譚小衛(wèi)，劉文浩，劉桂雄，黃 堅(jiān)

（1.新菱空調(diào)（佛岡）有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511675；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

TBVMC的冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制方法

譚小衛(wèi)1，劉文浩2，劉桂雄2，黃 堅(jiān)2

（1.新菱空調(diào)（佛岡）有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511675；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

該文提出一種冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制方法，首先在溫度邊值測(cè)量約束（TBVMC）模型基礎(chǔ)上，理論分析水泵轉(zhuǎn)速與水量、揚(yáng)程、功率與調(diào)速比的關(guān)系，提出冷卻塔性能優(yōu)化方法；其次，分別研究水泵、風(fēng)機(jī)變頻控制機(jī)理，提出基于定溫差的水泵、風(fēng)機(jī)頻率控制方法，實(shí)現(xiàn)冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制；最后，為CEF-370A不銹鋼逆流冷卻塔搭建測(cè)量與執(zhí)行模塊，驗(yàn)證優(yōu)化控制效果。結(jié)果表明：在各個(gè)測(cè)試溫差下，頻率擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差在±2.4%以內(nèi)。

冷卻塔；溫度邊值測(cè)量約束；熱力性能；優(yōu)化控制

0 引 言

冷卻塔是循環(huán)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，作為主要末端冷卻裝置，在工廠、空調(diào)系統(tǒng)、能源生產(chǎn)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。冷卻塔熱力性能的優(yōu)化控制是提高工業(yè)能源利用率的重要途徑，香港理工大學(xué)F.W.Yu等[2]在實(shí)現(xiàn)冷卻塔熱力性能監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，將風(fēng)機(jī)和水泵轉(zhuǎn)速調(diào)整為冷卻塔部分負(fù)載的線性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)冷卻塔性能提升1.4%～16.1%的優(yōu)化控制；王靜等[3]基于遺傳算法的PID控制器開(kāi)發(fā)了一套冷卻塔控制系統(tǒng)，能準(zhǔn)確控制冷卻塔熱力性能參數(shù)；楊露露等[4]對(duì)影響冷卻塔的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，得出不同負(fù)荷和室外溫濕度變化下的最佳控制策略；趙恒鑫等[5]理論分析了冷卻水在不同工況下存在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)，保證系統(tǒng)持續(xù)低能耗運(yùn)行。本文在團(tuán)隊(duì)前期的溫度邊值測(cè)量約束（TBVMC）熱力性能評(píng)估方法基礎(chǔ)上[6]，研究冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制方法。

1 基于TBVMC的冷卻塔性能優(yōu)化方法

濕式冷卻塔的熱力性能計(jì)算涉及冷卻塔環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)，那么需要通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)采集模塊對(duì)冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)水量mw、進(jìn)風(fēng)量ma、進(jìn)水溫度Twi、出水溫度Two、出風(fēng)溫度Tao等運(yùn)行參數(shù)和大氣壓力P0、濕球溫度Twb、進(jìn)風(fēng)干球溫度Tai等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而確定水溫邊值為T(mén)wi、Two，氣溫邊值為T(mén)ai、Tao。

一般來(lái)說(shuō)，兩點(diǎn)邊值問(wèn)題中微分方程需要采用自適應(yīng)步長(zhǎng)控制的Runge-Kutta算法積分，算法比較復(fù)雜，考慮到冷卻塔穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)輸出功率近似恒定，可認(rèn)為其內(nèi)部空氣流場(chǎng)均勻，可作以下簡(jiǎn)化：將填料高度Lfi進(jìn)行N等分，則填料區(qū)水溫變化量ΔTw=（Twi－Two）/N，氣溫變化量 ΔTa=（Tao－Tai）/N，那么兩者近似滿足線性關(guān)系，即ΔTa=λΔTw，又冷卻塔穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水量mw、進(jìn)風(fēng)量ma近似恒定，則溫度邊值測(cè)量約束（TBVMC）模型[6]為

水泵變頻調(diào)速是降低冷卻塔能耗的重要途徑。根據(jù)相似定律，水泵轉(zhuǎn)速與水量L、揚(yáng)程H、功率N與調(diào)速比k具有以下關(guān)系：

對(duì)任意一款冷卻塔，假設(shè)額定負(fù)荷下溫差為ΔT0，實(shí)際溫差為ΔT，額定末端總阻抗為s，水泵H-L曲線與管網(wǎng)特性曲線相交獲得的擬合額定流量為L(zhǎng)0，冷卻塔水泵變頻調(diào)速后的性能曲線方程為

水泵、風(fēng)機(jī)變頻比k與實(shí)時(shí)溫差之間的關(guān)系可表述為

由分析知基于溫差控制的冷卻塔變頻比只與揚(yáng)程-流量擬合曲線系數(shù)a0、a1、a2，額定末端總阻抗s、擬合額定流量L0、額定溫差ΔT0有關(guān)，而對(duì)于指定冷卻塔，這些參數(shù)都是已知的，可通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行初始設(shè)定。

根據(jù)式（3），監(jiān)測(cè)冷卻塔進(jìn)、出水溫度測(cè)量值Twi、Two，只需再根據(jù)式（2），即可輸出對(duì)應(yīng)變頻信號(hào)。

2 水泵、風(fēng)機(jī)變頻控制機(jī)理

執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊是直接控制冷卻塔能耗及高效運(yùn)行的執(zhí)行單元，主要由冷卻塔水泵、風(fēng)機(jī)、變頻器等組成[7]。

2.1 水泵變頻控制機(jī)理

以CEF-370A不銹鋼逆流冷卻塔為例，該冷卻塔采用上海凱泉泵業(yè)公司生產(chǎn)的型號(hào)為KQL200/185-18.5/4的水泵。通過(guò)實(shí)際測(cè)試并結(jié)合廠家提供的數(shù)據(jù)，表1給出了泵的性能參數(shù)。

表1 KQL200/185-18.5/4型冷卻水泵性能參數(shù)表

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，其擬合曲線如圖1所示。

圖1 KQL200/185-18.5/4型水泵性能擬合曲線

額定轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程H、效率η、功率N-流量的擬合公式為

由該相似定律，結(jié)合式（1）可得水泵變頻調(diào)速后的性能曲線方程：

圖2為幾種頻率下的水泵流量擬合曲線。

2.2 基于定溫差的水泵變頻控制

圖2 不同頻率下水泵流量擬合曲線

末端冷卻塔冷負(fù)荷P、建筑冷負(fù)荷Q與冷卻水流量L、進(jìn)出水溫Twi、Two之間的關(guān)系為

式中機(jī)組能效COP基本保持穩(wěn)定，若采取定溫差控制時(shí)，即（Twi-Two）不變，那么冷卻水流量與負(fù)荷等比變化[2]。

設(shè)冷卻塔額定冷負(fù)荷P0為

其中 L0、ΔT0分別為額定負(fù)荷下的額定流量和溫差。

某時(shí)刻冷負(fù)荷降低，由于流量變化具有滯后性，冷負(fù)荷降低剛開(kāi)始表現(xiàn)為溫差的降低Δt，變化后的冷負(fù)荷可表示為

由于控制采用定溫差控制，需調(diào)整流量以保持定溫差，冷負(fù)荷也可表示為

根據(jù)冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)，冷卻塔額定冷負(fù)荷下，進(jìn)、出水溫度分別為37℃、32℃，即額定溫差為5℃。那么不同溫差減少量Δt對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷降低比如表2所示。

由于冷卻塔額定工況下流量為370.0m3/h，通過(guò)曲線擬合得到的流量值為376.6m3/h，進(jìn)而找出流量L與溫差ΔT之間的線性關(guān)系，如表3所示。

表2 冷負(fù)荷降低比ε隨溫差減少量Δt的變化表

表3 流量L隨溫差ΔT的變化表

擬合流量L與溫差ΔT之間的線性關(guān)系可表示為

定溫差控制時(shí)，可近似認(rèn)為末端阻抗值不變，整個(gè)系統(tǒng)阻抗恒定，管網(wǎng)特性曲線方程為

聯(lián)合式（1）、式（7）、式（8），可得：

水泵的變頻控制就可根據(jù)式（3）、式（10）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 基于定溫差的風(fēng)機(jī)變頻控制

本文目的是研究部分冷負(fù)荷下，冷卻塔的最優(yōu)節(jié)能效果，因此在研究冷卻水變流量節(jié)能時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)選擇變頻運(yùn)行。

表4給出了電機(jī)變頻比與轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、功率、節(jié)電率等之間的關(guān)系?？梢?jiàn)，若風(fēng)機(jī)、水泵采用同樣變頻比，風(fēng)量與水量增加比例一致，而在冷卻塔設(shè)計(jì)中，風(fēng)量和水量是按一定的配比設(shè)計(jì)，所以，當(dāng)冷卻塔進(jìn)出水溫差變化時(shí)，風(fēng)機(jī)與水泵可采用一致的變頻比控制。

表4 電機(jī)變頻與轉(zhuǎn)速、風(fēng)量等之間關(guān)系

前面得到的只是水泵輸出功率，要得到水泵總功率還需要考慮電機(jī)效率ηm及變頻器效率ηVFD。ηm和ηVFD均可表示為關(guān)于水泵調(diào)速比的函數(shù)：

圖3 不同調(diào)速比下電機(jī)及變頻器效率圖

表5 不同調(diào)速比k下電機(jī)及變頻器效率

不同調(diào)速比下電機(jī)及變頻器效率如圖3所示，部分變速比下水泵電機(jī)及變頻器的效率見(jiàn)表5。分析可得，當(dāng)k＜0.4時(shí)，ηVFD下降明顯，而k＞0.5時(shí)，ηm與ηVFD較為理想。為實(shí)現(xiàn)水泵高效運(yùn)行，變頻調(diào)速比應(yīng)保持在0.5以上。

表6 不同冷卻塔負(fù)荷下頻率、功率、節(jié)能率

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以CEF-370A不銹鋼逆流冷卻塔驗(yàn)證優(yōu)化控制效果，在冷卻塔運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，測(cè)量運(yùn)行過(guò)程冷卻塔的進(jìn)出水溫度、電機(jī)頻率、風(fēng)機(jī)功率、水泵功率；并在不同溫差下，采用本文方法控制水泵、風(fēng)機(jī)頻率。

表6為不同負(fù)荷下冷卻水系統(tǒng)頻率、功率、節(jié)能率數(shù)據(jù)。設(shè)末端阻抗值不變，可以看出，在各個(gè)測(cè)試溫差下，頻率擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差在±2.4%范圍內(nèi)。當(dāng)水溫溫差從4.8℃下降為3℃過(guò)程中，節(jié)能率從15.5%增大到78.2%，優(yōu)化控制節(jié)能效果佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在TBVMC模型基礎(chǔ)上，分別分析水泵、風(fēng)機(jī)變頻控制機(jī)理，并提出基于定溫差的水泵、風(fēng)機(jī)頻率控制方法，實(shí)現(xiàn)冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制。以逆流冷卻塔驗(yàn)證優(yōu)化控制效果，在各個(gè)測(cè)試溫差下，頻率擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差在±2.4%以內(nèi)。

[1]GROBBELAAR P J，REUTER H C R，BERTRAND T P. Performance characteristics of a trickle fill in cross and counter-flow configuration in a wet-cooling tower[J]. Applied Thermal Engineering，2013，50（1）：475-484.

[2]YU F W，CHAN K T.Optimization of water-cooled chiller system with load-based speed control[J].Applied Energy，2008，85（10）：931-950.

[3]王靜，李木國(guó)，劉于之，等.模擬冷卻塔計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012（9）：2405-2406.

[4]楊露露，盧軍，唐紅琴，等.空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略[J].暖通空調(diào)，2013（4）：97-99.

[5]趙恒鑫.變風(fēng)量空調(diào)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

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（編輯：徐柳）

A TBVMC based thermal performance optimization control method for cooling tower

TAN Xiaowei1，LIU Wenhao2，LIU Guixiong2，HUANG Jian2
（1.SINRO（Fogang）Air-conditioning&Cooling Equipment Co.，Ltd.，Qingyuan 511675，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

First of all，theoretical analysis was conducted on the relation among pump speed，flowrate，head of delivery，power，and speed ratio.A boundary constraint value by measurement temperature（TBVMC）thermal performance optimization model was established.Secondly，the control mechanism ofpump and fan variable frequency were researched respectively.A temperature basedcooling towerthermalperformance optimization controlmethod wasproposed.Finally the measurement and execution module for CEF-370A stainless steel cooling tower was set up to verify the optimal control effect.The results show that the relative deviation between frequency fitting value and measured value is less than±2.4%in each test temperature difference.

cooling tower；TBVMC；thermal performance；optimization control

A

：1674-5124（2017）01-0112-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.023

2016-10-15；

：2016-11-29

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B091500061）

譚小衛(wèi)（1971-），女，澳門(mén)人，高級(jí)工程師，主要從事智能測(cè)量與節(jié)能控制技術(shù)。