国产三级

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      變頻器在中央空調改造上的應用

      欄目: 暖通制冷

      發表時間: 2017年11月6日

      一、引言

      中央空調是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一,據統計電能的消耗約占建筑物總消耗的50%。中央空調系統在設計上都是按最大負載并增加10%至20%的余量設計,由于季節、晝夜及用戶負荷的變化,實際負載比設計負載小的多,滿負載運行時間不到1%,雖然中央空調冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載,但是系統匹配的冷凍泵、冷卻泵及冷卻塔風機卻不能自動調節負載,長期在100%負載下運行,造成了能量的極大浪費,具有很大的節能空間。

      二、中央空調系統

      如圖1所示為典型的中央空調系統圖,主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及冷凍主機三部分組成:


      圖1 中央空調系統原理圖

      冷凍水循環系統
      該部分主要由冷凍水泵、終端風機盤柜機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道,進入室內進行熱交換,帶走房間內的熱量,最后回到主機蒸發器。室內風機盤柜用于將空氣吹過冷凍水管道,降低空氣溫度,加速室內熱交換。
      冷卻水循環系統
      該部分由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻水塔等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時,必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水,使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔,使之與大氣進行熱交換。
      制冷主機
      中央空調主機部分由制冷壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流閥及冷媒等組成,其工作循環過程為,首先低溫低壓氣態冷媒被壓縮機加壓成高溫高壓液體,進入冷凝器中經冷卻循環水冷卻并通過室外冷卻塔把熱量釋放到大氣中。隨后經過節流閥節流降壓變成低壓氣液混合物進入蒸發器,冷媒在蒸發器中不斷氣化,同時吸收冷凍循環水中的熱量形成冷水。最后,蒸發器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體,重新進入了壓縮機,如此循環往復。

      三、中央空調節能理論

      由流體力學理論可知,離心式流體傳輸設備(如離心式水泵、風機等)的輸出流量 Q與其轉速 n 成正比;輸出壓力 P(揚程)與其轉速 n 的平方成正比;輸出功率 N 與其轉速 n的三次方成正比,用數學公式可表示為:
      Q=K1×n
      P=K2×n2
      N=P×Q =K3×n3 (K1 K2 K3 為比例常數)
      由上述原理可知,采用變頻無極調速技術控制水泵的轉速方式調節流量,當流量下降時,電能消耗將以三次方的比例下降。如將電機的供電頻率由50Hz 降為40Hz,則理論上,電能消耗將減少48.8%。

      四、中央空調改造方案

      1、循環水系統的控制方案
      冷凍水循環系統采用穩定溫差(實時根據用冷量,調整變頻器的輸出頻率來穩定溫差)、壓差(保證最高供冷處壓力滿足要求)等參數控制;冷卻水循環系統采用穩定溫差、及冷卻塔環境溫濕度等參數控制,冷卻系統溫差及環境溫濕度控制,主機性能明顯優于冷卻水出水溫度控制。將冷凍和冷卻水的進、出水溫差控制在4.5~5℃,控制系統根據負荷變化的反饋信號經PID調節與變頻器組成閉環控制系統,PLC根據監控值控制變頻器工作頻率和水泵運行臺數,從而調節循環水流量,控制中央空調系統熱交換的速度。
      2、冷卻塔散熱系統控制方案
      冷卻塔散熱系統溫度傳感器檢測冷卻塔出水溫度值,將冷卻塔出水溫度控制在27~29℃,PLC根據出水溫度控制冷卻塔風機的運行臺數及變頻器的工作頻率,使冷卻水出水溫度達到設定值。
      3、電氣控制方案
      某大廈中央空調機組數據如下表:


      改造之前工頻運行,冷凍和冷卻進出水平均溫差在3.5℃左右,溫差越小改造節能空間越大。

      圖2 冷凍泵變頻電氣原理圖

      冷凍泵變頻電氣原理如圖2所示,控制原理為:(PLC)先控制0#變頻器軟啟動電機M1,當M1到達額定轉速時,仍未達到設定溫差值時,(PLC)控制M1切換工頻電網運行,然后再控制0#變頻器啟動M2,當M2到達額定轉速時,仍未達到設定溫差值時,(PLC)控制1#變頻器啟動M3,此時0#變頻器給定50HZ額定頻率,主要控制1#變頻器調節電機轉速,控制冷凍水的循環速度;當M3工作在下限轉速時,如果檢測值大于設定值,(PLC)控制電機M3停機,同時控制0#變頻器調節,當M2工作在下限轉速時,如果檢測值大于設定值,停止M1電機,0#變頻器通過調節M2水泵從而達到設定要求。
      冷卻水循環系統和冷卻塔系統變頻控制原理和冷凍水循環系統變頻控制原理相同,在方案中保留原工頻系統的基礎上加裝變頻控制系統,與原工頻系統之間僅設置連鎖以確保系統工作安全。
      調試參數設置
      1)F0.1 =6,CC 模擬量4~20mA輸入給定頻率,調節電機轉速;
      2)F0.4 =0001,選擇端子運行命令控制電機正轉、停止;
      3)F0.6 =0110,禁止水泵、風機反轉運行;
      4) F0.6 =30,變頻器下限頻率設為30HZ,為確保水泵風機有效流量及電機合適的溫升;
      5)F4.0=1,變頻器啟動方式設置為轉速跟蹤再啟動,避免冷卻塔風機由于外界風力作用
      使風機自轉而造成再生電能損壞變頻器。
      調試主要事項
      1、整改設備安裝完畢后,先將編好的程序寫入PLC,設定變頻器參數,檢查電器部分并逐級通電調試;
      2、投入試運行時,人為地減少負荷,觀察流量是否因頻率的降低而減小,并找到制冷機報警時的最低變頻器頻率,以及流量降低后管道末端的循環情況,使變頻器工作在一個最低的穩定工作點;
      3、用溫度計及時檢測各點溫度,以便檢驗溫度傳感器的精確度及校驗各工況狀態。
      五、中央空調系統變頻改造的優點
      1、采用變頻器閉環控制,可按需要進行軟件組態并設定溫度進行PID調節,使電機輸出功率隨熱負載的變化而變化,在滿足使用要求的前提下達到最大限度的節能;
      2、變頻器具有軟啟軟停,減少了振動、噪音和磨損,延長了設備維修周期和使用壽命,并減少了對電網沖擊,提高了系統的可靠性;
      3、變頻器對電機具有過壓、欠壓、過流、接地等多項保護措施,使系統的運轉率和安全可靠性大大提高;
      4、變頻器中直流電容器的隔離作用使輸入的功率因數接近于1,電動機的勵磁無功電流由電容器提供,可節約電網容量;
      5、變頻調速閉環控制系統與原工頻控制系統互為互鎖,不影響原系統的運行,且在變頻調速閉環控制系統檢修或故障時,原工頻控制系統照樣可以正常運行

      六、小結

      變頻器應用于中央空調系統,采用變頻閉環控制電機,按需要設定溫度,使設備儲備容量和隨時間季節的熱負載通過轉速調節,在滿足使用要求下達到最大限度的節能。目前已成功應用于多個中央空調節能改造現場,據統計分析節電率平均達到了30%以上。


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