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高压变频调速器在空调系统中的应用

时间:2009-12-09 来源:未知 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

1、引言

 

    中央空调系统已经广泛应用于生产及公用、民用建筑中,并且是所有建筑物中的能耗大户,其能耗占建筑总能耗的1/3以上,有的空调能耗甚至高达65%。空调系统是按最大负荷来设计的,所以设备的选择都是按最不利情况来选型。在绝大部分时间内(例如:过渡季节,每天早晚,一般天气情况等),系统只是部分负荷运行,在这种情况下,冷机是部分负荷运行,水泵却是全功率运行。从节能角度来看,冷冻水泵也应作合理的调整。天津石化公司动力站在2000年年初投入试运行的冷冻水循环水装置,存在很大的冷水泵全功率运行的电能浪费,2004年在经过设计采用高压变频调速系统进行节流运行后,不但极大的满足了生产工艺及控制要求,而且成功地解决了能耗问题。

2、工艺现状

    2.1 运行情况
    天津石化公司化工厂动力站制冷系统有8台溴化锂制冷机,匹配4台冷水泵,系统是按用户所需冷量的最大负荷设计的。在实际运行中,大部分时间系统在非满负荷中运行。一台冷水泵对应三台溴冷机,三台溴冷机满负荷运行,冷水泵90%负荷运行。当少于三台溴冷机运行或三台溴冷机部分负荷运行时,只需冷水泵90%负荷以下运行,但冷水泵为全压工频运行,冷冻水的流量与压力是通过冷水泵出、入口联络管及冷冻水供、回水母管联络管上的调节阀来进行调节,造成电动机运行效率较低,而且降低了密封、阀门、法兰的使用寿命。经统计,每年在4月~10月间,86%的时间里电动机都在60%的负荷以下运行,如表1和表2所示,为了节能和改善管线的运行工况和控制水平,首先对4#冷水泵电机采用变频控制改造。
 


 


 

图1 冷水泵运行模式示意图

 

    2.2 技术参数
    (1) 冷冻水供用户压力: 0.47mpa 温度: 7℃
    (2) 溴冷机型号:ncc-63制冷量: 3516kw 
    流量: 605m3/h
    (3) 冷水泵型号: 单级双吸离心泵500s59 
    功率:450kw 流量:2020m3/h

3、水泵的工作特性及节电原理

    图2中,水泵运行工况点d是泵的特性曲线n1与管路阻曲线r1的交点。
 


 

图2 水泵调速时的h-q与工况分析

 

    用阀门控制时, 由于要减小流量, 关小阀门, 使阀门的磨擦阻力变大,阻力曲线由r1移到r2,扬程则从ho升到h1,流量从q1减小到q3, 运行工况从d点移到a点。
    使用调速控制时,阻力曲线r1原样不变。泵的特性取决于转速,如果把速度从n1降到n3,特性曲线也会从n1移到n3。结果,运行工况点从d点移到c点,扬程从ho下降到h3,流量从q1减小到q3。
    根据公式求出:
    a点运行时泵的轴功率为: pa=(q1h1γ)/(102η)
    c点运行时泵的轴功率为: pc=(q3h3γ)/(102η)
    两者之差为: δp=pa-pc=q(h1-h3)γ/(102η)
    也就是说,用阀门控制流量时,有δp功率时被浪费掉了。同时,随着阀门不断关小,这个损耗还要增加。而用转速控制时,流量q、扬程h、功率p和转速n之间的关系可写为:

    即流量q与转速n的一次方成正比; 扬程h与转速n的平方比成正比; 轴功率p与转速n的立方成正比。

4、工艺控制要求

    过去是用改变阀门开度的方法调节冷冻水的流量和压力(扬程)。现将变频器接入冷冻水系统中,冷冻水泵运行以冷冻水母管压力参数为给定量,决定水泵运行工况。根据工艺所需供水母管压力来调节电机转速,达到控制冷冻水的流量和压力的目的。

    4.1 单台变频泵运行时
    变频器只能作一台电机的变频电源,所以每台电机启动、停止必须相互闭锁,用逻辑电路控制,保证可靠切换。当制冷系统3台以下溴冷机运行,只需变频冷水泵单独运行时,另外三台工频泵备用。变频泵可以根据溴冷机冷冻水流量及冷冻水供水压力最低需要在36~50hz范围调节。
    (1) 当一台溴冷机运行时,变频泵设定频率为36hz,保证单台溴冷机正常运行的600m3/h流量需求,及冷冻水供水母管压力0.47mpa,如图2中泵的特性曲线n3;
    (2) 当两台溴冷机运行时,变频泵设定频率为41hz,保证两台溴冷机正常运行的1200m3/h流量需求,及冷冻水供水母管压力0.47mpa,如图2中泵的特性曲线n2;
    (3) 当三台溴冷机运行时,变频泵设定频率为45hz,保证三台溴冷机正常运行的1800m3/h流量需求,及冷冻水供水母管压力0.47mpa,如图2中泵的特性曲线n1。

    4.2 工频泵与变频泵并联运行时
    当制冷系统有4台以上溴冷机运行,需要增加系统中的流量,两台水泵并联工作,其中一台由工频泵做定速运行(性能曲线f2a2),另一台由变频泵做变速运行(性能曲线f1a1),如图3所示。另外两台工频泵备用。由于季节及昼夜温度的差别使得变频系统的运行有着特殊性,管网总出口的压力(ha)取决与两台并联水泵各自的出口压力(d2、d1),从而决定了变频泵不可能在太低的频率下运行,否则会引起倒流或不出水的情况。另一方面太低的频率回导致整体压力下降,达不到冷冻水循环系统总体的扬程要求,处于工频定速运行的水泵也易导致过流发生,在工频泵与变频泵同时运行的情况下,使变频泵最低的频率保持在38hz以上。通过调试,作变速运行的电机,频率给定(速度给定)由压力信号的大小自动进行三种不同频率(速度)的切换。
 


 

图3 工频泵与变频泵并联运行的h-q曲线与工况分析

 

    冷冻水系统如图4所示4#冷水泵, 电机容量为450kw,对应溴冷机运行方式。 
 


 

图4 冷冻水供水系统

 

5、变频器运行与操作

    天津石化化工厂选用的高压变频器是东方日立(成都)电控设备有限公司(原东方凯奇公司)生产的完美无谐波dfcvert-mv560/6b电压型变频装置。主回路采用igbt模块结构,控制方式为单片微型计算机控制。

    (1) 变频器调试完毕投入运行, 操作简便,按正常电机启停按钮即可,从运行(或停止)指令发出到变频器开始运行,延迟1~2s,同时有数码显示运行频率数值;
    (2) 电机启动特性改善, 使启动电流<1.5ih, 可实现电机软起动,待10~20s后电机正常运转;
    (3) 各种保护功能齐全, 发生事故时变频器首先自行跳闸, 备用工频电源和备用泵立即自行启动,有故障自诊断功能,减少了运行人员的重复劳动。

6、使用时的注意事项

    (1) 水泵、风机转速调节范围不宜太大, 通常不应低于额定转速的50%,最好在70%~100%之间。当转速低于额定转速的40%~50%时,水泵、风机本身的效率明显下降,更不经济。同时,应注意避开泵机组的机械临界共振转速,否则将会损坏泵机组。
    (2) 变频装置的特性尽可能与水泵的负载特性一致,否则效果往往不太理想。
    (3) 由spwm变频器驱动异步电机时,因高次谐波的影响,产生讨厌的噪声。可在变频器与电机之间装一电抗器(约为总阻抗的3%~4%),将v/f比降低到与负载相适应的程度,噪声可降低5~10db。
    (4) 由spwm变频器驱动异步电机时,流过电动机的电流比工频供电时约大5%左右。在电机低速运行时,冷却风扇能力下降,使电机的温升增高,应降低负载转矩和限定运行时间。
    (5) 变频器安装位置周围的环境温度应低于35℃,变频器的功率模块上装有风机进行强迫通风,散热片上装有热敏元件,进行过热保护。周围环境温度高于35℃时,功率模块性能变差,效率就会降低,尤其是长期运行的水泵,可能会损坏模块。
    (6) 选用变频器的容量要与电机电流(最大转矩)相匹配,并且可提高1~2个档次。尤其是工作环境差,环境温度高,长年连续运行的水泵一定要高2个档次以上。
    (7) 正式投运前,用0.5级模拟仪表准确测量电压、电流、频率、功率等参数值,以校验电机在设定工况条件下的正常运行能力。
    (8) 当两台以上水泵并联运行时,一台为定速(工频供电),一台为变速(变频供电),应先将定速泵按设计额定工况运行后,再用变速泵来调整系统参数。

7、经济效益分析

    以2002年4月~10月冷水泵运行情况为例,对4#冷水泵的运行进行节能分析,4#冷水泵全年运行时间6.5个月,约4680h,2002年4月~10月冷水泵运行工况见表3。
 

 

    1)以60%的运行负荷计算,运行时间约2250h:
    电动机恒速运行,挡板调节流量:
    所需功率

    消耗电量295×2250=663750kwh;
    采用变频器驱动电动机运行, 改变电动机转速调节流量:
    所需功率391×(0.6)3=84.5kw;
    消耗电量84.5×2250=190026kwh;
    每年节约用电约663750-190026=473724kwh。
    (2) 以30%的运行负荷计算,运行约1685h:
    电动机恒速运行,挡板调节流量:
    所需功率

    消耗电量222×1685=373470kwh;
    采用变频器驱动电动机运行, 改变电动机转速调节流量:
    所需功率391×(0.6)3=84.5kw;
    消耗电量84.5×1685=142382kwh;
    年节约用电约373470-142382=231088kwh。
    (3) 以90%的运行负荷计算,运行约749h;
    电动机恒速运行,挡板调节流量:
    所需功率

    消耗电量381×749=285369kwh;
    用变频器驱动电动机运行, 改变电动机转速调节流量;
    所需功率391×(0.9)3=285kw;
    消耗电量285×749=213465kwh;
    每年节约用电约285369-213465=71904kwh。
    (4) 在以上三种状态下,共节约电能:
    473724+231088+71904=776716kwh;
    按电费0.55元/kwh,节约电费;
    776716×0.55=427193元。
    (5) 使用变频器后,因冷冻水泵电机工作电流明显减小,电机运行温度明显下降,同时减少了机械磨损,机械检修工作量也大大减少。
    (6) 各种保护功能可靠,从而消除了因电机过载或单相运行而烧毁电机的现象,确保了安全运行。考虑其他设备的磨损及冷水泵的运行情况,预计仅半年便可节约68万元左右。

8、结束语

    空调系统冷水泵应用高压大功率无谐波变频器,可以使冷水泵随着溴冷机冷负荷的变化调整冷冻水循环量,充分利用冷水泵运行的输送能量,可达到节约大量电能的目的;冷水泵的软启动,保护了水泵、电机,降低了水泵启动时对电网的冲击,减少泵体和电机维护费;使溴冷机工况改善,提高溴冷机的工作效率;水泵变频运行,自动随负荷变化转速,大大降低冷水泵的噪音。

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