关于一次泵变流量系统的设计ξ

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第7卷　第6期　　　　制冷与空调2007年12月REFRIGERATIONANDAIR-CONDITIONING47251一次泵变流量系统的设计X1)1)2)郝庆　张子平　穆丽慧1)2)(河北工程大学)(海南元正建筑设计咨询有限责任公司天津分公司)摘　要　一次泵变流量VPF(variableprimaryflow)系统是中央空调系统的最新布置形式,与一二次泵系统相比在初投资和运行费用上更具有优势。目前国内一些采用一次泵变流量系统的工程在运行中出现许多问题,本文从制冷机组的选择、旁通流量的设计、机组的启停控制、泵和机组的布置方式、一次泵变流量控制方式的选择、机房外的布置6个方面说明VPF的设计要点。关键词　VPF　设计　一二次泵系统　大流量小温差Thedesignofvariableprimaryflowsystem1)1)2)HaoQingZhangZipingMuLihui1)(HebeiEngineeringUniversity)2)(HainanYuanzhengArchitecturalDesign&ConsultationCo.,Ltd.)ABSTRACTVariableprimaryflowsystemisthenewestsystemofcenterair2conditioningsys2tems,whichhaslargeadvantagesinfirst2costandoperationalcostthanprimary/secondarysys2tems.ManydomesticengineeringapplyingVPFexistsmanyquestions.ThekeyofVPFdesignisadvisedfromsixsidesofchillerselection,bypassflowdesign,chillersequencing,pumpandchillerconfiguration,VPFcontrolmodesselectionandconfigurationoutsideplant.KEYWORDSVPF;design;primary/secondarysystems;lowtemperaturedifferenceandhighflow　　中央空调系统是根据最大冷/热负荷设计的。移除了自力式流量控制阀,一次泵变流量系统,压由于冷/热负荷受气候等因素影响经常变化,使中差变送器代替流量表,独立压力流量控制阀的使央空调系统大多数时间在部分负荷工况下运行,同用,风机盘管控制阀的发展(控制水泵频率的压差时由于风机盘管除污器未及时清理,风机盘管选型传送器从供回水干管上移到最不利环路上和将压不合适,风机盘管内空气的分布不均匀,末端使用力独立控制阀安装在风机盘管上),热回收机组8[1]的三通阀、管网的布置不合理等原因,使中央空调个发展阶段。一次泵变流量系统作为中央空调2个水系统绝大多数时间在大流量小温差下运行,水系统的最新布置方式,更好地解决了一二次泵系[1]造成系统运行费用的增加。因此提高中央空调统出现的问题,特别在初投资、运行费用方面具有[2]水系统的供/回水温差,降低空调运行成本,受到越突出优势。国内很多工程都采用了一次泵变流来越多的关注。随着空调机组自动控制技术的发量系统,但出现了系统运行不稳定、末端过冷或者展,空调机组蒸发器和冷凝器的流量已经允许在一过热、压差旁通控制阀长期关闭、变频器频率变化定范围内变化,一般为设计流量的30%～130%,范围过小等现象。这使得水泵变流量运行成为可能。中央空调水系1　一二次泵系统存在的问题统形式经历了一二次泵系统(一次泵定速,二次泵1)所有的一二次泵系统在一次网和二次网的定速),一二次泵系统(一次泵定速,二次泵变速),管接处都有一个汇合点,如图1上O点。当二次X收稿日期:2006209201　　　通讯作者:郝庆,Email:haoqing8866@yahoo.com.cn 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制　冷　与　空　调　　　　　　　　　　　　　　　　　第·48·7卷　泵流量大于一次泵流量时,一次网的供水和二次网速泵,添加了机组隔离阀,当机组关闭时,切断水的回水混合,进入末端的冷冻水温度升高,风机盘流。在机组蒸发器进口水管处安装有流量表监测管除热除湿能力下降,使风机盘管偏离原先的设计流量。一次变速泵调节整个末端水系统的流量,包工况,同时也增加了机组和水泵的能耗。括通过机组和末端风机盘管的水流量。旁通管可以安装在风机盘管的上游或者下游。旁通管上安装有控制阀,确保系统的末端水系统水流量在机组允许的最小流量之上。　　与一二次泵相比,VPF有如下特点:从初投资来看,减少了二次泵,另外一二次泵连接的配件、防振器、启动器、电线、控制器等的投资可以抵消一次泵的变频驱动和旁通管控制的费用,同时机房占地面积比一二次泵有所减少。从泵的能耗角度看,在满负荷时,一次泵变流图1　一二次泵系统量与一二次泵的能耗相差不大;在部分负荷下,一次泵变流量比一二次泵变流量消耗更少的能量。2)末端水系统在大流量小温差下运行是一二由于空调系统80%时间在部分负荷下运行,因而次泵系统普遍存在的一个问题。当末端冷冻水的[1]节省的能耗是相当可观的。但变流量运行会造回水温度低于设计的回水温度时就会发生这种情成机组能效的下降,机组变流量运行比定流量运行况。由于这种情况不仅在部分负荷下经常出现,满能耗将会增加,将抵消一部分泵节省的运行费用。负荷时这种情况也存在,因此会导致空调系统出现从运行角度来看,一次泵变流量已经能够解决如下问题:大流量小温差问题。①限制机组的负载量。在一二次泵系统中是3VPF系统的设计按照一次泵的大小和设计温差来选择机组的,因为VPF系统应能够维持蒸发器的水流速在机组一次泵是定速泵,机组的负载量由末端水系统供/允许的范围内;能够对没有稳定运行时的瞬变流量回水温差决定,在小温差下机组不会达到满载,只(瞬变流量是由于机组启动之前与它相连的隔离阀有末端水系统供/回水温差为设计温差时机组才会的开启或机组停机时隔离阀的关闭引起的液压效满载。果)进行操作,特别是在多个机组联合运行时。同②增大了水泵的运行费用。在5℃设计温差时一次泵应采用合适的控制方式,解决大流量小温时,若实际供/回水温差是4℃,在相同的负载下,差问题。下面介绍VPF系统设计要点。水泵泵送的水量将比设计的水泵泵送的水量增加3.1　制冷机组的选择25%,理论上泵将增加95%的能耗。3.1.1　选择蒸发器水流速范围较大的机组③管道和水泵不能满足水系统要求。由于系蒸发器水流速必须在机组允许的最小流速和统管网是按照泵的额定流量来选取的,在实际运行最大流速范围内才能保证机组正常工作。对最小中,由于低温差,系统水流量比设计流量偏大,系统流速限制是为了保证蒸发器有好的换热效果,并且阻力增大,系统水力不平衡,原有的管网将不能满能够执行稳定的控制。对最大流速限制是为了防[3]足水系统要求。止振动和管道的腐蚀。机组的蒸发器水流速范围2VPF的特点一般是0.915(0.4575)～3.355m/s。为了更大地在一二次泵系统中一次泵采用定速泵的目的节约运行费用,选择蒸发器最小水流量小于或等于是为了确保机组安全运行,为机组提供恒定的流机组的设计流量60%的机组。因为VPF的特点量。然而随着机组控制技术的发展,通过机组蒸发是降低泵的能耗,制冷机组的流量不能保持恒定,器和冷凝器的水流量为恒定流量不再是一个必要蒸发器最小水流速度越小,机组蒸发器就能够在一的条件。但对机组蒸发器和冷凝器最小水流量的个比较大的流量范围内运行。只有蒸发器水流量限制仍然是必要的。一次泵变流量去除了一次定降低到设计流量的50%的机组才具有节能潜力。 　第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　郝庆等:一次泵变流量系统的设计　　　　　　　　　　　　　　　　·49·3.1.2　选择单位时间内允许蒸发器水流量变化大于压差变送器在使用之前需要校核,安装位置有严的机组格的要求,且容易受外界的电磁干扰,因而有条件在VPF中,蒸发器水流量是经常变化的,特别最好考虑电磁流量计,尽管比较昂贵,但是它比其是在多个机组联合运行时,对没有稳定运行时的瞬他测定流量的方式更加准确,并无需保养,就是把变流量进行操作。机组允许蒸发器水流量的变化它安装在弯管或阀门附近也不会受影响。一般是设计流量的2%～50%。对于机组控制器3.2.2　旁通管位置的选择旁通管应尽量安装在水泵的附近,这样可减少允许流量的变化低于2%的机组,需要30min才能水路的压降,降低水泵的能耗。同时因为测量蒸发响应机组流量从设计流量降低到设计流量的器流量的仪表和旁通管上的控制阀必须接在同一50%,因而必须选择单位时间内允许蒸发器水流量个DDC面板上,如果旁通管安装在远离泵的位置,变化大的机组。对于冷冻水水温要求严格的空调那么流量表和控制阀就要接在不同的DDC上,这系统,如洁净空调、芯片制造车间,选择流量变化不样容易受到其他控制环路的影响。超过设计流量的10%的机组;对于冷冻水水温要3.2.3　旁通管上压差旁通控制阀的选择求不高的空调系统如舒适性空调,选择流量变化不安装在旁通管上的压差控制阀的作用是确保每[4]超过设计流量的30%的机组。一个正在运行的机组的蒸发器的水流速在机组制造3.1.3　选择通过蒸发器的水流压降相同的机组商要求的最小流速之上。VPF中使用压差旁通控制对于多台循环水泵并联为多台机组供水的中阀,在部分负荷下,由于蒸发器的水流量较小,在压央空调系统,如果选择不同大小和类型的机组,压差旁通控制阀两侧有很小的压降,此时压差旁通控降小的机组将会有更大的流速,同时会有更大的负制阀可能不能正常工作,始终处于关闭状态。压差载,不同的压降使系统不能稳定运行(见图2)。旁通控制阀两侧的压差由于安装位置的不同,会在一个大的范围内变化。如图2,A位置要求压差旁通控制阀有相对较高的运行压力,在B位置要求一个较低的运行压力。压差旁通控制阀应选择在水流速和阀门前后压差有一个线性关系的控制阀门。3.2.4　旁通管上压差旁通控制阀的控制压差旁通控制阀采用简单控制时不能响应蒸发器水流量的突然变化。例如,当许多风机盘管同时关闭时,末端二通阀同时也关闭,水流量将会突然变小,这时压差旁通控制阀如果不能快速反应,[5]机组就会在低温差或小流量下运行。如果压差图2VPF系统1旁通控制阀控制失败可能导致机组停机保护。此3.2　旁通流量的设计时可以通过缓慢关闭风机盘管上的阀门和分段关在VPF中,旁通管是为了维持机组流量在最闭风机盘管解决上述问题。不论旁通管安装在什小流量之上,因而旁通流量的设计尤为重要。么位置,控制阀必须对蒸发器水流量变化时能够很3.2.1　测定蒸发器流量的仪表的选择快地作出反应。选择能够直接交换数据的设备,避旁通管和流量表共同作用保证蒸发器水流量免通过其他控制器传递输入输出信号。在机组允许的最小流量之上。选择合适的流量测3.3　机组的启停控制量仪表,使之能够提供准确、不间断的流量数据。合适的机组启动次序有利于确保蒸发器水流准确获取蒸发器水流量是VPF得以成功实现的关速在机组允许的范围内运行。键。通过流量表测定蒸发器水流量对流量阀进行3.3.1　机组启动时的控制控制,但是水质问题、管道布置和仪表的精密程度在已启动的机组满载后再启动另一台机组。都会对其产生影响。解决的方法是在蒸发器进出VPF最简单的控制方法是监测蒸发器的出水温口处安装压差变送器,编写一个简单的代数式来控度,在启动另一台机组前使已经运行的机组尽量满制机组的最小流量阀,这种控制更加稳定,可以进载。只要机组能够维持设计的蒸发器出水温度,就行微小的调节,但水泵的能效会有小幅的增加。由没必要再启动另一台机组。当运行的机组不能提 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制　冷　与　空　调　　　　　　　　　　　　　　　　　第·50·7卷　供足够的冷量时,启动另一台机组。对于机组和水泵一一对应的空调系统如图3在多台机组联合运行的VPF系统中,最大的所示。当只有机组1运行时,如果系统冷负荷增风险是当一台机组启动时,系统流速有一个突然的大,需要启动机组2时,机组2及其对应的水泵不降低,流量从已经运行的机组流向刚刚启动的机会立刻打开,只有水泵出口压力超过了在它上面止[7]组。当一台或多于一台的机组正在运行时,另一台回阀的背压时才会打开。止回阀上的背压是由机组突然启动,那么通过运行的机组的流量将会突正在为已经运行的机组供水的泵决定的。这时候然减小。这是由于蒸发器水流量是由风机盘管处止回阀突然打开,就会引起正在运行的机组水流量理的负荷量决定的。启动一台机组不会增加流量,的急剧变化,机组提供的冷冻水温度会稍微增大,流量将会在已经启动的机组间重新分配,因此就会这在工业或工艺生产是不允许的。同时采用泵和导致已经开启的机组受刚刚开启机组的影响流量机组一一对应的布置形式会导致系统水力失衡,同[6]急剧变小。为了避免这种情况发生,可以把将时导致机组运行不稳定。要启动的机组的温度设定值调高,然后缓慢打开流量隔离阀。隔离阀的选取同旁通管控制阀的选取一样,应选择在流速和阀门前后压差之间有一个线性关系的隔离阀。缓慢地打开隔离阀能够减小水锤的发生。在隔离阀打开之前,可以同时采用给机组强加一个50%～60%需求来增大水泵的流量[2]或把机组冷冻水的设定温度提高1～3℃。3.3.2　机组关闭时的控制为了延长机组的使用寿命,应制定一个关闭机组的策略,使多台机组交替使用,当机组有适当的图3VPF系统2停机时间后才允许机组启动。在VPF中,通过测定机组负载时的电流RLA(runningloadamps)来　　对于不采用泵和机组一一对应的空调系统(图[3]控制机组的启停间隔。RLA%(实际RLA除以2),水泵是基于总流量、能效和初投资等因素选取设计RLA)反应了当前机组的运行状况。在多个的。这样泵的运行台数不一定要和机组的运行台相同机组的联合运行时,关闭机组的策略是目前正数相匹配。该系统允许2台水泵为3台机组供水,在运行机组的RLA%的和除以运行机组的数目减能够维持冷冻水供回水有较大的温差。2台泵可1。若结果小于正在运行机组期望的负载量,就关以为1台机组供水,允许机组在未启动另一台机组闭一台机组。例如,一个机房有3台相同的机组,时满负荷运行,泵的启停次序是独立的。这样使机每一台机组都在设计负载的60%下运行,如果关组运行更加稳定,提高了系统的能效。闭一台机组,那么其他两台机组就在设计负载的3.5　一次泵变流量控制方式的选择90%厦运行。如果希望保持机组在80%设计负载一次泵变流量控制主要包括压差控制和温差下运行,机组控制器就不能关闭一台机组,直到每控制2种方式。一台机组的负载降到50%时才能关闭。1)压差变流量控制是用变频器改变泵的流3.3.3　机组启停联合控制量,保持空调系统供/回水干管或者最不利环路两多台机组联合运行时,当增加一台机组时,蒸侧压差的稳定。它是目前工程设计中应用最多的发器出水温度达到设计温度将花费一定的时间,而一种方案,从泵的运行特性出发,充分发挥水泵效且在新启动的机组的出水温度达到设计温度之前,率,采用这种控制方式下的空调系统运行稳定。新启动的机组的出水和已经启动的机组的出水混由于只考虑到系统的管网特性,没有考虑系统合,降低了供水温度。因而最好的解决办法是依据的热力特性,不能反映系统负荷的变化,不能保证蒸发器回水温度和蒸发器的水流量等多个变量来室内温/湿度要求,节能效果不明显。运行稳定是决定是否需要再启动一台机组。这种控制方式最大的特点,然而随着水力平衡工具3.4　泵和机组的布置方式的选择的发展,现有的水力平衡手段特别是动态压差平衡冷冻水泵和机组的布置方式有多台泵水并联电动阀的出现已经能够保证系统稳定运行。这种为多台机组供水和机组与水泵一一对应2种。控制方式对泵的要求很高,要求泵的性能曲线陡 　第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　郝庆等:一次泵变流量系统的设计　　　　　　　　　　　　　　　　·51·峭,性能曲线平滑的效果不明显,而且找到一个符组。不是所有的中央空调机组都能应用在VPF系合系统管网特性的压差设定值比较困难。统中,应从机组最小流速、最大流速等方面选择合2)温差变流量控制是用变频器改变泵的流适的机组。多台机组运行时,还应考虑压降对系统量,保持空调系统供/回水温差稳定。从空调系统的影响。机组和水泵的布置方式选择多台泵并联热力特性出发,能够保证室内温/湿度要求,能够反为多台机组供水的泵和机组的布置方式。机组和映系统负荷的变化,供/回水温差可达到4.5℃以水泵的控制策略应由暖通设计人员制定。上,节能效果明显。2)二通电动阀是在VPF系统末端使用的控温差变流量控制以实测的温度作为控制参数,制设备,应选取阀前后压差和流速是线性关系的二温度易受周围环境温度的影响,因而测温元件的保通电动阀,还应考虑二通阀控制信号的持续性和滞温至关重要。同时由于建筑物有热惰性,这使得响后性。在VPF系统中要求机组、泵、空气处理机组应变流量操作需要一段时间,因此需要根据建筑物和风机盘管协调配合。选择缓慢动作的末端风机建筑结构的特点,建立合适的热惰性模型,得到合盘管控制阀,采用在一定时间间隔后分区关闭空气适的变流量操作间隔时间。处理器的控制策略,选择合适的水力平衡阀。3.6　机房外的布置3)在VPF系统中一次泵的变速控制方式是一个成功的VPF是整个空调系统共同作用的决定运行费用大小的关键,对于系统水力平衡合理结果。机组、泵、空气处理机组和风机盘管要求协的空调系统优先考虑温差控制。调配合。4)VPF有一定的应用场合,不是所有的中央1)风机盘管控制阀的选择空调系统都可采用,应在采用VPF前进行可行性由于阀门缓慢开启和关闭可以减缓系统水流量分析。VPF对机组能效一定有影响,会造成机组的波动,因此选择缓慢动作的末端风机盘管控制阀。能效的降低,应从水泵和机组的运行费用两方面考2)水力平衡阀的选用虑系统能耗。在一次泵变流量系统中阀门的要求比一二次泵的要求更严格。一次泵系统中泵的压头比一二参考文献次泵系统中二次泵的压头大20%～100%。一次[1]ThomasHDurkin.evolvingdesignofchillerplants.泵变流量要求控制阀门维持高压差,在控制阀门选ASHRAEJournal,2005,(11):40250.择上有一定的限制。[2]StevenTTaylor.Primary2onlyvs.primary-secondary水力平衡阀的流量特性的选择主要是针对末端variableflowsystems.ASHRAEJournal,2002,(2):252设备或被控系统的流量特性曲线而定。应选择末端29.装置的流量与水力平衡阀的开度成线性关系的水力[3]MICKSCHWEDLER.Variable2primary2flowsystems.平衡阀。一般情况下选择等百分比的水力平衡阀。Heating/Piping/Air2conditioningEngineering,2000,4VPF系统的应用场合(4):41244.当蒸发器水流量允许降低到至少设计流量的[4]MICKSCHWEDLER.Variableprimaryflowinchilled230%,操作人员熟悉变流量操作规程,系统允许供watersystems.Heating/Piping/Air2conditioningEngi2水温度在一定范围内波动时可以采用VPF系统。neering,2003,(3):37245.虽然VPF系统在初投资和运行费用等方面优[5]WilliamPBahnfleth,BPeyer.Varyingviewsonvari2于一二次泵系统,但在以下情况时不使用VPF:由able2primary2flow.CHILLEDWATERENGINEER2于VPF系统会使冷冻水温度有所波动,因而对于ING,2004,(3):55259.系统冷冻水要求很高,例如,洁净室、芯片制造车间[6]TERRYMOSES.Variable2primaryflow:importantlessons不使用VPF。对末端使用了三通阀的场合不能使learned.Heating/Piping/Air2conditioningengineering,2004,用VPF,因为三通阀使末端在定流量下运行。对(6):40243.现有的测控设备陈旧不精密的系统进行改造不适[7]GilAvery.Selectingvalvesforvariableflowhydronic合应用VPF,因为VPF需要复杂的控制才能实systems.ASHRAEJournal,2005,(9):12216.现,陈旧的测控设备不能满足要求。[8]　王寒栋.空调冷冻水泵变频控制方式分析与比较.5　结　论制冷空调与电力机械,2004,(1):16220.1)VPF得以实现首先是要选择合适的空调机