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技術(shù)方案概述

冷水機(jī)組在空調(diào)系統(tǒng)里使用十分廣泛。通常有蒸氣壓縮式冷水機(jī)組和吸收式冷水機(jī)組兩類。蒸氣壓縮式冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)及其他輔助設(shè)備和管道等組成。按照壓縮機(jī)種類的不同, 分為容積式壓縮機(jī)冷水機(jī)組和速度式壓縮機(jī)冷水機(jī)組兩類。容積式壓縮機(jī)冷水機(jī)組包括往復(fù)活塞式、滾動(dòng)活塞式、渦旋式和螺桿式壓縮機(jī)等冷水機(jī)組, 速度式壓縮機(jī)冷水組目前只有離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組一種。

變頻技術(shù)在容積式壓縮機(jī)冷水機(jī)組中應(yīng)用較多, 因?yàn)槿莘e式壓縮機(jī)的制冷量與轉(zhuǎn)速成正比, 變頻技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)。目前用得較多的是滾動(dòng)活塞式和渦旋式壓縮機(jī)冷水機(jī)組。

離心式壓縮機(jī)壓縮制冷劑氣體的方式和容積式不同, 它是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)制冷劑氣體作功, 氣體獲得能量后, 壓力和流速提高, 然后, 在擴(kuò)壓器內(nèi)將流速降低, 壓力繼續(xù)提高, 并從蝸殼排出, 進(jìn)入冷凝器。轉(zhuǎn)速的改變不僅引起流量的改變, 而且還會(huì)引起壓力的改變, 此外, 當(dāng)轉(zhuǎn)速減小使流量減小后, 氣流在葉輪和擴(kuò)壓器流道里會(huì)造成沖擊、旋渦和脫離, 并且可能會(huì)產(chǎn)生喘振, 這是離心式冷水機(jī)組使用變頻技術(shù)的難點(diǎn)。通常, 空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的冷負(fù)荷隨季節(jié)氣候和室

內(nèi)居留人員數(shù)量而變化, 空調(diào)用冷水機(jī)組的制冷量需要和它相匹配, 也要相應(yīng)的變化。在一年的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi), 滿負(fù)荷制冷量的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間并不長, 大部分是在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此, 部分負(fù)荷下的高效、節(jié)能對(duì)降低全年能耗具有十分重要的意義, 這就是離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組發(fā)展變頻的動(dòng)力。

離心式冷水機(jī)組的總負(fù)荷設(shè)計(jì)一般是按照夏季生產(chǎn)線最大負(fù)荷工況并預(yù)留一定裕量作為依據(jù)設(shè)計(jì)的，另設(shè)計(jì)者還要根據(jù)生產(chǎn)線運(yùn)行負(fù)荷變化情況及運(yùn)行工況等級(jí)特殊要求考慮配置的。如在全年連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)線需配置一開一備或多開一備等多種運(yùn)行模式設(shè)計(jì)。

在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用過程中，離心冷水機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷處于較大動(dòng)態(tài)變化。如每天早晚，每季交替，每年輪回，環(huán)境氣溫變化等因素對(duì)機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷影響很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)組在全年處于最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間只有短短幾十天，其余大部分時(shí)間都是處于50%-80%冷負(fù)荷運(yùn)行，在冬天甚至處于更低負(fù)荷運(yùn)行。這樣，就會(huì)造成實(shí)際所需冷負(fù)荷與最大功率輸出之間的矛盾，從而降低了設(shè)備的運(yùn)行效率，造成巨大能源浪費(fèi)，給企業(yè)造成巨額電費(fèi)支出，增加經(jīng)營成本，降低企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

在使用沒有具備負(fù)載隨負(fù)荷變化調(diào)速特性的離心式冷水機(jī)組控制系統(tǒng)中，無論季節(jié)、晝夜氣溫和用戶負(fù)荷的怎樣變化，電機(jī)都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，盡管系統(tǒng)采用了扇門檔板節(jié)流方式，但這種調(diào)節(jié)方式僅是改變流通的阻力，其大部分時(shí)間運(yùn)行效率較低，造成大量的能量浪費(fèi)，如能釆取有效措施，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，減少這部分電能損耗，則會(huì)收到很大的節(jié)能效果。

變頻器是一種高效節(jié)能調(diào)速裝置，應(yīng)用廣泛，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以體現(xiàn)不同的功能，以達(dá)到不同的目的，同時(shí)還可以提高設(shè)備的精確控制能力，并節(jié)約電能，延長設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。變頻器除了在節(jié)能上的優(yōu)勢(shì)外，它的啟動(dòng)性能也十分優(yōu)異，在電機(jī)啟動(dòng)過程中，用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，可以克服工頻起動(dòng)時(shí)引起電流過大造成的機(jī)械沖擊，并減少了對(duì)電網(wǎng)及電機(jī)本身的沖擊，對(duì)設(shè)備的保護(hù)及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行都起到很大的作用。

離心式冷水機(jī)組釆用變頻器拖動(dòng)，主要從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能：一是部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的節(jié)能，二是低冷卻水溫度下的節(jié)能。

①部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的節(jié)能：

眾所周知，冷水機(jī)組90%以上的時(shí)間運(yùn)行在部分負(fù)荷工況。通常，在部分負(fù)荷下，恒速離心機(jī)通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開度來調(diào)節(jié)機(jī)組輸出冷量，最高效率點(diǎn)通常在75%~90%負(fù)荷左右，負(fù)荷降低，單位冷量能耗增加較顯著，使用變頻器后將優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)速和GVA(導(dǎo)葉)的開度，使機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速最小而效率最高，能耗達(dá)到最小。

②低冷卻水溫度狀態(tài)下運(yùn)行的節(jié)能：

機(jī)組在夜間、過渡季節(jié)甚至是冬天運(yùn)行時(shí)，冷卻水的溫度往往比較低。對(duì)于恒速機(jī)組，需要有恒定的工作條件，即需要有恒定的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。但冷卻水溫度降低后，必然使得冷凝壓力相應(yīng)地降低，此時(shí)，為了滿足離心壓縮機(jī)的工作條件，只有通過關(guān)小進(jìn)口導(dǎo)葉，減小輸氣量，從而調(diào)整離心壓縮機(jī)的工作點(diǎn)，以適應(yīng)更低的冷凝壓力。但以上調(diào)節(jié)卻降低了機(jī)組的效率，無端地消耗了更多的能量。而使用變頻器后，則可以通過調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)冷凝溫度的變化，最大限度地利用低冷卻水溫的節(jié)能效應(yīng)，達(dá)到節(jié)能的目的。機(jī)組在低冷卻水溫下，使用變頻器有非常明顯的節(jié)能效果，且冷卻溫度越低，節(jié)能效果越顯著，當(dāng)負(fù)荷變低時(shí)，這個(gè)效果還更加明顯。對(duì)于在過渡季節(jié)甚至冬季投入使用的機(jī)組來說，安裝變頻器的節(jié)能效果是非常明顯的。

恒速離心式冷水機(jī)組在滿負(fù)荷工況時(shí)，其cop值一般為5左右，而在部分負(fù)荷時(shí)，機(jī)組效率將顯著降低。我國在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中引入了IPLV的概念。 IPLV的計(jì)算公式如下：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D [2]

其中： A——100%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進(jìn)水溫度30℃；

       B——75%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W） ，冷卻水進(jìn)水溫度26℃；

       C——50%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W） ，冷卻水進(jìn)水溫度23℃；

       D——25%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)（W/W） ，冷卻水進(jìn)水溫度19℃；

從上式可以看出，空調(diào)系統(tǒng)全年有97.7%的時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，在此工況下恒速機(jī)組效率較差。這是因?yàn)楹闼匐x心式冷水機(jī)組在部分負(fù)荷狀態(tài)下時(shí)，是通過導(dǎo)流葉片（GVA）調(diào)節(jié)、進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)等方式來實(shí)現(xiàn)制冷量調(diào)節(jié)的。進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)效益較差；而導(dǎo)流葉片略微關(guān)閉時(shí)，改變了氣流進(jìn)入葉片的方向，從而使壓縮機(jī)的效率略有提高，導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)還是比較合理，但當(dāng)導(dǎo)葉開度小于30%時(shí)，節(jié)流作用明顯增加，效率大為下降，浪費(fèi)了能源。

離心壓縮機(jī)是由電機(jī)通過增速齒輪帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的離心力壓縮制冷氣體使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。則電機(jī)的輸入功率滿足以下關(guān)系式：

P=KΔPtfVf /ηt 

其中：P——電機(jī)功率

      K——常數(shù)

      ΔPtf——?dú)鈶B(tài)制冷劑的全壓

      Vf——?dú)鈶B(tài)制冷劑的體積流量

      Ηt——電機(jī)效率

根據(jù)流體力學(xué)原理，上式中ΔPtf與轉(zhuǎn)速的平方成正比， Vf與轉(zhuǎn)速成正比，所以電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以減小轉(zhuǎn)速意味著減小功率，即提高效率，降低功耗。

因此，在滿足生產(chǎn)負(fù)荷工況下，變頻冷水機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行下降低電機(jī)運(yùn)行速度，則會(huì)大大降低電機(jī)軸功率輸出及保持較高效率運(yùn)行。同時(shí)離心壓縮機(jī)也無需消耗無謂的能量來過度加速制冷劑氣體，從而降低了能耗。

當(dāng)然，離心式冷水機(jī)組并非采用變頻拖動(dòng)后在所有的負(fù)荷狀態(tài)下都節(jié)能。機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)美國空調(diào)制冷學(xué)會(huì)ARI工況運(yùn)行的效能比對(duì)照數(shù)據(jù)證明，單級(jí)壓縮的離心式冷水機(jī)組由于采用增速齒輪壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)組在100%負(fù)荷向90%負(fù)荷卸載時(shí)，不能提高機(jī)組效率，加上變頻控制會(huì)有3%-4%的功率損失，因此機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，變頻離心機(jī)式冷水機(jī)組運(yùn)行效率較差，但由于占全年的總運(yùn)行時(shí)間很少，因此并不影響全年的節(jié)能效果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

冷水機(jī)組的電控部分由微機(jī)控制箱、低壓電控柜、高壓起動(dòng)柜、壓力溫度傳感元件及各種控制電磁閥組成。微機(jī)控制箱內(nèi)的控制器選用矩形科技公司生產(chǎn)的N80-M39MAD-AC系列可編程序控制器。實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)螺桿冷水機(jī)組全工作過程的自動(dòng)控制、故障檢測(cè)及故障的預(yù)處理和保護(hù)性停機(jī)。單機(jī)顯示部分也選用矩形科技公司生產(chǎn)的SA-10.4觸摸屏，完成單機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)的顯示、機(jī)組調(diào)節(jié)參數(shù)及保護(hù)參數(shù)的設(shè)定、機(jī)組故障報(bào)警的中文信息提示。變頻器選用易能公司生產(chǎn)的EDS2000系列變頻器。對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行有效控制，根據(jù)自然曲線來設(shè)計(jì)全變頻冷水機(jī)組的運(yùn)行，協(xié)調(diào)正在運(yùn)行的冷水機(jī)，使其達(dá)到相同負(fù)荷。目的是設(shè)定冷水機(jī)的運(yùn)行方案，使冷水機(jī)運(yùn)行時(shí)盡可能地接近它們的自然曲線；同時(shí)，確定冷卻塔的運(yùn)行方案，優(yōu)化冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得冷水機(jī)組的性能最佳，同時(shí)完成機(jī)組控制盤面的部分操作。觸摸屏上清晰明了的菜單，免說明書的操作模式會(huì)給使用者帶來方便。傳感部分選用美國西特公司生產(chǎn)的C209壓力變送器和德國JUMO的溫度傳感器。使整機(jī)性能進(jìn)一步穩(wěn)定，可靠性進(jìn)一步提高。

1、手動(dòng)控制模式：

整個(gè)控制系統(tǒng)由高壓起動(dòng)柜，低壓控制柜，機(jī)組上的儀表器箱等電器設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)螺桿壓縮機(jī)組手動(dòng)控制要求。同時(shí)當(dāng)機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)吸氣壓力過低，排氣壓力過高，油壓差過低，油溫過高，油泵電機(jī)過載，壓縮機(jī)電機(jī)過載等故障時(shí)，能自動(dòng)停止機(jī)組運(yùn)行，并發(fā)出聲光報(bào)警，指示故障部位。

2、自動(dòng)控制模式：

通過觸摸屏可以在儀表控制室監(jiān)控壓縮機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，能跟據(jù)實(shí)際工況自動(dòng)調(diào)節(jié)能量范圍（40~100%）。機(jī)組發(fā)生故障自動(dòng)保護(hù)并報(bào)警停機(jī)，顯示故障狀態(tài)，同時(shí)可以在現(xiàn)場(chǎng)操作壓縮機(jī)組的運(yùn)行。使操作更為方便靈活。

3、模擬量的配置

（1）壓力變送器：選用美國Setra公司 C209型壓力變送器四支，輸出4~20mA電流信號(hào)； 供電電壓24VDC。

吸氣壓力變送器    測(cè)量范圍0~1.6MPa;

排氣壓力變送器    測(cè)量范圍0~2.5MPa;

油濾前油壓變送器  測(cè)量范圍0~2.5MPa;

油濾后油壓變送器  測(cè)量范圍0~2.5MPa。

（2）溫度傳感器：選用德國JUMO公司PT100熱電阻三支。

吸氣溫度傳感器    測(cè)量范圍-50~50℃;

排氣溫度傳感器    測(cè)量范圍0~100℃;

油溫傳感器        測(cè)量范圍0~100℃。

（3）能量位置：選用WDD32Z—3能量位置電位器，測(cè)量范圍40~100%