple conditions. In addition, the control design is also complicated. Minimum flow bypass control uses directly the measured system flow to control the bypass valve automatically. This control is simple, convenient. The energy consumptions by using pump frequency control+ pressure differential bypass control and using pump frequency control+minimum flow bypass control are almost the same. We suggest to use the minimum flow bypass control in primary-pumping variable flow system.

Primary-pumping variable water system; Pump frequency control; Minimum flow bypass control; Pressure differential bypass control

TU83

A

国家自然科学基金（51678263）

刘庆东（1993-），男，在读硕士研究生，E-mail：liuqingdong@hust.edu.cn

徐新华（1972-），男，教授，E-mail：bexhxu@hust.edu.cn

2017-11-23

1671-6612（2018）05-464-0