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冷水機(jī)組節(jié)能改造解決方案
深圳市矩形科技有限公司
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技術(shù)方案概述

1   系統(tǒng)描述

1.1 冷水機(jī)組系統(tǒng)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。

1.2變頻技術(shù)在冷水機(jī)組中的應(yīng)用

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。

1.3變頻技術(shù)在離心式冷水機(jī)組中的應(yīng)用

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(guò)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(zhǎng), 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。

1.4離心式冷水機(jī)組配套設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行狀況分析

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(kāi)一備或多開(kāi)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(guò)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(yíng)成本,降低企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
在使用沒(méi)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(wú)論季節(jié)、晝夜氣溫和用戶負(fù)荷的怎樣變化,電機(jī)都長(zhǎng)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。

1.5 離心冷水機(jī)組變頻拖動(dòng)的節(jié)能原理與分析

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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開(kāi)度來(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)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(wú)端地消耗了更多的能量。而使用變頻器后,則可以通過(guò)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(guò)渡季節(jié)甚至冬季投入使用的機(jī)組來(lái)說(shuō),安裝變頻器的節(jié)能效果是非常明顯的。

1.6 變頻器應(yīng)用于離心冷水機(jī)組負(fù)載特性分析

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(guó)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(guò)導(dǎo)流葉片(GVA)調(diào)節(jié)、進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)等方式來(lái)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(kāi)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(guò)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(wú)需消耗無(wú)謂的能量來(lái)過(guò)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(guó)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。

1.7 矩形科技N80在離心式冷水機(jī)組中的應(yīng)用

1.7.1、冷水機(jī)組工作流程
 
 
 
1.7.2冷水機(jī)組控制要求

冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)
吸氣溫度檢測(cè)
檢測(cè)范圍-50~50℃
排氣溫度檢測(cè)
檢測(cè)范圍0~100℃
油溫傳感檢測(cè)
檢測(cè)范圍0~100℃
能量位置檢測(cè)
檢測(cè)范圍40~100%
內(nèi)壓比大小檢測(cè)
檢測(cè)范圍3.5~7.5
吸氣壓力檢測(cè)
檢測(cè)范圍0~1.6MPa
排氣壓力檢測(cè)
檢測(cè)范圍0~2.5MPa
油濾前油壓檢測(cè)
檢測(cè)范圍0~2.5MPa
油濾后油壓檢測(cè)
檢測(cè)范圍0~2.5MPa
冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)控制
油泵起?刂
壓縮機(jī)起?刂
能量增減控制
內(nèi)壓比大小控制
經(jīng)濟(jì)器電磁閥控制

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.7.3冷水機(jī)組控制系統(tǒng)的組成
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(guò)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(lái)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(shuō)明書(shū)的操作模式會(huì)給使用者帶來(lái)方便。傳感部分選用美國(guó)西特公司生產(chǎn)的C209壓力變送器和德國(guó)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(guò)程中出現(xiàn)吸氣壓力過(guò)低,排氣壓力過(guò)高,油壓差過(guò)低,油溫過(guò)高,油泵電機(jī)過(guò)載,壓縮機(jī)電機(jī)過(guò)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(guò)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(guó)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(guó)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%
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.7.4冷水機(jī)組控制系統(tǒng)電氣圖
 
1.7.5 冷水機(jī)組變頻控制主回路圖
 
 
1.7.6 冷水機(jī)組變頻控制界面
 

 

狀 態(tài): 離線

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