中央制冷站（机场）中空调冷却塔系统优化控制策略

丁 力 陈立贤

（深圳市机场（集团）有限公司，广东 深圳 518000）

为了使机场的节能需求得到满足，在保证中央空调高效平稳运行的基础上，对机场水电消耗量进行高效控制。进行改造设计时，使用的主要技术形式有变频技术和PID智能控制技术，使机场中央空调冷却塔的水电消耗被控制到最低。

1 工程概况

某机场航站楼工程设计旅客流量为4500 万人次/年，该项目中的供冷方式为“电制冷+水蓄冷”，该机场的制冷供应规模如下：航站楼的供冷规模大概为45.1 万m2，配套区域的供冷规模大概为22.7 万m2。

制冷站中配置有10 台冷水机组，制冷站的总供冷规模大概为70.37MW，设置4 个单个蓄冷量为127MW·h 水蓄冷罐，10 组额定流量为1450m3/h、额定散热量为8383.7kW的冷却塔。

该制冷站分为A、B 共2 个子系统，其中供冷A 系统（6 套制冷机组）负责T3 航站楼的供冷，B 系统（4 套制冷机组）则负责配套区的供冷。2 套系统设计供、回水温度均为5.5℃、14℃。利用空调箱、风盘等装置处理冷冻水，并通过配套区建筑内换热器，完成相应区域供冷。

整个系统设计冷负荷约为98.4MW。软化水是冷却水系统的主要水源。冷却管网运行时以双管异程形式为主，使用常温机组以后，不再对冷却回路进行再次设置。

2 冷却系统原理

3 基于节能改造的中央空调冷却塔系统

3.1 冷却塔的PID 智能控制框架

节能是进行改造活动的终极目标，冷却塔风机控制温度时使用的主要方法有变频技术和PID 控制技术。例如控制器为多回路智能PID，温度采集装置为热电阻温度传感器，电机调速使用45kW 变频器，以高效完成电动阀和可控硅模块的流量调节。

改造前，使用传统控制法来管理阀门开启状态和启动塔风机数量，未将变频器包括在其中。控制系统在控制冷却塔时使用的装置有温度传感器、电动阀、变频器和多回路智能PID 控制器等。

3.2 机场中央空调冷却塔的硬件设计

在对冷却塔进行设计的过程中，硬件结构的具体情况如图1所示。

图1 硬件结构图

中央空调系统的冷却塔控制系统硬件的主要组成部分有变频器、高温保护、水位保护、温度传感器和多回路智能PID 控制器等。整个节能控制系统的核心硬件为多回路智能PID，高效控制整个冷却塔的节能控制系统，收集冷却塔的运行数据，并对数据进行分析处理。PT100传感器的作用主要是对出水温度进行检测，其安装部位为能够对出水温度进行灵敏感知的位置，并能给多回路智能PID 控制器提供更可靠的水温数据信息。冷却塔水位监测装置为水位保护器，水位出现异常变化后，多回路智能PID 控制器能够准时地获取信息，高效预防特殊情况给机组造成的干烧问题。预防冷却塔水温过高问题时，高温保护能够发挥最佳作用。如果冷却塔水温过高，中央空调主机则会出现一系列变化，情况严重时机组可能会被报废。45kW 变频器是主变频器的核心构件，主变频器使用PID 方式控制法对45kW 风机进行控制，并根据水温变化调节频率。DN100 电动阀是电动阀的主要形式，以冷却塔的进水温度和出水温度的差值为依据来对流量进行调整。可控硅模块在控制电动阀门时接收多回路智能PID 控制器给出的信号，优势为通断时间被控制到1s以内，并且电路通断后不会有电火花出现[2]。45kW 变频器是2 号、3 号辅助变频器的主要构件，在主变频控制的风机满工作负荷后，由于不能达到降温的目的而出现依次启动的情况，此时辅助变频器会被启动，依次启动的误差要控制在1.5℃左右。节能控制系统硬件选型方案的具体情况详见表1。

表1 冷却系统硬件技术参数

在机场内冷却塔系统硬件设备的运行过程中，利用多种构件对不同的数据信息进行采集后，向多回路智能PID 控制器进行传输，所有数据在控制器中完成高效处理后，向各个执行器发出相应指令，达到冷却塔节能控制的目标。

3.3 根据机场中央空调冷却塔的节能需求进行的程序设计

中央空调冷却塔系统平稳运行的过程高效控制了冷却塔的出水流量和温度，控制冷却塔时使用的主要方式有2 种，分别是模糊控制和PID 控制，在冷却塔控制方面使用频率最高的算法为PID 控制法。设计程序时，使用PID控制法后，冷却塔控制回路系统的具体情况如图2所示。

图2 冷却塔控制回路系统图

在测量进出水温度的过程中，使用安装在冷却塔进出水管上的温度传感器来完成节能系统控制，利用电动控制阀门对冷却塔内的出水温度进行适当调整，以保证硬件系统能够精准控制冷却水的流量。结合系统获取的冷却水温度对最高出水温度值进行调整。将传感器获取的实际温度与保护值进行对比，以保证主机设备在运行过程中能够获得良好的保护。在测量水位过程中，如果出现高于最高或是低于最低水位现象时，那么水位保护器则会启动并转换为关闭状态，同时发出相应的预警信号，在该过程中，PID控制器也会同步发送相应的预警信号[3]。

周五上完课，语文老师给我们留了五张试卷，数学老师给我们留了三张试卷，英语老师和科学老师分别给我们留了一张试卷。双休日，除了完成这些试卷以及一些书面作业外，还要背一些提纲。我真想仰天长叹：期末复习真苦啊！

当冷却水的预设温度与实际出水温度产生差异时，可采用数字化的PID 算法进行处理，如公式（1）所示。

式中：U（t）为控制器第t次的输出信号；Kp为比例系数；err为测得值和设定值比较后的偏差值；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。

公式无法直接使用，要离散化处理后方可使用，积分使用所有测得的误差值之和来表示。

4 冷却系统联动工况优化策略

10 组1450t/h 横流开式冷却塔并联运行构成了冷却系统，在对冷却塔出水温度、强制风冷控制策略和冷却水泵变频控制进行准确控制后，使用智能化策略来高效管控流量梯形控制曲线和原有的冷却塔温度，使相对稳定的运行曲线持续被拉伸，由此即能实现多元化的运行模式。

4.1 散水喷淋泵喷淋细雾散热

如冷却水的温度持续性增长，冷却系统则会将不同的喷淋设备依次打开，液气会逐渐变冷，由此即可达到散热的目的。

开式冷却塔的基本原理如下：利用喷淋系统将循环水喷洒在填料表面，水与空气接触的过程即是换热的过程，利用风机带动冷却塔实现气流循环，将热气流缓慢排出，即可达到冷却的目的。环境温度较低时，冷却塔的循环水泵与阀门依次打开，液气相变冷却后达到散热的目的。

4.2 强制风冷结合喷淋细雾全负荷散热

冷却系统出水温度处于波动状态，在出水温度持续增长的过程中，将各个冷却塔的强制风冷风扇打开，与冷却水泵变频调节、强制风冷风扇变频调节工作相结合，使散热得以全面实现。在春季和夏季温度最高时，依然能够取得最佳的散热效果，能源利用率非常低。

4.3 冷却水系统的控制策略

冷却水系统获取开启指令后，冷却水管路流量蝶阀控制程序、冷却塔温度控制程序会随之被快速打开。冷却塔电动调节蝶阀会优先被开启运行，使系统启动冲击造成的不良影响得到有效抑制。冷却水系统会适当延迟一定时间，回水温度传感器收集的数据应该是大于原设计值的，再次延时半分钟，使冷却塔能够自然地将热量散发掉。冷却水温度持续升高后，冷却塔强制风冷风扇会被依次打开。进入温度最高季节后，冷却水回水温度传感器比设定值高时，其他冷却塔也会随之依次打开，使所有制冷主机都能够以较高负荷运转。

首先，冷冻机数量。空调进行制冷时，不管使用何种措施来控制冷冻机，制冷机运行效率的最大值都是在整体制冷量达到最大时出现，这就不难发现，制冷剂的制冷量与效能呈正比关系。为了满足不同蒸发器进口的不同温度要求，使用的主要措施为保证冷冻机出口温度始终不便，蒸发器水量也会保持不发生改变的状态，以便在不同冷负荷下都能取得良好的效果。

其次，冷冻机的COP 受冷冻机数量的直接影响。工作负荷为50%的冷冻机在工作时，冷冻机的数量出现降低后，其运行的COP 就会提升，因此要对同时运行的冷冻机数量进行高效控制。在2 台冷冻机同时工作时，会有冷冻水测流的情况发生，使用户的冷冻水使用量出现不同程度的减少，就会影响中央空调的制冷效果。使用一台冷冻机时，冷冻水的测流量也会随之减少，部分侧流水会借助管道流入用户管网，蒸发器的水位随之降低，可使制冷剂的COP 得到不同程度的提升，同时也会使中央空调的制冷效果达到最理想状态。在对冷冻机的数量进行控制以后，制冷剂的COP 就会发生不同程度的改变，中央空调的整体能耗也会快速下降，使中央空调的工作效能和制冷效果得到显著提升。

再次，控制冷却塔。冷水机组与冷却塔会以电气连锁的形式存在，冷却塔风机不需要与冷水机组同时运行，但是与冷却塔相关的控制系统要保持同步运行的状态，冷却塔风机自动启动时，变频器发挥重要作用。冷却塔回流水的温度由变频器控制，使冷却塔风机控制也能获得良好的效果。在一定的温度范围内，冷却塔风机不会有触动启动的情况发生，然而在温度发生改变后，冷却塔的自动启动装置就会被触发。上位机统一控制冷却塔，不需要单独进行管理工作，外部频率、正反转和启用暂停等都能够实现统一管理。

从次，控制冷冻水环路压差。变频器对冷冻水泵的流量起到了较好的控制作用，变频器对水量进行调整时，要以冷冻水泵的负荷量为依据。对冷冻水泵的水流量进行调整时，要对供水管道压力进行综合分析，从而使调整工作取得最佳效果。整体控制中央空调的制冷情况时，借助对水泵的合理化控制，使冷冻水压差控制达到最理想状态，促使中央空调制冷满足相关要求。

最后，控制压缩机。压缩机发挥的主要作用是把制冷剂高效转化为气体，进行转化时，外界能源为其提供了充足的压力，转化获得的气体表现出来的主要特点为高压和高温。压缩机工作遵循的主要原理为在远程DCS 和变频器的作用下，PID 整体控制策略发挥了积极的促进作用。PID 控制策略的核心原理为对驱动电机的供电频率进行改变后，利用变频来对压缩机整体的转数进行科学调整，在压缩机每个单位中的排气压力被改变后，制冷剂的整体流量得到了高效控制，进而使中央空调的制冷控制达到最佳效果[4]。

4.4 系统主电路控制

从工程项目建设的实际情况出发，严格管理成本投入，对原有的电器设备进行合理化使用。使用“一用一备”模式来保证冷冻水泵和冷却水泵的正常运行，空调主机转换时间和备用泵转换时间相同，转换一次的时间大约为30天，切换频率比较低，因此使用原有的电器设备来切换、控制冷却水泵和冷冻水泵的电机。当机械和电气互锁时，转换开关、启停按钮和接触器发挥了十分重要的作用。使用一台变频器拖动一台水泵，将2 台变频器同时拖动一台水泵出现的交流短路事故的发生概率降到最低。

4.4.1 系统功能控制方式

上位机监控系统完成的主要任务有分析和处理数据信息、协调控制各机组和借助人机界面来检测工艺参数，数据采集、现场设备控制和连锁等工作由下位机PLC 完成。将冷水和冷却水泵启动后，使用PLC 来对冷水和冷却水泵的启停进行严格控制，向制冷机发送联锁信号时，冷水和冷却水泵的接触器发挥了十分重要的作用。制冷机启动后，温差闭环控制电路能够对水泵的速度进行合理化调整，使工作流量被控制在合理的范围内。当过滤网的前、后压差比设定值大时，PLC 会在第一时间将过滤堵塞报警信号发射出去。在对送风机的转速进行控制时，先要对系统设定值与回风温度进行全面对比，使用PID 的方式来有效控制变频器，使风机转速得到高效调节，从而使回风温度也得到了合理化控制。

4.4.2 系统节能改造原理

第一，变频改造冷冻泵时，遵循的主要原理如下：PLC 控制器在温度传感器和温度模块的作用下，将冷冻机的出水温度和回水温度读入控制器中，完成保存工作，同时对温差值进行准确计算。控制变频器的转速时，要以冷冻机的出水与回水温差为依据，对出水的流量给予严格控制，使热交换的速度被控制在合理的范围内。如果温差比较大，室内温度高，系统负荷也会随之变大，此时要增加冷冻泵的运转速度，使冷冻水的流量和循环速度都得到不同程度增加，进而使热交换速度也得到不同程度的提升。当温差比较小时，室内温度也会比较低，系统负荷随之降低，对冷冻泵的转速进行适当降低，并对冷冻水的流量和循环速度进行适当调节，以达到节约电能的目的。

第二，变频改造冷却泵时，在冷冻机运行的过程中，需要借助冷却水将冷凝器的热交换量带入冷却塔中，全面达到散热降温的目的，接着冷却泵将其输送到冷凝器中完成循环工作。冷却水进水与出水的温差比较大时，代表冷冻机的负荷也比较大，需要使用冷却水将部分热量带走，注重对冷却泵转速的提升，使冷却水循环量也随之增加。

第三，变频控制冷却塔风机时，冷却塔风机的变频调速闭环控制主要是通过检测冷却塔水温来实现，确保冷却塔水温度始终保持在设定值的范围内，将风机额外的电能损耗降到最低，达到最理想的节点效果。

第四，变频控制室内风机组时，仔细检测冷房中的温度，变频调速闭环控制变风机组的风机后，将冷房温度恒定在设置值的范围内。采取变频控制措施后，室内风机组的节电效果达到了最佳，也使空调效果变得更理想。

4.4.3 系统流量、压力保障

闭环自动调节控制是该方案使用的主要调节方式，冷冻水泵系统和冷却水泵系统的调节方式一致。进行冷冻水和冷却水采样时，需要使用温度传感器在主机出口完成温度采样工作，将其转换成为电量信号后，传输到温控器中，与设定值进行比较后，将一类比信号传输给PLC。进行温差闭环控制时，温度模块、温度传感器、数模转换模块和PLC 发挥了重要作用。

实际使用冷冻水和冷却水的变频节能系统时，该文对扬程的平方与水泵转速的正比关系给予了充分考虑，同时，管损的平方与水泵的转速之间也会呈正比关系。水泵的扬程随着转速下降而降低后，管道损失也会随之减少，整个系统对水泵扬程的实际需求也跟着出现了不同程度的下降。使用变频器下限频率的方法后，整个系统对水泵扬程的最低需求得到了保证，使用PID 参数来调整供水压力的稳定性。随着供水需求量下降，管道压力不同程度地增加，内部PID 调节器的输出频率也会跟着下降。变频器输出频率保持在0Hz 以内时，管道在某一设定时间内会出现超出设定压力的情况。变频器将当前变频控制泵切断后，会对下一个原控制泵进行管控。当水泵控制转换时，变频器会出现轮换使用水泵的情况，水泵的利用率达到了均衡状态，使管道压力和系统可靠性都得到了提升。

5 开式冷却塔应用分析

5.1 初投资、运行维护经济分析

首先，待冷却水系统稳定且应用群控策略后，能够对温度进行精准的管控，将制冷负荷作为依据，对冷却塔的运行参数进行合理调整，保证其满足经济性要求。其次，对制冷设备进行控制后，各个构件均可以稳定运转，设备的使用时间会得到不断延长，从而使设备的使用效率发生根本性改变。再次，冷却塔的换热效率非常高，可实现对落尘结垢问题的高效处理和对系统蒸发耗损量、防空耗损量的高效控制。从次，对冷却塔来说，冷却水系统的漂水损耗量比较小，使用生活水源就可以完成补给工作，将水资源的浪费问题控制到最低。最后，比较开式冷却塔和闭式冷却塔的投资成本，开式冷却塔的成本投入会更低，但是其经济运行节能效果会略差一些[5]。

5.2 安装、调试简单便捷

冷却塔系统的设计非常便捷，它的喷淋系统是单独配备的，不用额外的设置冷却塔平衡连接管。实操过程中应保证质控阀门处于平衡底盘水位。其调试工作比较简单，控制效果也比较理想，可显著提升经济运行的效率。

5.3 系统运行管理模式转变

当冷却塔控制运行系统时，使用的主要策略为群控管理策略，通过不间断的水处理系统，能够对系统水质起到较好的管控作用，将抗污、抗腐电子水处理器安装到管路中，使软水始终保持在达标运行的状态。

6 结语

以往使用的中央空调冷却塔控制系统的主要缺点为效率较低、能量损耗较高等，该文在改善中央空调冷却塔控制系统功能的过程中，使用的主要策略为做好软件和硬件的设计工作，使其运行效率不断提升，并将能量损耗控制到最低。通过采取一系列措施，中央空调冷却塔控制系统的各项性能都得到了不同程度的提升，真正取得了节能减排的效果，并将其工作效率提升到最佳水平。