中央空调变频节能改造设计实施

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　　摘要:本文通过对中央空调系统的变频节能改造的指标设计、方案实施以及实际运行效果分析,旨在使变频器在工业领域中得到广泛推广和应用,以达到节能减排、降低能耗和生产成本的目的。具有一定的实用价值。
　　关键词:中央空调;变频节能;设计
　　
　　一、概述
　　
　　在中央空调系统中,各种类型和不同功能的风机水泵的容量是根据建筑物最大设计冷热负荷设计选定的,并留有一定的设计余量。由于四季的变化,阴晴雨雪及白天与黑夜时,外界温度不同,使得中央空调的冷热负荷在绝大部分时间时远比设计负荷低。也就是说,中央空调实际大部分时间运行在低负荷状态下。据有关资料统计,67%的工程设计热负荷值为94～165/m2,而实际上83%的工程热负荷只有58～93W/m2,满负荷运行时间非常少。各种风机水泵一年四季在工频状态下全速运行,采用节流或回流挡板等方式来调节流量和风量,产生大量的节流或回流损失,因此造成了能量的较大浪费。随着科技的发展,变频器已广泛应用于各行各业,其较高的性价比和成熟的技术,在中央空调的各种风机水泵等电机拖动系统中接入变频系统,利用变频技术改变电机转速来调节流量和压力以及温度等参数的变化以取代阀门控制流量,将取得显著的节能效果。
　　
　　二、现场工作概况
　　
　　某生物药品有限公司是一家新建生物药品的生产厂家,新建的厂区已投入生产,为进一步提高公司产品的竞争力、节能降耗、最大限度的降低生产和人员成本,准备对公司生产运行中的能源大户进行节能改造,提高工艺设备的自动化程度,以满足GMP生产车间工艺要求。目前,现场涉及到的中央空调系统设备都是人为控制,设备的启动、停止、控制都是在人为干预的情况下进行操作,各个风机、水泵开机运行就在额定状态下运行,只是通过调整风道和管道上的各种阀门开度进行调节,能耗非常大,造成生产成本增大。根据现场设备运行情况分析,将以上设备进行变频自动化改造将有效地节约能源、提高设备的运行效率、并对设备和电网进行有效的保护,同时系统运行的自动化程度也得到了进一步提高。
　　我们根据目前设备运行情况,初步准备对动力中心中央空调系统、采暖循环泵系统、冻干机系统、纯水站循环泵、动物房空调系统、猪瘟疫苗车间空调系统蓝耳车间进行节能改造,其他需要改造的部分可以根据用户要求进行增加。
　　
　　三、变频运行节能原理
　　
　　(一)变频节能。由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如:一台水泵电机功率为55KW,当转速下降到原转速的4/5时,(运行频率为40HZ,额定频率为50HZ)其耗电量为28.16KW,省电48.8%,当转速下降到原转速的1/2时,其耗电量为6.875KW,省电87.5%。
　　(二)功率因数补偿节能。无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,由公式P=S×COSФ,Q=S×SINФ,其中S-视在功率,P-有功功率,Q-无功功率,COSФ-功率因数,COSФ越大,有功功率P越大,普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,COSФ≈1,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。
　　(三)软启动节能。由于电机为直接启动或Y/D启动,启动电流等于4～7倍的额定电流,这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备维护费用。
　　综上所述,对风机、水泵电机进行变频改造,是提高系统自动化程度和节能的最好途径。
　　
　　四、实施方案
　　
　　根据现场情况我们经与甲方领导多次沟通并根据资金状况和现场运行状况分析,决定采用单机变频节能改造,此方案一次投入资金相对较少,同样可以达到系统节能的要求,但没有完成整个系统自动化的集成,就系统节能测算,该方案的投资可在3年内收回。
　　(一)设计说明。该方案主要针对用户已经安装好的中央空调系统进行改造,特别针对厂区内能耗大户中央空调系统和冻干机系统进行单一变频节能改造,不实现整个系统的自动化集成,每一个各控制点需要现场采集测控信号,经PID运算后直接传送给现场变频控制柜,以实现对该点该设备的闭环控制,通过对各点的改造,实现各控制点的最佳变频运行状态,进而达到节能的目的。
　　1、单机变频控制柜的设计
　　(1)动力中心的空调风机共13台。其中新风机组两台,三台高效排风机,冷热水循环系统各一套,制冷系统冷却水循环系统(联动冷却塔风机)一套,以及冻干机系统中冷却水循环系统(联动冷却塔风机)一台,动物房空调风机三台,猪瘟疫苗车间空调系统三台,纯水站循环水泵3台,蓝耳疫苗车间空调系统(2个控制点)共35个控制点;其他如补水系统、地下水系统、锅炉系统以及自来水系统等涉及电机拖动的各系统不在此次改造范围之内,但可以根据要求和需要进行整个改造和集成。
　　(2)上述35个控制点中,26个空调风机控制点设计变频控制柜23台;3台高效风机工频运行,与需要产生负压的空调风机联动设计,保证三个负压车间正常;水系统各控制点设计7台变频柜,其中冷却水循环泵与冷却塔风机联动,三台纯水循环系统各设计一台控制柜,根据安装在现场传感器采集的信号分别送入各自控制柜以实现对单系统的闭环恒压力或恒温度运行。
　　(3)各控制柜分别具有现场手动操作(手动工频起停操作)、现场变频操作(现场手动变频器起停、频率手动设定操作)和远传微机控制三种操作方式;以便系统操作和今后需要系统集成时备用。
　　(4)控制柜设计微电脑定时装置,可以对设备运行的不同时间段、运行时间进行全面自动控制;减少人为误差。
　　(5)本次设计没有涉及到的其他部分可以根据甲方提出的要求进行增加,以达到整个工厂变频节能改造和自动控制的目的。
　　2、制冷系统
　　(1)冷却水循环。冷却水循环泵:45KW两台,一用一备,采用温度传感器对回水进行恒温度控制;45KW变频柜一台,配供回水温度传感器和控制器单泵恒温控制,具有定时切换功能,防止备用水泵长时间不运行造成腐蚀。
　　(2)冷冻水循环。冷冻水循环泵:18.5KW三台,两用一备,采用温度传感器对回水进行恒温度控制;18.5KW变频柜一台,配回水温度传感器,具有循环软启动功能。
　　(3)冷却塔风机。冷却塔风机7.5KW一台,采用温度变送器采集冷却塔出水温度进行控制,出水温度低于30度时停止运行,高于35度工频启动运行,与冷却水循环泵变频控制系统联动运行。
　　3、制热系统
　　热交换器后热媒水循环泵11KW两台,采用温度传感器对回水进行温度控制;11KW变频柜一台,配回水温度传感器恒温度控制,具有备循环软启动功能。
　　4、冻干机系统
　　(1)冷却水循环泵18.5KW两台,采用温度变送器对回水进行恒温差控制;18.5KW单泵变频柜一台,配回水温度传感器单泵恒温控制,具有定时切换功能,防止备用水泵长时间不运行造成腐蚀。

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　　(2)冷却塔风机7.5KW一台,采用温度变送器采集冷却塔出水温度进行控制,出水温度低于30度时停止运行,高于35度工频启动运行,与冷却水循环泵变频控制系统联动运行。
　　5、组合式变风量空调机组
　　(1)新风机组,两台套(K2A-X、K2B-X),功率:11KW,采用变频定频率运行,运行频率根据现场情况设定,既保证新风量的补充,又保证风道系统的压力和温度的恒定,两台11KW变频柜,具有手动和变频运行功能。
　　(2)空调风机正压区,十台套,7.5KW风机六台(JK2A-1、2、3、4、5和JK2B-4),18.5KW风机三台(JK2A-6、JK2B-1、JK2B-6),新增3KW风机一台。采用静压传感器采集回风口风道静压,经控制器运算输出控制变频器闭环变频运行,当频率达到50HZ时输出开关量信号,判定高效过滤器堵塞需要更换;采用7.5KW单泵变频控制柜六台、18.5KW单泵变频控制柜三台,变频柜分别具有现场手动操作(手动工频起停操作)、现场变频操作(现场手动变频器起停、频率手动设定操作)、恒变量闭环自动运行以及远传微机控制四种操作方式;以便系统操作和今后需要系统集成时备用。
　　(3)空调风机负压区,三台套,7.5KW风机三台(JK2B-2、JK2B-3、JK2B-5)。由于负压区循环风道上分别有三台功率2.2KW高效排风风机,需要与送风机联动配合,在保证车间负压的前提下对送风风机进行变频调速控制。
　　(4)动物房间组合空调风机三台,功率分别为7.5KW、2.2KW和4KW各一台,与上述空调风机正压区控制一致;设三台变频控制柜,功率分别为7.5KW、2.2KW和4KW。
　　(5)纯水站循环水泵三台套,功率为3KW,由于白天夜间用水量变化较大,拟采用压力传感器进行恒压力控制,设计单泵变频柜三台,功率为3KW。
　　(6)新增猪瘟疫苗车间空调系统三台;功率分别为3KW、5.5KW和7.5KW各一台,与上述空调风机正压区控制一致;设三台变频控制柜,功率分别为3KW、5.5KW和7.5KW。
　　以上共涉及33个控制点,施工地点分别在动力中心风机15台、水系统3台、冻干机房1台、动物房风机3台,纯水站3台,猪瘟车间风机3台,5个施工地点。
　　(二)冷冻水、冷却水变频改造示意图(如图1所示)。
　　(三)冷冻(媒)水、热媒水泵系统的闭环控制。
　　1、制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制
　　该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下,确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定,变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度,再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减,其控制方式为:冷冻回水温度高于设定温度时频率无极上调最大达到50HZ。反之频率无极下调最低达到最低运行频率。
　　2、供热模式下热媒水泵系统的闭环控制
　　该模式是在冬季采暖模式下热媒水循环水泵系统的控制方案。热源为厂区锅炉热交换产生;同制冷模式控制方案一样,在保证最末端设备热媒水流量供给的情况下,确定一个热媒水泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定,变频热媒水水泵的频率调节是通过安装在热水系统回水主管上的温度传感器检测回水温度,再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。同理,循环水回水温度低于设定温度时频率无极上调最大达到50HZ。反之频率无极下调最低达到最低运行频率。
　　(四)冷却水系统的闭环控制。目前,在冷却水系统进行改造的方案最为常见,节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下,通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量,当中中央空调冷却水出水温度低时,减少冷却水流量;当中中央空调冷却水出水温度高时,加大冷却水流量,从而达到在保证中中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。
　　现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定,变频冷却水泵的频率是取冷却回水温度信号来调节,当回水温度大于设定值时,频率无极上调,当回水温度小于设定值时,频率无极下调,同时当冷却水回水温度高于设定值时,频率优先无极上调最大至50HZ,当冷却水回水温度低于设定值时频率优先无极下调达到最低运行频率。另外配合室外冷却塔风机运行,当冷却水回水温度低于30℃时停止,大于35℃开启;应与冷却水循环水泵变频控制柜一同设计。
　　(五)变频风机的静压PID控制方式。送风机的空气处理装置是采用冷热水来调节空气温度的热交换器。大型商场、人员较集中且面积较大的场所常使用此类装置。图2给出了一个空气处理装置中送风机的静压控制系统。如果送风干管不只一条,则需设置用静压要求最低的传感器控制风机。风管静压的设定值(主送风管道末端最后一个支管前的静压)一般取250～375Pa之间。若各通风口挡板开启数增加,则静压值比给定值低,控制风机转速增加,加大送风量;若各通风口挡板开启数减少,静压值上升,控制风机转速下降,送风量减少,静压又降低,从而形成了一个静压控制的PID闭环。
　　(六)冷却塔散热风扇的改造。冷却塔的散热风扇主要是用来加快冷却水在喷淋过程中的散热速度。对于风扇的控制可采用回水温度控制的方式,当循环冷却水泵运行在变频控制状态,冷却回水温度大于35℃时,冷却塔风机自动开启运行,当冷却回水温度小于30℃时,冷却塔风机自动停止运行,从而避免为满足冷却塔出水水温≤32℃,必须使风机处在工频状态下运行,而造成水温过低,形成不必要的能源浪费。
　　(七)纯水站3KW循环泵改造。涉及到3个3KW循环水泵的变频改造,拟采用循环水出水恒压变频控制,或采用分时段定频率运行方式进行改造,控制柜设计3KW单泵控制柜各一台,恒出水压力控制。
　　(八)动物房三台变风量空调机组。按照静压传感器恒压力变频运行以达到节能效果。
　　(九)设备的选型,主要包括:
　　1、变频器
　　变频器是此次节能改造的重要设备,设备的稳定性和操作的灵活性简便是该系统可靠、安全的根本,同时结合操作人员的掌握程度,我们选用了日本三垦、富士产品。
　　2、低压电器
　　低压电器的主要元器件我们选用了施耐德产品,以提高控制设备的可靠性,其他电器件选用国内知名品牌。
　　(1)整个改造系统我们将保留原系统控制设备,以确保改造前后系统运行的可靠性和延续性。
　　(2)根据对改造设备安装现场的考察,我们采用了一个控制点一台设备的设计方案,确保单一系统故障时不影响其他设备的正常运行操作。
　　(3)传感器选用了美国的KMC产品。
　　
　　五、结语
　　
　　该系统已于2007年10月正式投入使用,从运行效果看,完全能满足设计需要,节能效果平均达到15%～20%;单从节能收益分析,三年内即可收回全部投资,设备运行稳定性和自动化程度明显提高,延长了设备使用寿命,符合国家“十一五”规划的节能减排、节能降耗的要求,有着广泛的社会效益。目前中央空调系统大都采用水源热泵空调系统,虽然达到利用地热恒温水达到降耗目的,但由于自动化系统大都采用电动风阀、电动阀门来调节温度、湿度以及新风的补给量,风机和水泵一直运行在工频状态,因此水系统和风系统具有广泛的节能改造空间,通过变频改造,以达到系统全部节能变频运行的目的,最大限度使系统运行在最佳节能状态。
　　
　　参考文献:
　　1.李林,《智能大厦系统工程》,北京:电子工业出版社,1998
　　2.邹根南,《制冷装置及其自动化》,北京:机械工业出版社,1987
　　3.张祉佑,《制冷原理与设备》,北京:机械工业出版社,1988
　　4.《美国KMC楼控产品说明书》