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同森變頻器和PLC在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用
摘要：中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行……
關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 中央空調(diào) 節(jié)能改造
一、前言
中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。
隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。
二、問題的提出
1、原系統(tǒng)簡介
我酒店的中央空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備和控制方式：100冷噸冷氣主機(jī)2臺，型號為三洋溴化鋰蒸汽機(jī)組，平時(shí)一備一用,高峰時(shí)兩臺并聯(lián)運(yùn)行；冷卻水泵2臺,揚(yáng)程28米,配用功率45 KW,冷水泵有3臺，由于經(jīng)過幾次調(diào)整，型號較亂,一臺為揚(yáng)程32米，配用功率37KW, 一臺為揚(yáng)程32米，配用功率55KW, 一臺為揚(yáng)程50米，配用功率45KW。冷卻塔6臺，風(fēng)扇電機(jī)5.5KW，并聯(lián)運(yùn)行。
2、原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在問題
我酒店是一間三星級酒店。因酒店是一個(gè)比較特殊的場所，對客人的舒適度要求比較高，且酒店大部分空間自然通風(fēng)效果不好，所以對夏季冷氣質(zhì)量的要求較高。
由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，且留有10%-20%左右的設(shè)計(jì)余量。其中冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。
為了解決以上問題，我們打算利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構(gòu)成的溫差閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。對冷凍、冷卻水泵、冷卻塔進(jìn)行改造，以節(jié)約電能。
三、節(jié)能改造的可行性分析
改造方案是通過變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制，根據(jù)負(fù)載輕重自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)行頻率，同時(shí)根據(jù)冷卻水溫度的高低，自動(dòng)切投冷卻塔散熱風(fēng)機(jī)，以達(dá)到節(jié)能效果。以下是分析過程：
1、 中央空調(diào)系統(tǒng)簡介
中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%—20%余量作為設(shè)計(jì)系數(shù)。根據(jù)計(jì)算中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占夏季酒店總用電的25%—30%，冷卻塔的用電占8%—10%。因此，實(shí)施對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及冷卻塔的能量自動(dòng)控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成部分。
2、泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)
根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)原理
n=60f/p(1-s)
式中：n:轉(zhuǎn)速 f:頻率p:電機(jī)磁極對數(shù) s:轉(zhuǎn)差率
由上式可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法，改變頻率、改變電機(jī)磁極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。因此改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。
3、冷卻塔的控制
以前的冷卻塔是人為的根據(jù)冷卻水溫度選擇冷卻塔開啟的臺數(shù)，非常容易造成能源的浪費(fèi)現(xiàn)象，現(xiàn)在根據(jù)冷卻水的溫度，由溫度傳感器傳送信號至PLC，由PLC經(jīng)計(jì)算后對冷卻塔風(fēng)機(jī)依次開啟，以28℃為基數(shù)，溫度每上升2℃，開啟兩臺散熱風(fēng)機(jī)，每下降2℃，延時(shí)5分鐘后停止2臺風(fēng)機(jī)，以達(dá)到節(jié)能效果。
四、節(jié)能改造的具體方案
1、主電路的控制設(shè)計(jì)
根據(jù)具體情況，同時(shí)考慮到成本控制，原有的電器設(shè)備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用一用一備的方式運(yùn)行，使用一臺變頻器控制拖動(dòng)兩臺水泵交替運(yùn)行。將一臺揚(yáng)程較高的冷水泵作為備用。
以下為冷凍水泵與冷卻水泵一次接線圖：
2、功能控制方式
工作流程：
開機(jī)：開啟冷水及冷卻水泵，由PLC控制冷水及冷卻水泵的啟停，由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機(jī)發(fā)出聯(lián)鎖信號，開啟制冷機(jī)，由變頻器、溫度傳感器、溫度模塊組成的溫差閉環(huán)控制電路對水泵進(jìn)行調(diào)速以控制工作流量，同時(shí)PLC控制冷卻塔根據(jù)溫度傳感器信號自動(dòng)選擇開啟臺數(shù)。
停機(jī)：關(guān)閉制冷機(jī)，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時(shí)十分鐘后自動(dòng)關(guān)閉。
保護(hù)：由壓力傳感器控制冷水及冷卻水的缺水保護(hù)，壓力偏低時(shí)自動(dòng)開啟補(bǔ)水泵補(bǔ)水。
五、變頻節(jié)能技術(shù)框圖及改造原理分析
下圖為變頻節(jié)能系統(tǒng)示意圖
1、對冷凍泵進(jìn)行變頻改造
控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計(jì)算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機(jī)的回水與出水的溫差值來控制變頻器的頻率，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負(fù)荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能；
2、對冷卻泵進(jìn)行變頻改造
由于冷凍機(jī)組運(yùn)行時(shí)，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進(jìn)行不斷循環(huán)的。冷卻水進(jìn)水出水溫差大，說明冷凍機(jī)負(fù)荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，則說明，冷凍機(jī)負(fù)荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。
六、實(shí)際調(diào)試注意事項(xiàng)
1、整改設(shè)備安裝完畢后，先將編好的程序?qū)懭?/SPAN>PLC，設(shè)定變頻器參數(shù)，檢查電器部分并逐級通電調(diào)試。
2、投入試運(yùn)行時(shí)，人為地減少負(fù)荷，觀察流量是否因頻率的降低而減小，并找到制冷機(jī)報(bào)警時(shí)的最低變頻器頻率，以及流量降低后管道末端的循環(huán)情況，使變頻器工作在一個(gè)最低的穩(wěn)定工作點(diǎn)。
3、用溫度計(jì)及時(shí)檢測各點(diǎn)溫度，以便檢驗(yàn)溫度傳感器的精確度及校驗(yàn)各工況狀態(tài)。
七、技術(shù)改造后的運(yùn)行效果比較
1、節(jié)能效果及投資回報(bào)
進(jìn)行技術(shù)改造后，系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)電率與負(fù)荷狀態(tài)、天氣溫度變化等因素有一定關(guān)系。根據(jù)以往運(yùn)行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與改造后的節(jié)能預(yù)測，平均節(jié)能應(yīng)在20－30%以上。經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。改造后投入運(yùn)行一年即可收回成本，以后每年可為酒店節(jié)約用電約12萬元。
2、對系統(tǒng)的正面影響
由于冷凍泵、冷卻泵采用了變頻器軟啟停，消除了原來啟動(dòng)時(shí)大電流對電網(wǎng)的沖擊，用電環(huán)境得到了改善；消除了啟停水泵產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象對管道、閥門、壓力表等的損害;消除了原來直接啟停水泵造成的機(jī)械沖擊，電機(jī)及水泵的軸承、軸封等機(jī)械磨擦大大減少，機(jī)械部件的使用壽命得到延長 ；由于水泵大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以下，電機(jī)的噪聲、溫升及震動(dòng)都大大減少，電氣故障也比原來降低，電機(jī)使用壽命也相應(yīng)延長。
由于采用了溫差閉環(huán)變頻調(diào)速，提高了冷凍機(jī)組的工作效率，提高了自動(dòng)化水平。減少了人為因數(shù)的影響，大大優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行質(zhì)量。
八、結(jié)論
雖然一次性投資較大，但從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)利益來看是值得的。這里我們也借鑒了其它一些酒店改造的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際效果，進(jìn)一步驗(yàn)正了利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等組成的溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造是可行的�？梢赃_(dá)到我們當(dāng)初設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。
九、結(jié)束語
在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。對落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對節(jié)能、環(huán)保等社會(huì)效益同樣有著重要的意義。
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