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    1. ACS880-07C
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      案例頻道

      變頻調速技術(shù)在中央空調系統中的應用
      • 企業(yè):控制網(wǎng)     行業(yè):電力     領(lǐng)域:機器人    
      • 點(diǎn)擊數:1916     發(fā)布時(shí)間:2004-05-24 10:56:00
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      張清林,孫前程,段  力

      1  前言

          據有關(guān)資料統計,我國現有電動(dòng)機裝機總容量約4億多千瓦,其用電量占當年全國發(fā)電量的60%70%,而風(fēng)機、水泵設備裝機總功率達1.6億千瓦,年耗電量3 200kWh,約占當年全國電力消耗總量的1/3。而應用變頻器節電率一般在20%60%,投資回收期12年,企業(yè)和社會(huì )經(jīng)濟效益相當可觀(guān)。所以,大力推廣應用變頻調速技術(shù)不僅是當前推進(jìn)企業(yè)節能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段,而且也是實(shí)現經(jīng)濟增長(cháng)方式轉變和我國可持續發(fā)展戰略的必然要求。

       

          基于中央空調系統選型配備時(shí),其冷凍泵和冷卻泵的容量均按最大負荷選定,且留有余量的原則,泵組在大部分時(shí)間處于低溫差、大流量的運行狀態(tài),造成整個(gè)系統的能源利用率降低,浪費了大量能源。同時(shí),設備長(cháng)期高速運轉,大大縮短了使用壽命,增加了維護費用。

       

          隨著(zhù)技術(shù)的日益成熟和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,變頻調速技術(shù)在中央空調系統的應用已十分普遍。為了節能降耗、提高經(jīng)濟效益,依據國家集中式空調系統經(jīng)濟運行的標準,采用變頻調速技術(shù)對中央空調系統進(jìn)行節能控制改造,具有很大的現實(shí)意義。本文就變頻調速技術(shù)、節能原理以及在中央空調系統的應用進(jìn)行闡述,并通過(guò)筆者利用變頻調速技術(shù)對煙臺金海灣酒店中央空調系統的改造實(shí)例,說(shuō)明其節能效果。

       

      2  變頻調速技術(shù)實(shí)現節能的原理

       

          在工農業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中,經(jīng)常需要對一些物理量進(jìn)行控制,如空調系統的溫度、供水系統的水壓、通風(fēng)系統的風(fēng)量等,這些系統絕大多數是用交流電機驅動(dòng)的。以前由于電機的轉速無(wú)法方便調節,為了達到對上述物理量的控制,人們只好采用一些簡(jiǎn)單的方法,如用擋板調節風(fēng)量,用閥門(mén)來(lái)調節流量壓力等,致使這些系統不僅達不到很好的調節效果,而且大量的電能被擋板和閥門(mén)白白浪費。據統計,我國目前使用的風(fēng)機、水泵大約有25%的能量是無(wú)謂消耗。因此,原國家經(jīng)貿委于1994年下發(fā)了763號文件《關(guān)于加強風(fēng)機、水泵節能改造的意見(jiàn)》,鼓勵支持變頻節能技術(shù)在各行各業(yè)推廣使用。另外,根據交流電機的特性,要實(shí)現連續平滑的速度調節,最佳的方法就是采用變頻調速器,變頻器是將標準的交流電轉成頻率、電壓可變的交流電,供給電機并能對電機轉速進(jìn)行調節的裝置。采用變頻器進(jìn)行風(fēng)機、水泵的節能改造,不僅避免了由于采用擋板或閥門(mén)造成的電能浪費,而且還會(huì )極大提高控制和調節的精度,從而方便地實(shí)現恒溫空調系統和恒壓供水系統。

       

      3  中央空調系統控制原理

       

          大中型中央空調由制冷、制熱站,空調水管網(wǎng)系統和空調末端裝置(空調機組,風(fēng)機盤(pán)管和新風(fēng)機組等)三部分組成。

       

          工作原理:采用設備中的風(fēng)扇使室內空氣循環(huán),并通過(guò)設備中的冷、溫水盤(pán)管來(lái)冷卻和加熱,以達到空調的目的。盤(pán)管中的冷、溫水由機房中的制冷設備和鍋爐提供。

       

          該系統的缺點(diǎn)是:設備配置較大、風(fēng)機噪音大。當環(huán)境溫度變化或冷、熱負荷變化時(shí),只能通過(guò)增減冷、溫水循環(huán)數量或使用擋風(fēng)板的方法來(lái)調節室內溫度,既耗費能源又造成環(huán)境溫度波動(dòng)。

       

          中央空調系統的外部熱交換由兩個(gè)循環(huán)水系統來(lái)完成。循環(huán)水系統的回水與進(jìn)(出)水溫度之差,反映了需要進(jìn)行熱交換的熱量。因此,根據回收與進(jìn)(出)水溫度之差來(lái)控制循環(huán)水的流動(dòng)速度,從而控制了熱交換的速度,是比較合理的控制方法。分述如下:

       

              (1)   冷凍水循環(huán)系統的控制

          由于冷水的出水溫度是冷凍機組“冷凍”的結果,常常是比較穩定的。因此,單是回水溫度的高低就足以反映房間內的溫度。所以,冷凍泵變頻調速系統,可以簡(jiǎn)單地根據回水溫度進(jìn)行如下控制:回水溫度高,說(shuō)明房間溫度高,應提高冷凍泵的循環(huán)速度,降低溫度。反之亦然??傊?,對于冷凍水循環(huán)系統,控制依據是回水溫度,即通過(guò)變頻調速,實(shí)現回水的恒溫控制。

       

              (2)   冷卻水循環(huán)系統的控制

          由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的,其單測水溫不能準確地反映冷凍機組內產(chǎn)生熱量的多少。所以,對于冷卻泵,以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據,實(shí)現進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大,說(shuō)明冷凍機組產(chǎn)生的熱量大,應提高冷卻泵的轉速,增大冷卻水的循環(huán)速度;溫差小,說(shuō)明冷凍機組產(chǎn)生的熱量小,可以降低冷卻泵的轉速,減緩冷卻水的循環(huán)速度。

       

      4  中央空調末端送風(fēng)的變頻控制

       

          隨著(zhù)生活水平的提高,人們已開(kāi)始關(guān)注生活與工作環(huán)境的舒適性。大型公共建筑均設置有中央空調系統。而大多數中央空調的運行,絕大部分末端機采用開(kāi)/關(guān)控制方式,難以滿(mǎn)足人們對舒適感的要求。變頻技術(shù)的飛速發(fā)展,成本的進(jìn)一步下降,使得滿(mǎn)足舒適感要求成為現實(shí)。

       

              (1)   調節風(fēng)量

          在中央空調系統中,冷、暖的輸送介質(zhì)通常是水,在末端將與熱交換器充分接觸的清潔空氣由風(fēng)機直接送入室內,從而達到調節室溫的目的。

       

          在輸送介質(zhì)(水)溫度恒定的情況下,改變送風(fēng)量可以改變帶入室內的制冷(熱)量,從而較方便地調節室內溫度。這樣,便可以根據自己的要求來(lái)設定需要的室溫。調整風(fēng)機的轉速可以控制送風(fēng)量。使用變頻器對風(fēng)機實(shí)現無(wú)級變速,在變頻的同時(shí),輸入端的電壓亦隨之改變,從而節約了能源,降低了系統噪音,其經(jīng)濟性和舒適性是不言而喻的。

       

              (2)   控制方式的確立

          ①   在室內適當的位置,安裝手動(dòng)調節控制終端,調速電位器VR和運行開(kāi)關(guān)KK置于控制終端盒內,變頻器的集中供電由空氣開(kāi)關(guān)控制,需要送電時(shí)在配電控制室直接操作。調整頻率設定電位器VR,可以改變變頻器的輸出頻率,從而控制風(fēng)機的送風(fēng)量,關(guān)閉時(shí)斷開(kāi)KK即可,此方式成本低廉,隨意性強。

       

          ②   當室外溫度變化,或者冷/暖輸送介質(zhì)溫度發(fā)生改變時(shí),可能造成室溫隨之改變,對環(huán)境舒適要求較高的消費群體,可以采用自動(dòng)恒溫運行方式。

       

          選擇內置PID軟件模塊的變頻器??刂平K端的方式與手動(dòng)方式相同。電位器用來(lái)設定溫度(而不是調整頻率)。變頻器通過(guò)采集來(lái)自反饋端VPF/IPF的溫度測量值,與給定值作比較,送入PID模塊運算時(shí)自動(dòng)改變U、V、W端子的輸出頻率,調整送風(fēng)量,達到自動(dòng)恒溫運行。

       

          ③   送風(fēng)機的分布可能不是均勻的,對于稍大的室內空間,則可以采用“區域溫度平均法”策略調節送風(fēng)量,以滿(mǎn)足特殊需要量場(chǎng)所。

       

          ④  為降低成本,個(gè)別的變頻器可能沒(méi)有內置PID軟件模塊,可選用外加PID調節器即可。

       

              (3)   應注意的幾個(gè)問(wèn)題

          ①   共振(動(dòng)):選擇末端送風(fēng)機時(shí),應考慮測試其在全轉速范圍的共振轉速點(diǎn)并應避免電機工作于這樣的轉速區。通過(guò)設定變頻器的回避頻率及其寬度值,則可以避免電機運行于該轉速區域。

       

          ②   頻率限制:電機轉速較低時(shí),散熱效果較差;轉速過(guò)大,會(huì )引起因風(fēng)速過(guò)高而造成的不適當狀態(tài)。制冷時(shí),可能因風(fēng)速過(guò)大,致使冷凝水不能被吸水盤(pán)完全接收,造成外漏。應選擇適宜的上、下限頻率,下限頻率以不小于15Hz為宜,上限頻率不要超過(guò)60Hz,根據最大風(fēng)速確定。

       

          ③  載波頻率:將變頻器的載波頻率適當提高,則可以降低電機運行噪音,提高環(huán)境質(zhì)量。多機并聯(lián)運行時(shí),若電機距離變頻器較遠,則需調整載波頻率,以避免引起電機電流振蕩。

       

          ④  安裝:變頻器應裝于末端機的“隔離室”內,除保證良好的散熱外,還應讓其不置身于潮濕環(huán)境下,亦需考慮中央空調在制冷或制熱時(shí)末端機自身的溫度影響。

       

          ⑤  節能:風(fēng)機屬于平方轉矩負載,應用時(shí),選擇風(fēng)機、泵類(lèi)專(zhuān)用變頻器(亦稱(chēng)為節能型變頻器)較好,并將其轉矩曲線(xiàn)(V/F)設定為“平方轉矩”,這樣可以達到較好的節能效果。

       

      5  應用實(shí)例

       

          煙臺金海灣酒店中央空調機組由主機四臺(其中3#、4#為美國“凱利”機組,制冷量為150萬(wàn)大卡/時(shí))、冷媒泵三臺(開(kāi)一臺37kW,兩臺45kW備用)、冷卻泵三臺(一用兩備,均是55kW)、兩臺冷卻塔冷卻風(fēng)機(11kW)組成。

       

          主機主要運行一臺3#4#機,冷媒泵運行2#機(37kW)。冷卻泵運行一臺55kW,冷卻風(fēng)機運行兩臺,均是11kW。

       

       

          主機運行工況由本身自動(dòng)調節。冷卻泵及冷卻風(fēng)機不論環(huán)境溫度如何,均全速50Hz運行。冷卻泵進(jìn)出閥門(mén)全開(kāi),流量不調節,大流量運行,溫差為2℃左右。大流量小溫差運行狀態(tài)造成水泵電能大量浪費。冷媒泵也是全速50Hz運行,由閥門(mén)控制分水器和集水器上的連通管,以調節管路壓力,致使部分冷媒水未進(jìn)入系統循環(huán),造成電能的浪費。金海灣酒店的中央空調機組是按當地極端環(huán)境條件設計的,并留有富裕量。煙臺地區每年出現最大冷熱天氣狀況時(shí)間僅為57天,因此,機組大多數時(shí)間都處在遠遠低于設計負荷狀況下運行,造成整個(gè)系統的能源利用率降低,浪費大量能源。同時(shí),設備長(cháng)期處于高速運行狀態(tài),縮短使用壽命,增加維護費用。

       

          針對上述能量的浪費,筆者于20038月對該機組進(jìn)行了節能改造。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的運行測試統計,節約電能平均達到53.6%,節水平均達到67%,同時(shí)降低了運行噪音,提高了機組效率和設備使用壽命,節能效果十分顯著(zhù)(見(jiàn)表1、表2)。

       

       

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