矩形科技N80在冷水机组节能应用方案

技术方案概述

1   系统描述

1.1 冷水机组系统概述

冷水机组在空调系统里使用十分广泛。通常有蒸气压缩式冷水机组和吸收式冷水机组两类。蒸气压缩式冷水机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流机构及其他辅助设备和管道等组成。按照压缩机种类的不同, 分为容积式压缩机冷水机组和速度式压缩机冷水机组两类。容积式压缩机冷水机组包括往复活塞式、滚动活塞式、涡旋式和螺杆式压缩机等冷水机组, 速度式压缩机冷水组目前只有离心式压缩机冷水机组一种。

1.2变频技术在冷水机组中的应用

变频技术在容积式压缩机冷水机组中应用较多, 因为容积式压缩机的制冷量与转速成正比, 变频技术比较容易实现。目前用得较多的是滚动活塞式和涡旋式压缩机冷水机组。

1.3变频技术在离心式冷水机组中的应用

离心式压缩机压缩制冷剂气体的方式和容积式不同, 它是通过高速旋转的叶轮对制冷剂气体作功, 气体获得能量后, 压力和流速提高, 然后, 在扩压器内将流速降低, 压力继续提高, 并从蜗壳排出, 进入冷凝器。转速的改变不仅引起流量的改变, 而且还会引起压力的改变, 此外, 当转速减小使流量减小后, 气流在叶轮和扩压器流道里会造成冲击、旋涡和脱离, 并且可能会产生喘振, 这是离心式冷水机组使用变频技术的难点。通常, 空气调节系统的冷负荷随季节气候和室

内居留人员数量而变化, 空调用冷水机组的制冷量需要和它相匹配, 也要相应的变化。在一年的运转时间内, 满负荷制冷量的运转时间并不长, 大部分是在部分负荷下运转。因此, 部分负荷下的高效、节能对降低全年能耗具有十分重要的意义, 这就是离心式压缩机冷水机组发展变频的动力。

1.4离心式冷水机组配套设计及实际运行状况分析

离心式冷水机组的总负荷设计一般是按照夏季生产线最大负荷工况并预留一定裕量作为依据设计的，另设计者还要根据生产线运行负荷变化情况及运行工况等级特殊要求考虑配置的。如在全年连续运行的生产线需配置一开一备或多开一备等多种运行模式设计。

在实际的生产应用过程中，离心冷水机组的运行负荷处于较大动态变化。如每天早晚，每季交替，每年轮回，环境气温变化等因素对机组的运行负荷影响很大。据统计机组在全年处于最大负荷运行时间只有短短几十天，其余大部分时间都是处于50%-80%冷负荷运行，在冬天甚至处于更低负荷运行。这样，就会造成实际所需冷负荷与最大功率输出之间的矛盾，从而降低了设备的运行效率，造成巨大能源浪费，给企业造成巨额电费支出，增加经营成本，降低企业竞争力。

在使用没有具备负载随负荷变化调速特性的离心式冷水机组控制系统中，无论季节、昼夜气温和用户负荷的怎样变化，电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管系统采用了扇门档板节流方式，但这种调节方式仅是改变流通的阻力，其大部分时间运行效率较低，造成大量的能量浪费，如能釆取有效措施，提高设备的运行效率，减少这部分电能损耗，则会收到很大的节能效果。

1.5 离心冷水机组变频拖动的节能原理与分析

变频器是一种高效节能调速装置，应用广泛，在不同的应用场合可以体现不同的功能，以达到不同的目的，同时还可以提高设备的精确控制能力，并节约电能，延长设备使用寿命，降低生产成本。变频器除了在节能上的优势外，它的启动性能也十分优异，在电机启动过程中，用变频器实现软启动，可以克服工频起动时引起电流过大造成的机械冲击，并减少了对电网及电机本身的冲击，对设备的保护及电网的稳定运行都起到很大的作用。

离心式冷水机组釆用变频器拖动，主要从两个方面实现节能：一是部分负荷运行状态下的节能，二是低冷却水温度下的节能。

①部分负荷状态下运行的节能：

众所周知，冷水机组90%以上的时间运行在部分负荷工况。通常，在部分负荷下，恒速离心机通过调节导流叶片开度来调节机组输出冷量，最高效率点通常在75%~90%负荷左右，负荷降低，单位冷量能耗增加较显著，使用变频器后将优化电机转速和GVA(导叶)的开度，使机组运行转速最小而效率最高，能耗达到最小。

②低冷却水温度状态下运行的节能：

机组在夜间、过渡季节甚至是冬天运行时，冷却水的温度往往比较低。对于恒速机组，需要有恒定的工作条件，即需要有恒定的蒸发压力和冷凝压力。但冷却水温度降低后，必然使得冷凝压力相应地降低，此时，为了满足离心压缩机的工作条件，只有通过关小进口导叶，减小输气量，从而调整离心压缩机的工作点，以适应更低的冷凝压力。但以上调节却降低了机组的效率，无端地消耗了更多的能量。而使用变频器后，则可以通过调整压缩机的转速，以适应冷凝温度的变化，最大限度地利用低冷却水温的节能效应，达到节能的目的。机组在低冷却水温下，使用变频器有非常明显的节能效果，且冷却温度越低，节能效果越显著，当负荷变低时，这个效果还更加明显。对于在过渡季节甚至冬季投入使用的机组来说，安装变频器的节能效果是非常明显的。

1.6 变频器应用于离心冷水机组负载特性分析

恒速离心式冷水机组在满负荷工况时，其cop值一般为5左右，而在部分负荷时，机组效率将显著降低。我国在《公共建筑节能设计标准》中引入了IPLV的概念。 IPLV的计算公式如下：

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

其中： A——100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度30℃；

       B——75%负荷时的性能系数（W/W） ，冷却水进水温度26℃；

       C——50%负荷时的性能系数（W/W） ，冷却水进水温度23℃；

       D——25%负荷时的性能系数（W/W） ，冷却水进水温度19℃；

从上式可以看出，空调系统全年有97.7%的时间是在部分负荷下运行的，在此工况下恒速机组效率较差。这是因为恒速离心式冷水机组在部分负荷状态下时，是通过导流叶片（GVA）调节、进口节流调节等方式来实现制冷量调节的。进口节流调节经济效益较差；而导流叶片略微关闭时，改变了气流进入叶片的方向，从而使压缩机的效率略有提高，导流叶片调节在一定范围内调节时还是比较合理，但当导叶开度小于30%时，节流作用明显增加，效率大为下降，浪费了能源。

离心压缩机是由电机通过增速齿轮带动叶轮高速旋转，由此产生的离心力压缩制冷气体使动能转化为压能。则电机的输入功率满足以下关系式：

P=KΔPtfVf /ηt 

其中：P——电机功率

      K——常数

      ΔPtf——气态制冷剂的全压

      Vf——气态制冷剂的体积流量

      Ηt——电机效率

根据流体力学原理，上式中ΔPtf与转速的平方成正比， Vf与转速成正比，所以电机功率与转速的三次方成正比，所以减小转速意味着减小功率，即提高效率，降低功耗。

因此，在满足生产负荷工况下，变频冷水机组在部分负荷运行下降低电机运行速度，则会大大降低电机轴功率输出及保持较高效率运行。同时离心压缩机也无需消耗无谓的能量来过度加速制冷剂气体，从而降低了能耗。

当然，离心式冷水机组并非采用变频拖动后在所有的负荷状态下都节能。机组在高负荷区运行时，根据美国空调制冷学会ARI工况运行的效能比对照数据证明，单级压缩的离心式冷水机组由于采用增速齿轮压缩机结构，机组在100%负荷向90%负荷卸载时，不能提高机组效率，加上变频控制会有3%-4%的功率损失，因此机组在高负荷区运行时，变频离心机式冷水机组运行效率较差，但由于占全年的总运行时间很少，因此并不影响全年的节能效果。

1.7 矩形科技N80在离心式冷水机组中的应用

1.7.1、冷水机组工作流程

1.7.2冷水机组控制要求

1.7.3冷水机组控制系统的组成

冷水机组的电控部分由微机控制箱、低压电控柜、高压起动柜、压力温度传感元件及各种控制电磁阀组成。微机控制箱内的控制器选用矩形科技公司生产的N80-M39MAD-AC系列可编程序控制器。实现对单台螺杆冷水机组全工作过程的自动控制、故障检测及故障的预处理和保护性停机。单机显示部分也选用矩形科技公司生产的SA-10.4触摸屏，完成单机各种运行参数的显示、机组调节参数及保护参数的设定、机组故障报警的中文信息提示。变频器选用易能公司生产的EDS2000系列变频器。对冷水机组进行有效控制，根据自然曲线来设计全变频冷水机组的运行，协调正在运行的冷水机，使其达到相同负荷。目的是设定冷水机的运行方案，使冷水机运行时尽可能地接近它们的自然曲线；同时，确定冷却塔的运行方案，优化冷却水泵和冷却塔风机的转速，使得冷水机组的性能最佳，同时完成机组控制盘面的部分操作。触摸屏上清晰明了的菜单，免说明书的操作模式会给使用者带来方便。传感部分选用美国西特公司生产的C209压力变送器和德国JUMO的温度传感器。使整机性能进一步稳定，可靠性进一步提高。

1、手动控制模式：

整个控制系统由高压起动柜，低压控制柜，机组上的仪表器箱等电器设备组成。实现螺杆压缩机组手动控制要求。同时当机组在运行过程中出现吸气压力过低，排气压力过高，油压差过低，油温过高，油泵电机过载，压缩机电机过载等故障时，能自动停止机组运行，并发出声光报警，指示故障部位。

2、自动控制模式：

通过触摸屏可以在仪表控制室监控压缩机组的运行参数，能跟据实际工况自动调节能量范围（40~100%）。机组发生故障自动保护并报警停机，显示故障状态，同时可以在现场操作压缩机组的运行。使操作更为方便灵活。

3、模拟量的配置

（1）压力变送器：选用美国Setra公司 C209型压力变送器四支，输出4~20mA电流信号； 供电电压24VDC。

吸气压力变送器    测量范围0~1.6MPa;

排气压力变送器    测量范围0~2.5MPa;

油滤前油压变送器  测量范围0~2.5MPa;

油滤后油压变送器  测量范围0~2.5MPa。

（2）温度传感器：选用德国JUMO公司PT100热电阻三支。

吸气温度传感器    测量范围-50~50℃;

排气温度传感器    测量范围0~100℃;

油温传感器        测量范围0~100℃。

（3）能量位置：选用WDD32Z—3能量位置电位器，测量范围40~100%

 1.7.4冷水机组控制系统电气图

1.7.5 冷水机组变频控制主回路图

1.7.6 冷水机组变频控制界面