冷冻水一次泵变频调速系统控制要求

01 / 引言

空调水的变一次流量控制系统（VPF：Variable-Primary-Flow，也称为：冷冻水一次泵变频调速控制系统）配置变频调速冷冻水泵，可以对冷冻水流量进行调节。虽然在负荷侧都是变水量控制，但变频调速的一次侧控制和传统固定转速的一次泵系统不同，它比传统方式控制要求高得多。本文结合某大型建筑的变一次流量控制工程方案，对这种解决方案进行讨论。

这里所讨论的某大型建筑冷冻水系统共有3台等容量离心式冷冻机组，单台容量500冷吨。变一次流量的空调冷冻水系统的控制方案和冷冻机组设备的选型、布局密切相关，为了实现预定的控制目标，对于相关设备的技术要素应提出一定的要求，总而言之就是对系统设计方案作优化。这是建筑设计和楼宇自控系统设计者应该承担的责任。

02 / 冷冻机组监控方案

按照该建筑空调冷冻水系统的设备配置，其监测、控制系统可以分为几个方面，下面分别描述如下：

1 对所有设备工况的监测和控制

1）冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的一般监控内容

监测运行状态、故障状态和手/自动状；累计运行时间，统计运行次数；BAS能够对这些设备进行启停控制。

2）冷冻水泵的变频调速控制

监测供、回水总管之间某最不利负荷处的压力差值；以上述压力差值作为过程变量对冷冻水泵进行变频调速控制。

3）冷却塔风机的控制

监测冷却塔供、回水总管温度；以冷却塔供水温度设定值为目标，对冷却塔风机进行变频调速控制。

4）电动蝶阀监控内容

相应的连锁开关控制。

5）控制系统还应该监测

冷冻水供、回水总管温度；冷冻水供水总管流量；

6）对冷冻机组设置数据通讯接口

通过该接口在BAS和冷冻机组之间传送(或接收)下列冷冻机的工艺参数：

主机运行状态

主机故障报警状态(能够以编码方式代表多种故障信息)

主机负荷水平绝对值或百分率，或者主机电流或电流百分率

当前供水温度设定值

蒸发器进水和出水温度实测值

冷凝器进水和出水温度实测值

蒸发器(冷冻)水流量实测值

蒸发器冷媒管路压力测量值

冷凝器(冷却)水流量实测值

本次运行时间和累计运行时间

累计启动次数

润滑油温度和供给水平

接收BAS给出的冷冻水供水温度再设定值 接受BAS发出的启停控制命令

经过通讯使控制系统获得相应的关键工况参数，是优选的方案。但是BAS和冷冻机主机可以交换哪些数据，还需要视冷冻机的牌子、型号和规格来定，故有必要对冷冻机主机的控制器作进一步的了解，对可以传送的信号进行确认。以上列举的参数，是BAS完成控制所需要的参数，并不意味着任何冷冻机主机都会提供这些工艺参数。所以从系统构成及系统集成的要求看，BAS的监测点必须对数据通讯得到的参数作添平补齐。

特别因为本系统是变一次流量控制，对蒸发器管路水流量的监测等是必不可少的，需要高度重视。同样，对于可以经过通讯取得的参数，BAS不必配置监测元件，以避免重复设置监测点，造成浪费。

2 冷冻机组的启动和停止连锁控制

主机的启停与相关设备的连锁控制是保障设备正常、安全运转的重要条件。

1）连锁启动顺序

冷却水塔风机→冷却水塔电动蝶阀→冷冻机的冷凝器电动蝶阀→冷却水泵→冷凝器水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机蒸发器电动蝶阀→冷冻水泵→冷冻水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机主机

2）连锁停止顺序

冷冻机→（延时数分钟，视设备要求和工况判定延时时间）→冷冻水泵→蒸发器水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机的蒸发器电动蝶阀→冷却水泵→冷凝器水流开关信号指示(作为连锁条件的返回信号)→冷冻机的冷凝器电动蝶阀→冷却水塔电动蝶阀→冷却水塔风机

动态启停控制需要特别注意的方面： 电动蝶阀打开或者关闭的全行程时间大约在30秒以上，在启、停切换过程中，应尽可能避免共用总管所引起的串水现象。本系统采用变频调速水泵，如果电动阀门的开度和水泵的水量以及冷冻机的启动能够得到适当的协同控制，将可能较好地克服这一问题。这种同步控制和连锁控制的时间间隔等需要在投运调试时按一定的调试方法确定。在实现这种精细化控制以前，这种有限时间段内的串水现象，一般也是可以容忍的。

3 冷冻机组的变一次水量控制

为了节约能源，根据冷源系统总负荷水平进行冷水机组运行台数的控制，目的是使运行的冷冻机台数能够满足系统负荷的需要，并使开出的冷冻机尽可能在其效率最高的工况区运行。下面结合变频调速控制冷冻水泵，对这种控制方案作概要性介绍。

运行台数控制的优化策略是 ：首先，控制系统冷冻水的供应量(总流量)始终保持在刚好满足系统负荷要求的水平，并确保系统供回总管之间最不利负荷处的压力差稳定于某个预设定值，这一点需要靠高品质的变频调速控制冷冻水泵来完成；其次，根据系统负荷量和当前冷机的供应能力的差值，决定下一次启或停的时机，原则是应该选择能够满足负荷需要、并且最接近系统需求值的工作方式。这一个控制的关键在于调试中找出最佳的启停切换点；还有就是运行台数控制的程序中，应该使冷冻机处于最佳工作效率点周围。冷冻机的工作效率分布曲线由供货厂商提供。

系统配置不同容量冷机，可以降低台数控制中系统负荷能力变化的台阶，使运行能力更接近系统需求，有更好的节能效果。但对控制的要求比并列等容量机组复杂得多。现在采用全部变频调速冷冻水泵以后，系统供水流量(供冷能力)可以连续地根据负荷需要调节，所以没有必要配置不同规格容量的并列机组。

传统的一次泵系统，仅在负荷侧作变流量控制，而在冷源一次侧是恒定流量(冷冻水泵固定转速)，两者之间的流量差值和系统压力，靠压差旁通控制来平衡，在正常运转时旁通管内不可避免会有旁通水流，就是说全速运转的冷冻水泵有一部分作功消耗于旁通循环中，同时水泵扬程所产生的供回总管之间的较高压力，使大量的水流动能消耗在克服管路阻力上。空调冷冻水系统的变一次流量(冷冻水泵变频调速)控制系统最有价值的作用，就是避免大部分无谓的旁通水流量，并能够维持较低的系统压力，从而大大地降低水泵的功耗。

变一次流量控制的一般方法： 以系统供回总管之间的最不利条件点(一般应选在供回总管的远端)处的设计压差作为控制预设定值，以该点压差测量值作为PID调节的过程变量，以变频调速冷冻水泵作为控制系统的执行机构，对冷冻水供水进行调节控制，控制目标是使过程变量趋近于预设定值；当冷冻水的系统负荷流量大于一台冷冻机蒸发器最低许可流量值时，流量旁通控制阀门是关闭的；当只有一台机组在运行，且冷冻水的系统负荷流量低于一台冷冻机蒸发器最低许可流量值时，需要启动分、集水器之间的旁通流量控制，控制目标是使这台正在运转的冷冻机蒸发器的水流量大于等于最低许可流量值。这个旁通阀门和传统的压差旁通控制阀门不一样，可以把它称为低流量旁通控制阀。

确保冷冻机蒸发器最低水流量是一项非常重要的技术措施，否则有可能破坏冷冻机的正常工作状态，甚至损坏冷冻机。变一次流量控制的旁通控制实际上是专为这个保护而设置的。对变一次流量系统工作模式来说，这个旁通阀门不需要很大，它的流通能力只要保证大机组冷冻机蒸发器的最低水流量即可。但是，目前设计变一次流量系统，往往还要保留以传统模式(冷冻水泵全部恒定转速)工作的可能性，考虑到这一点，这个流量旁通阀门还可能担负传统压差旁通控制的作用，故其口径宜满足这样的需要。基于这一原因，本方案的旁通阀门，没有选择较小的流通能力。这种设计配置是为了加强冷冻水系统的容错能力，提高系统运转可靠性采取的必要措施。

控制逻辑应该保证： 任何时刻，确保运转冷冻机的蒸发器最低水流量(这个最低水流量载明在冷冻机的使用说明上)；并列运行机组同步变频调速控制是最常用的控制方式；启动冷冻机组的冷冻水泵宜采用软启动方式，以避免对水泵电机的大电流冲击；冷冻水调节控制从一台切换至另一台时应确保平滑无缝地过渡。

4 冷却水和冷却塔控制

对冷却水控制的基本要求是保证经过冷却塔处理的冷却水温度(即进入冷冻机冷凝器的冷却水温度，也可以称为冷却塔供水温度)符合冷冻机的要求，这个温度要求由冷冻机的使用说明书提供。

按冷却水供水温度进行冷却塔风机运转台数的控制，当冷却水供水水温高于要求值时加大风量(或增加冷却塔风机运行台数)，反之则减少风量，以便降低能耗。

对于多风机(或多转速)的冷却塔，如果在所有风机全开启(或者最高速)后，冷却水供水温度仍不能满足工艺要求，这时应通过BAS程序开启另外一台冷却塔来增加冷却效果。

所以冷却塔控制的必要条件是：对冷却塔供水温度的监测；对冷却塔风机和相应电动蝶阀的控制。

冷却水的变频调速控制，也是以节约能源为目标。当系统对冷冻水量的需求降低时，与之相应，对冷却水的需求也会减少。这种负荷变化反映在冷却水时，其表现是冷凝器出水温度比额定值低，冷却塔进水温度低了，可以减少冷却塔运转风机数量，与此同时还可以降低冷却水泵的运转水平，以节约冷却水泵耗电。

冷却水的变频调速和冷冻水的变频调速，在控制上没有直接逻辑关系，只有间接影响。但和蒸发器的最低水流量限制一样，冷凝器也有最低水流量限制，所以对冷却泵转速的调整，也有最低值限位的要求。

03 / 提高系统容错能力和可靠性的技术措施

空调冷冻水控制系统，包含冷源侧和负荷侧，涉及的设备多，控制复杂；空调装置的正常与否，直接影响建筑物设备的综合功能，关系重大。控制方案采用变一次流量，更有严格的技术要求。所以，控制系统设计应该具有提高系统容错能力和可靠性的技术措施。

1）除了主要工作模式以外，还考虑后备工作模式

系统的主要工作模式以变一次流量控制作为设计目标，同时也保留了以传统模式工作的可能性(作为备用模式)。在设备全部正常时，变频调速冷冻水泵闭环控制投运，系统作变一次流量控制；万一变频调速闭环控制不能投运时，系统也可非常方便地切换成传统工作模式，即冷冻水泵恒定转速，同时投入压差旁通控制，系统仍能正常运行，只是后者的节能效果比前者差。

为了实现这一后备运转能力，只需把低流量旁通阀门的规格仍选择为能够作压差旁通控制的规格。在相应控制器中设置这两种控制模式的程序，并使操作员能够作模式选择。由于两种工作模式在设备配置上差异不大，控制元件的配置和选择能满足这两种工况的需要。

2）系统运转可以不完全依赖BAS和冷冻机的通讯

前面已经介绍，冷却水供回水温度(即：冷凝器进出口温度)可以通过冷冻机的数据通讯获得，表面上似乎不必测量冷却水供、回总管的温度。其实不然，增加设置冷却水供、回总管的温度，可以使冷却水系统的监控不依赖于BAS和冷冻机的数据通讯，BAS照常能够进行冷却水供水温度控制，使系统运转的容错能力大为提高。所化代价不高，但带来的灵活性和可靠性是长期可以起作用的。不依赖BAS和冷冻机通讯时，系统只能以备用模式工作，且对冷冻机组的启停控制由人工操作。