CN1869532A - 一种集中供冷系统的自动化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中供冷系统的自动化控制方法，包括由冷水机组、变频泵、冷冻水管网、以及末端空调机组组成的循环供冷系统，所述控制方法是指将循环供冷系统分解为多个独立的控制环路，每一控制环路内设定一个主要的控制变量和调整变量，通过调整变量调节控制变量的变化，不同环路之间的控制变量和调整变量互为扰动变量。该自动化控制方法为集中供冷站的全自动化控制提供了系统地解决方案，可通过本发明将冷水机、变频泵、调节阀等关键设备的控制相对独立开来，将彼此之间的影响当作扰动量处理，使控制目标明确，系统运行稳定，进而达到节能和降低运营成本的目的。

Description

一种集中供冷系统的自动化控制方法

技术领域

本发明涉及集中供冷系统的自动化控制领域，具体涉及一种集中供冷系统的自动化控制方法，包括变频泵的变频调节方法、调节阀的开度调节方法和冷水机组的群控方法。

背景技术

集中供冷系统是于集中冷站处集中制冷，然后通过泵和冷冻水管网将集中制冷负荷实时送达到各末端，实现对远端大区域大空间环境温度的自动化控制。其控制难点主要有：

1、每个集中供冷站要控制冷水机组、变频泵等智能设备多套，末端组合空调多台，要求调控的过程变量很多，属于多变量调节系统，关联因素多，无法精确建立控制模型。

2、冷冻水传输距离远，系统的时延长，很难实现实时控制。

3、在控制过程中，一次泵的流量要尽可能与冷水机的运行效率相匹配、二次泵的流量要实时跟踪末端组合空调的需求量、多台末端组合空调流量在调节过程中也存在互相干扰，使变频泵、调节阀等流量调节设备必须兼顾多流量的调节与匹配，按常规控制会经常在最小值和最大值之间来回跳变，系统很不稳定，容易振荡。

4、由于受季节、室外环境温度和末端人流量变化等因素的影响，末端组合空调对冷冻水流量的需求会出现较大差异的变化，若使用定速泵的话，则必然不能响应末端对冷负荷的需求变化，从而造成能耗浪费，增大运营成本。

因此，需要使用变频泵来适应末端对冷负荷需求减小或增加的变化，快速减小或增大变频泵的运行频率，进而对冷冻水的输送流量进行快速动态的调整，提高集中供冷系统的快速响应能力，既解决冷冻水远程传输时的流量匹配问题，又较定速泵节能，节约运营成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种集中供冷系统的自动化控制方法，通过系统解耦，将集中供冷系统分解为多个独立的控制环路，通过冷水机组的群控、变频泵的变频调节方法、调节阀的开度调节方法等，使系统中各控制对象与控制变量既相对独立，又相互依存，以消除各扰动变量对变频泵调节压差时和调节阀调节环境温度时造成的影响，进而精确控制冷冻水管网压差和环境温度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集中供冷系统的自动化控制方法，包括由冷水机组、变频泵、冷冻水管网、以及末端空调机组组成的循环供冷系统，所述控制方法是指将循环供冷系统分解为多个独立的控制环路，每一控制环路内设定一个主要的控制变量和调整变量，通过调整变量调节控制变量的变化，不同环路之间的控制变量和调整变量互为扰动变量。

按照主元分析法的思想，将上述循环供冷系统中的诸多控制对象与过程控制参数分解为如下三个控制环路：

a)内环——以末端空调机组及其调节阀作为最内环，环境温度作为控制变量，调节阀开度作为调整变量；

b)中环——以变频泵和冷冻水管网作为中间环，冷冻水管网压差作为控制变量，变频泵的运行频率作为调整变量；

c)外环——以冷水机组作为最外环，冷水机的输出冷负荷作为控制变量，结合冷水机的运行效率曲线进行冷水机群控，实现冷水机运行台数的控制和冷冻水出水温度的再设定。

上述冷水机为冷负荷Q的提供者，变频泵和冷冻水管网为冷负荷Q的传递者，末端空调机为冷负荷Q的消耗者，其中流经调节阀的冷负荷Q与调节阀的开度ψ、介质流经调节阀时的压差ΔP、温差ΔT三者的乘积成正比，即：Q＝K*ψ*ΔP*ΔT，其中：Q为流经末端调节阀的冷负荷，K为常数，ψ为调节阀的开度，ΔT为冷冻水流经风机盘管或组合空调时的进/出口温差，ΔP为冷冻水流经调节阀时的压差。通过串级调节中的内环来消除ΔT变化对系统的影响，将冷冻水温差ΔT的影响作为扰动变量，将冷冻水管网的压差ΔP稳定控制在工艺要求的某个值，使末端调节阀的冷负荷线性跟踪调节阀的开度ψ。

上述集中供冷系统中冷冻水管网的末端设有旁通调节阀，当所有末端空调机所需冷冻水总流量小于冷水机组的输出总量时，开启旁通调节阀进入调节状态，实现小流量的泄流，使各环路的流量匹配。

在整个末端冷负荷的调节过程中，调节阀的开度ψ只是一个中间过程变量，但调节阀的开度ψ直接影响对末端环境温度控制的响应速度，影响冷负荷的跟随特性。因此，本发明将调节阀的开度ψ当成最内环的主元控制因素，通过对调节阀的控制来实现。针对调节阀的开度控制为非线性的随动控制的特点，在系统稳定运行时，其调节阀的开度值是不确定的。

因此，本系统的内环控制采用具有自适应控制的双PID抗扰动调节方式，包括以下步骤：(a)实时采集车站环境温度作为第一PID调节器的反馈输入，与实际控制要求的车站环境温度值进行比较，通过第一PID调节器消除对车站环境温度控制的偏差；(b)按照实际环境温度与给定环境温度的变化趋势预测分析调节阀的开度调整方向，对调节阀的开度值进行动态修正；(c)将修正后的开度值作用于第二PID调节器，与调节阀的反馈开度进行比较，通过第二PID调节器消除给定开度与实际运行开度的偏差，实现对调节阀开度ψ的稳定控制。

在上述调节阀开度的调节过程中，根据步骤(a)对调节阀开度及室外环境温度扰动变量对冷负荷的调节，获得符合工艺要求的车站环境温度；根据步骤(b)中实际温度与给定温度的变化趋势修正调节阀的动态给定开度；根据步骤(c)对给定开度自适应调整后，使调节阀实际开度既变化，又能有规律地稳定在某个值附近，获得调节阀的稳定运行。

集中供冷系统的整个冷冻水管网系统可以看成一个密闭容器，在冷冻水管网系统中冷水机的开启台数、冷冻水泵的流量大小、调节阀的开度调整等均会影响压差ΔP。因此，本方案将压差ΔP当成中间环的主控制变量，通过对变频泵的运行频率调整来实现。针对变频泵的运行频率控制为非线性的随动控制系统，在系统稳定运行时，其变频泵的运行频率值是不确定的。

因此，本系统的中环控制采用具有自适应控制的双PID抗扰动调节方式，包括以下步骤：(a)实时收集变频泵出口和末端冷冻水管网的供/回水压差，作为第一PID调节器的反馈输入，与实际操作给定的各具体支管压差进行比较，通过第一PID调节器消除实际管路压差与给定压差的偏差；(b)按照实际压差相对于给定压差的变化趋势预测分析变频泵的运行频率调整方向，对变频泵的运行频率进行动态修正；(c)将修正后的给定频率作用于第二PID调节器，与变频泵的反馈频率进行比较，通过第二PID调节器消除给定频率与实际运行频率的偏差，实现对变频泵运行频率的稳定控制。

在上述变频泵的变频调节过程中，根据步骤(a)对变频泵的运行频率及调节阀开度扰动变量对变频泵流量进行调节，获得符合工艺要求的压差；根据步骤(b)中实际压差与给定压差的变化趋势修正变频泵的动态给定运行频率；根据步骤(c)对结合实际给定运行频率自适应调整后，使变频泵的运行频率既变化，又能有规律地稳定在某个值附近，获得变频泵的稳定运行。

集中供冷系统正常运行时整个冷冻水管网系统是一个大的贮能系统，对末端冷负荷需求变化时有较好的缓冲作用，但从长时间运行来分析，系统的贮能应尽可能与末端冷负荷的需求同步，最好是实现对末端冷负荷需求的跟踪控制。即系统开机时贮能要适当，使冷负荷跟踪控制的响应时间尽可能短；在正常运行时，当末端冷负荷需求发生较大变化时，应对冷水机的冷冻水输出温度进行修正，使冷负荷跟踪控制的响应速度快，提前对系统的冷负荷产出量进行控制，解决冷冻水传输大惯性与长延时控制难题。

本系统外环中冷水机输出冷负荷的调节方法包括以下步骤：(a)在系统开机时利用室外环境温度预测当天的冷负荷变化范围，确定当天冷负荷的基准点，使系统开机的过渡过程中系统贮冷量适当；(b)系统正常运行时，利用调节阀开度的变化和冷冻水管网压差的变化，预测冷负荷的变化趋势，对冷水机的冷冻水输出温度进行修正；(c)提前控制系统的冷负荷产出量，使冷负荷跟踪控制的响应速度明显加快，解决冷冻水传输大惯性与长延时控制难题

在上述冷水机输出冷负荷的调节过程中，根据步骤(a)预测当天冷负荷控制的基准点；根据步骤(b)预测正常运行时冷负荷控制的变化趋势；根据步骤(c)利用对冷负荷的预测值提前对冷水机的制冷量输出进行调节，获得较好的系统响应速度。

本发明的有益效果在于：

1)为集中供冷站的全自动化控制提供了系统地解决方案，可通过本发明将冷水机、变频泵、调节阀等关键设备的控制相对独立开来，将彼此之间的影响当作扰动量处理，使控制目标明确，系统运行稳定。

2)可通过本发明建立起集中供冷变频泵的双PID抗扰动自动调节系统，利用该双PID抗扰动自动调节系统能精确控制冷冻水管网压差，使其稳定在工艺要求的某个值附近，进而达到节能和降低运营成本的目的，可应用到地下轨道车站集中供冷系统或多楼层小区的集中供冷系统中。

3)可通过本发明建立起集中供冷调节阀的双PID抗扰动自动调节系统，利用该双PID抗扰动自动调节系统能精确控制环境温度，使其稳定在工艺要求的某个值附近，进而达到节能和降低运营成本的目的，可应用到地下轨道车站集中供冷系统和所有使用组合空调作末端的空调系统中。

附图说明

图1为本发明所述集中供冷系统的三环结构图；

图2为本发明所述调节阀的控制流程框图；

图3为本发明所述变频泵的控制流程框图；

图4为本发明所述冷水机组的控制流程框图。

具体实施方式

如图1所示，将整个冷站的空调供水系统分解为一个三环调节系统，按照主元分析法的思想，将系统中的诸多控制对象与过程控制参数分解开来考虑，使冷水机群控、变频泵控制、调节阀控制既相对独立，又互相依存，控制目标明确。具体描述如下：

1、控制对象与控制变量解耦

1)以末端空调机及其调节阀的控制作为内环，以环境温度作为控制变量，调节阀开度作为调整变量，其他例如：冷冻水温度、车站客流量、冷冻水压差等作为扰动变量；

2)以变频泵和冷冻水管网的控制作为中间环，以冷冻水管网压差作为控制变量，变频泵的运行频率作为调整变量，其他例如：调节阀的开度、冷冻水温度、环境温度等作为扰动变量；

3)以冷水机组的群控作为最外环，以冷负荷作为控制变量，结合冷水机的运行效率曲线进行冷水机群控，实现冷水机运行台数的控制和冷冻水出水温度的再设定，将其他因素作为扰动变量。

4)在冷冻水管网的末端设旁通调节阀，当所有末端空调所需冷冻水总流量较小时(小于冷水机组的输出总量)，开启旁通调节阀进入调节状态，实现小流量的泄流，使小流量时各个环节的流量匹配。

2、调节阀的控制

如图2所示，本发明所述集中供冷站调节阀的调节方法，首先将实时收集车站现场环境温度T_f，作为第一个PID调节器的反馈输入，与实际操作给定的车站环境温度T_g进行比较，通过PID调节器消除实际环境温度与给定环境温度T_g的偏差，实现对车站环境温度的精确控制。

将实际车站温度与给定车站温度T_g的变化趋势D_T(或变化率)作为第一个PID调节器的输出。当变化趋势D_T为正时，确定调节阀的开度向小的方向调整，反之则向大的方向调整。另外，根据变化率的值确定每次调整的步长和调整周期，据此确定调节阀的开度动态修正值，将开度给定值φ_g修正后的值作用于第二个PID调节器，与实际开度进行比较，通过PID调节器消除给定开度φ_g与实际开度的偏差，实现对调节阀的稳定控制。

3、变频泵的控制

如图3所示，本发明所述的集中供冷变频泵的变频调节方法，首先将实时收集变频泵出口和末端的供/回水压差ΔP_f，作为第一个PID调节器的反馈输入，与实际操作给定的各具体支管压差ΔP_g进行比较，通过PID调节来消除实际管路压差与给定压差ΔP_g的偏差，实现对管路压差的精确控制。

将实际压差与给定压差ΔP_g的变化趋势D_ΔP(或变化率)作为第一个PID调节器的输出。当变化趋势D_ΔP为正时，确定变频泵的频率向小的方向调整，反之则向大的方向调整。另外，根据变化率的值确定每次调整的步长和调整周期，据此确定变频泵运行频率的动态修正值，将给定运行频率F_g修正后的值作用于第二个PID调节器，与实际运行频率进行比较，通过PID调节器消除给定运行频率F_g与实际运行频率的偏差，实现对变频泵的稳定控制。

本发明应用于广州地铁二号线的集中供冷站系统中，全线四个集中冷站，各管路压差控制与变频泵运行频率控制均能按照实际工况的要求进行正常调节时，在满足末端压差控制的条件下，较定速泵综合节能为48.26％。

具体统计数据如下表：

序号	冷站	支管回路	设计压差	实际运行压差	运行频率平均值	泵节能百分比
							1	北部	火车站(ΔP-B01)	0.14MPa	0.14MPa±0.01MPa	32Hz	59.04％
2	越秀/纪念堂(ΔP-B02)	0.25MPa	0.25MPa±0.02MPa	34Hz	53.76％
						3	海珠		公园前(ΔP-H01)	0.2MPa	0.2MPa±0.02MPa	35Hz	51％
4	海珠	0.07MPa	0.07MPa±0.01MPa	35Hz	51％
						5		市二宫/江南西(ΔP-H02)	0.25MPa	0.25MPa±0.02MPa	30Hz	64％
6	鹭江	中大/晓港(ΔP-L01)	0.45MPa	0.45MPa±0.02MPa	42Hz								29.44％
						7	鹭江支管(ΔP-L02)	0.17MPa	0.17MPa±0.01MPa	45Hz	19％
8		客村/赤港(ΔP-L03)	0.4MPa	0.4MPa±0.02MPa	36Hz							48.16％
						9	赤沙	磨蝶沙(ΔP-C01)	0.20MPa	0.2MPa±0.02MPa	32Hz		59.04％
10	新港东/琶州(ΔP-C02)	0.35MPa	0.35MPa±0.02MPa	36Hz	48.16
						11			泵平均节能				48.26％

4、冷水机组的控制

正常运行时整个冷冻水管网系统是一个大的贮能系统，对末端冷负荷需求变化时有较好的缓冲作用，但从长时间运行来分析，系统的贮能应尽可能与末端冷负荷的需求同步，最好是实现对末端冷负荷需求的跟踪控制。即系统开机时贮能要适当，使冷负荷跟踪控制的响应时间尽可能短；在正常运行时，当末端冷负荷需求发生较大变化时，应对冷水机的冷冻水输出温度进行修正，使冷负荷跟踪控制的响应速度快，提前对系统的冷负荷产出量进行控制。即：

系统在开机时利用室外环境温度预测当天的冷负荷变化范围，确定当天冷负荷的基准点，使系统开机的过渡过程中系统贮冷量适当。正常运行时，利用调节阀开度变化和管网压差变化，预测冷负荷的变化趋势，对冷水机的冷冻水输出温度进行修正。

根据冷负荷的预测值大小，结合冷水机组的运行效率曲线对冷水机组进行群控，确定冷水机的运行台数和冷冻水的输出温度值，提前对系统的冷负荷产出量进行控制，使冷负荷跟踪控制的响应速度明显加快，解决冷冻水传输大惯性与长延时控制问题。

如图4所示，本发明所述集中供冷系统的冷水机群控方法，首先在开机时利用室外环境温度T_外预测当天的冷负荷变化范围，确定当天冷负荷的基准点，将实时采集的车站末端管网系统的车站流量F_Q、供水温度T_供以及回水温度T_回作为末端冷负荷的反馈Q_f，与实际操作给定的冷负荷Q_g进行比较。调节阀开度变化率、管网压差变化率等与室外环境温度T_外也进行比较。然后，将上述两项的比较结果输出至负荷预测单元，由负荷预测单元预测冷负荷的变化趋势，并通过冷水机控制器对冷水机的冷冻水输出温度提前进行修正，使冷负荷跟踪控制的响应速度快，提前对系统的冷负荷产出量进行控制，解决了冷冻水传输惯性大与延时长的控制问题。

Claims (11)

1.一种集中供冷系统的自动化控制方法，包括由冷水机组、变频泵、冷冻水管网、以及末端空调机组组成的循环供冷系统，其特征在于，所述控制方法是指将循环供冷系统分解为多个独立的控制环路，每一控制环路内设定一个主要的控制变量和调整变量，通过调整变量调节控制变量的变化，不同环路之间的控制变量和调整变量互为扰动变量。

2.根据权利要求1所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，按照控制对象与过程控制参数之间的相互关联性，将所述循环供冷系统分解为如下三个控制环路：

a)内环——以末端空调机组及其调节阀作为最内环，环境温度作为控制变量，调节阀开度作为调整变量；

b)中环——以变频泵和冷冻水管网作为中间环，冷冻水管网压差作为控制变量，变频泵的运行频率作为调整变量；

c)外环——以冷水机组作为最外环，冷水机的输出冷负荷作为控制变量，结合冷水机的运行效率曲线进行冷水机群控，实现冷水机运行台数的控制和冷冻水出水温度的再设定。

3.根据权利要求2所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述冷水机为冷负荷Q的提供者，变频泵和冷冻水管网为冷负荷Q的传递者，末端空调机为冷负荷Q的消耗者，其中流经调节阀的冷负荷Q与调节阀的开度ψ、介质流经调节阀时的压差ΔP、温差ΔT三者的乘积成正比，即：Q＝K*ψ*ΔP*ΔT

其中：Q为流经末端调节阀的冷负荷，K为常数，ψ为调节阀的开度，ΔT为冷冻水流经风机盘管或组合空调时的进/出口温差，ΔP为冷冻水流经调节阀时的压差。

4.根据权利要求3所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，将冷冻水温差ΔT的影响作为扰动变量，将冷冻水管网的压差ΔP稳定控制在工艺要求的某个值，使末端调节阀的冷负荷线性跟踪调节阀的开度ψ。

5.根据权利要求1所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述集中供冷系统中冷冻水管网的末端设有旁通调节阀，当所有末端空调机所需冷冻水总流量小于冷水机组的输出总量时，开启旁通调节阀进入调节状态，实现小流量的泄流，使各环路的流量匹配。

6.根据权利要求2或3所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述内环中的调节阀开度ψ采用双PID抗扰动调节方式，包括以下步骤：

a)实时采集车站环境温度作为第一PID调节器的反馈输入，与实际控制要求的车站环境温度值进行比较，通过第一PID调节器消除对车站环境温度控制的偏差；

b)按照实际环境温度与给定环境温度的变化趋势预测分析调节阀的开度调整方向，对调节阀的开度值进行动态修正；

c)将修正后的开度值作用于第二PID调节器，与调节阀的反馈开度进行比较，通过第二PID调节器消除给定开度与实际运行开度的偏差，实现对调节阀开度ψ的稳定控制。

7.根据权利要求6所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述调节阀开度的调节过程中，根据步骤a)对调节阀开度及室外环境温度扰动变量对冷负荷的调节，获得符合工艺要求的车站环境温度；根据步骤b)中实际温度与给定温度的变化趋势修正调节阀的动态给定开度；根据步骤c)对给定开度自适应调整后，使调节阀实际开度既变化，又能有规律地稳定在某个值附近，获得调节阀的稳定运行。

8.根据权利要求2或3所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述中环中的冷冻水管网压差ΔP采用双PID抗扰动调节方式，包括以下步骤：

a)实时收集变频泵出口和末端冷冻水管网的供/回水压差，作为第一PID调节器的反馈输入，与实际操作给定的各具体支管压差进行比较，通过第一PID调节器消除实际管路压差与给定压差的偏差；

b)按照实际压差相对于给定压差的变化趋势预测分析变频泵的运行频率调整方向，对变频泵的运行频率进行动态修正；

c)将修正后的给定频率作用于第二PID调节器，与变频泵的反馈频率进行比较，通过第二PID调节器消除给定频率与实际运行频率的偏差，实现对变频泵运行频率的稳定控制。

9.根据权利要求8所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述变频泵的变频调节过程中，根据步骤a)对变频泵的运行频率及调节阀开度扰动变量对变频泵流量进行调节，获得符合工艺要求的压差；根据步骤b)中实际压差与给定压差的变化趋势修正变频泵的动态给定运行频率；根据步骤c)对结合实际给定运行频率自适应调整后，使变频泵的运行频率既变化，又能有规律地稳定在某个值附近，获得变频泵的稳定运行。

10.根据权利要求2或3所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述外环中冷水机输出冷负荷的调节方法包括以下步骤：

a)在系统开机时利用室外环境温度预测当天的冷负荷变化范围，确定当天冷负荷的基准点，使系统开机的过渡过程中系统贮冷量适当；

b)系统正常运行时，利用调节阀开度的变化和冷冻水管网压差的变化，预测冷负荷的变化趋势，对冷水机的冷冻水输出温度进行修正；

c)提前控制系统的冷负荷产出量，使冷负荷跟踪控制的响应速度明显加快，解决冷冻水传输大惯性与长延时控制难题

11.根据权利要求10所述的集中供冷系统的自动化控制方法，其特征在于，所述外环中冷水机输出冷负荷的调节过程中，根据步骤a)预测当天冷负荷控制的基准点；根据步骤b)预测正常运行时冷负荷控制的变化趋势；根据步骤c)利用对冷负荷的预测值提前对冷水机的制冷量输出进行调节，获得较好的系统响应速度。

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