曾賀湛，鐘如杰

（國家電投珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，珠海 519031）

1 引言

現(xiàn)如今，板式換熱器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種制冷站中，尤其在區(qū)域供冷能源站中，板式換熱器是不可或缺的換熱設(shè)備，中央空調(diào)系統(tǒng)的能效運(yùn)行情況很大程度上取決于板式換熱器系統(tǒng)的換熱效果［1-6］。對于區(qū)域集中供冷系統(tǒng)，冷凍水系統(tǒng)存在輸送距離遠(yuǎn)、熱容量大、惰性大、溫度反應(yīng)慢的特點(diǎn)，為此，本文建立了區(qū)域能源站用戶側(cè)板式換熱器系統(tǒng)的模型，對變頻泵、調(diào)節(jié)閥、板式換熱器、末端、控制器等設(shè)備進(jìn)行調(diào)試［7-10］。同時(shí)結(jié)合DeST軟件建立了區(qū)域能源站建筑末端負(fù)荷模型［11-12］，模擬了板換間運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，分別討論了不同負(fù)荷、調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)對板式換熱器一次側(cè)和二次側(cè)水溫的影響［13］。這對運(yùn)用到板式換熱器的實(shí)際工程運(yùn)行調(diào)節(jié)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 板式換熱器系統(tǒng)模型

2.1 水力計(jì)算模型

水力計(jì)算用于確定系統(tǒng)各設(shè)備的水力參數(shù)。根據(jù)上一時(shí)刻群控參數(shù)計(jì)算結(jié)果，控制器下發(fā)控制信號調(diào)節(jié)閥開度和泵頻率。閥開度和泵頻率的改變將影響系統(tǒng)的水力參數(shù)。本時(shí)刻以上一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及群控信號為輸入調(diào)節(jié)，進(jìn)行水力計(jì)算，得到本時(shí)刻系統(tǒng)的各狀態(tài)參數(shù)。一次側(cè)和二次側(cè)的水路相對獨(dú)立，可分別進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 一次側(cè)水力計(jì)算模型

一次側(cè)水力計(jì)算流程如圖1所示。以一次側(cè)總管壓差H0，一次側(cè)總管進(jìn)出口水溫作為輸入條件。此處，認(rèn)為H0已知且為定值。根據(jù)調(diào)節(jié)閥PID控制算法得到的控制信號，進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)調(diào)節(jié)閥兩端壓差為H1，調(diào)用調(diào)節(jié)閥水力計(jì)算模塊，可得通過調(diào)節(jié)閥的流量。由于調(diào)節(jié)閥與總管串聯(lián)，此時(shí)調(diào)節(jié)閥流量等于總管流量W。

在該假設(shè)條件下，利用求得的W，分別調(diào)用板換水力計(jì)算模塊（一次側(cè)）和管路水力計(jì)算模塊，可得板換一次側(cè)壓降H2及一次側(cè)管路壓降H3。將求得的H1、H2、H3之 和與總管壓差H0進(jìn)行比較，若兩者相等（或差值小于某一精度），則認(rèn)為假設(shè)的H1正確，以此求得總管流量W及各設(shè)備水力參數(shù)。若不等，則對H1重新進(jìn)行假設(shè)。經(jīng)反復(fù)迭代，直至H1收斂至真值，輸出總管流量和各設(shè)備水力參數(shù)。

2.1.2 二次側(cè)水力計(jì)算模型

二次側(cè)水力計(jì)算流程如圖2所示。以末端負(fù)荷，總管供回水溫度作為輸入條件，首先調(diào)用變頻泵PID控制算法，對變頻泵頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后調(diào)用末端水力計(jì)算模塊，求得總管壓差H0。

現(xiàn)假設(shè)二次側(cè)總管流量為W0，分別調(diào)用變頻泵水力計(jì)算模塊、板換水力計(jì)算模塊（二次側(cè)）、管路水力計(jì)算模塊和開關(guān)閥水力計(jì)算模塊，得到假設(shè)條件下變頻泵揚(yáng)程H1，板換壓降H2，管 路 壓 降H3和 開 關(guān) 閥 壓 降H4。比 較H1與H2+H3+H4+H0的大小，若兩者相等（或差值小于某一精度），則認(rèn)為假設(shè)成立，總管流量即為W0，以此求得各設(shè)備水力參數(shù)。若不等，則對W0重新進(jìn)行假設(shè)。經(jīng)反復(fù)迭代，直至W0收斂至真值，輸出二次側(cè)總管流量和各設(shè)備水力參數(shù)。

圖1 水力計(jì)算模塊（一次側(cè)）

圖2 水力計(jì)算模塊（二次側(cè)）

2.2 熱力計(jì)算模型

系統(tǒng)熱交換過程主要發(fā)生在板換和末端。板換冷、熱側(cè)流體進(jìn)行熱量交換，末端冷水經(jīng)冷負(fù)荷作用溫度升高。除此之外，還需考慮二次側(cè)熱慣性對末端進(jìn)水溫度的影響。二次側(cè)冷媒的溫度變化過程如下：二次側(cè)水經(jīng)末端換熱后溫度升高，流經(jīng)板換后溫度降低，再受熱慣性的影響，溫度升高，最終又送入末端。

系統(tǒng)熱力計(jì)算流程如所示圖3所示。以一次側(cè)、二次側(cè)總管流量（水力計(jì)算求得）、二次側(cè)回水溫度T2r以 及一次側(cè)供水溫度T1s為 輸入條件，調(diào)用板換熱力計(jì)算模塊，可輸出一次側(cè)回水溫度T1r和 二次側(cè)板換出水溫度T2o。 將T2o作為輸入?yún)?shù)，調(diào)用熱慣性計(jì)算模塊得到末端進(jìn)水溫度Tti。Tti作 為輸入?yún)?shù)，調(diào)用末端熱力計(jì)算模塊，得到下一時(shí)刻二次側(cè)回水溫度T2r。

圖3 熱力計(jì)算模塊

3 控制模型

3.1 變頻泵PID算法模塊

變頻泵的頻率調(diào)節(jié)通過PID算法模塊完成。調(diào)節(jié)過程如圖5所示。在每個(gè)時(shí)間步長中，控制器先讀取變頻泵的狀態(tài)，判斷其是否滿足調(diào)節(jié)條件。一般認(rèn)為變頻泵有4種狀態(tài)：開狀態(tài)、關(guān)狀態(tài)、開過程、關(guān)過程。僅泵處于開狀態(tài)時(shí)控制器才對變頻泵進(jìn)行頻率條件；在關(guān)狀態(tài)、開過程、關(guān)過程時(shí)不進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

圖5 變頻泵PID算法模塊

圖6 變頻泵PID參數(shù)計(jì)算

圖7 調(diào)節(jié)閥PID算法模塊

圖8 調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)計(jì)算

調(diào)節(jié)條件滿足時(shí)，控制器讀取二次側(cè)總管供回水溫差，通過自身控制策略，進(jìn)行PID參數(shù)計(jì)算，求得待調(diào)頻率。求得待調(diào)頻率后，控制器下發(fā)調(diào)節(jié)命令至變頻泵，變頻泵下一時(shí)刻運(yùn)行頻率根據(jù)本時(shí)刻控制信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

PID參數(shù)計(jì)算如圖6所示。輸入條件位總管溫差設(shè)定值Tset（ 5℃溫差），本時(shí)刻總管溫差Ti（ 熱力計(jì)算輸出），上一時(shí)刻總管溫差Ti-1及上上時(shí)刻總管溫差Ti-2，帶入計(jì)算模型中求得需要調(diào)節(jié)的頻率ΔHz。

3.2 調(diào)節(jié)閥PID算法模塊

調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)通過PID算法模塊完成。調(diào)節(jié)過程如圖7所示。在每個(gè)時(shí)間步長中，控制器先讀取調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)，再讀取二次側(cè)供水溫度T2s， 結(jié)合自身控制策略，進(jìn)行PID參數(shù)計(jì)算，求得待調(diào)開度ΔL。求得ΔL，控制器下發(fā)調(diào)節(jié)命令至調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥下一時(shí)刻運(yùn)行開度根據(jù)本時(shí)刻控制信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)計(jì)算如圖8所示。需要輸入總管供水溫度設(shè)定值Tset（ 7℃），本時(shí)刻總管供水溫度Ti， 上一時(shí)刻總管供水溫度Ti-1及上上時(shí)刻總管供水溫度Ti-2，帶入計(jì)算模型中求得需要調(diào)節(jié)的開度ΔL。

4 案例分析

4.1 用戶側(cè)板式換熱器系統(tǒng)簡介

（1）用戶側(cè)板式換熱器系統(tǒng)

系統(tǒng)由板換、調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥、變頻泵、末端及相關(guān)設(shè)備控制器組成。用戶側(cè)板式換熱器系統(tǒng)流程圖如圖9所示。根據(jù)板換間設(shè)計(jì)參數(shù)，單臺(tái)板換額定換熱量為2300 kW，一次側(cè)總管參數(shù)：供回水溫度4/11℃，流量848.6m3/h；二次側(cè)總管參數(shù)：供回水溫度7/12℃，流量1188m3/h；換熱方式為逆流換熱。水泵參數(shù)：功率P=30kW，流量Q=400 m3/h，揚(yáng)程H=18m。

調(diào)節(jié)閥控制器通過控制閥開度來調(diào)控板換二次側(cè)供水溫度。二次側(cè)供水溫度設(shè)定值為7℃。變頻泵控制器通過控制泵頻率來調(diào)控二次側(cè)供回水溫差。為降低系統(tǒng)復(fù)雜性，末端做相關(guān)簡化處理：認(rèn)為末端負(fù)荷等于末端換熱量。通過能量守恒求得末端回水溫度。

圖9 用戶側(cè)板式換熱器系統(tǒng)流程圖

圖10 測試負(fù)荷曲線

（2）測試負(fù)荷

測試負(fù)荷曲線如圖10所示，從8:00—8:30，負(fù)荷維持為100kW，當(dāng)時(shí)刻超過8:30，負(fù)荷迅速增加到2300kW，一直維持到9:00。

4.2 調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)對水溫的影響

（1）參數(shù)P

從圖11-14可以看出，當(dāng)P為0.1時(shí)，二次側(cè)出水溫度、調(diào)節(jié)閥開度、水泵流量、水泵頻率等參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間8:00-9:00波動(dòng)嚴(yán)重；當(dāng)P為0.05時(shí)，二次側(cè)出水溫度、調(diào)節(jié)閥開度、水泵流量、水泵頻率等參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間8:00-8:05輕微波動(dòng)的，隨后控制恢復(fù)穩(wěn)定，運(yùn)行正常；當(dāng)P為0.01時(shí)，二次側(cè)出水溫度、調(diào)節(jié)閥開度、水泵流量、水泵頻率等參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間8:00-9:00控制穩(wěn)定，運(yùn)行正常。

這說明，P值越大，系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏，但P值過大，會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，這里P值設(shè)為0.01比較合理。

圖11 參數(shù)P對二次側(cè)出水溫度的影響

圖12 參數(shù)P對調(diào)節(jié)閥開度的影響

圖13 參數(shù)P對水泵流量的影響

圖14 參數(shù)P對水泵頻率的影響

（2）參數(shù)I

從圖15-圖18可以看出，參數(shù)I主要用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，同樣I值過大會(huì)引起超調(diào)，因此，參數(shù)I值取0.05比較合理。

圖15 參數(shù)I對二次側(cè)出水溫度的影響

圖16 參數(shù)I對調(diào)節(jié)閥開度的影響

圖17 參數(shù)I對水泵流量的影響

圖18 參數(shù)I對水泵頻率的影響

（3）參數(shù)D

從圖19-圖24可以看出，適當(dāng)?shù)腄作用可使超調(diào)量減小。若P、I控制不理想，可考慮增加D；增加D后反而出現(xiàn)震蕩，因此D取0較為合理。

圖19 參數(shù)D對二次側(cè)出水溫度的影響

圖20 參數(shù)D對二次側(cè)出水溫度的影響

圖21 參數(shù)D對二次側(cè)出水溫度的影響

圖22 參數(shù)D對調(diào)節(jié)閥開度的影響

圖23 參數(shù)D對水泵流量的影響

圖24 參數(shù)D對水泵頻率的影響

5 結(jié)論

本文搭建了板換間仿真系統(tǒng)，對變頻泵、調(diào)節(jié)閥、板式換熱器、末端、控制器等設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。同時(shí)，對調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試。根據(jù)負(fù)荷分布，本文模擬了板換件運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，討論了不同調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)對板換二次側(cè)出水溫度、調(diào)節(jié)閥開度、水泵流量、水泵頻率的綜合影響。通過計(jì)算分析，主要結(jié)論如下：

（1）P增大使系統(tǒng)反應(yīng)更靈敏，但P過大會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)；P設(shè)0.01較為合適；

（2）I用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；但I(xiàn)過大會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)；I取0.05較為合理；

（3）適當(dāng)?shù)腄作用可使超調(diào)量減小。若PI控制不理想，可考慮增加D；增加D后反而出現(xiàn)震蕩，因此D取0較為合理。