工控自动化应用方案：易能EDS2000系列变频器在中央空调改造系统中的应用

易能EDS2000系列变频器在中央空调改造系统中的应用

一、前言中央空调是写字楼、酒店、商场里的耗电大户，大约占总耗电量的60%左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。由于在进行方案设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时的工况进行设计，并且留有10-20%的设计余量，然而实际上绝大部分时间内空调是不会运行在满负荷状态下的，存在很大的富余，其中，主机可以根据负载变化随之加载或减载，而冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化做出相应调节，存在很大的浪费。由于水的放热系数与水流速的0.8次方呈正比、而水流的压力损失与水流速的平方呈正比，因此水流速增高时，放热系数的增加并不明显，并且流速增加到一定程度时，几乎就不再变化，而压力损失却非常大，因此当机组处在非额定负荷时，就可以通过循环水量的降低，从而减少动力消耗。中央空调水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节流量并关闭阀门、旁通等。由于水泵多采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流为其额定电流的3～4倍，一台55KW的电动机其起动电流将达到300A以上，在如此大的电流冲击下，空气开关、接触器、电机的使用寿命都将大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。典型的中央空调机组系统主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成： ● 冷冻水循环系统该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。 ● 冷却水循环部分该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。 ● 主机主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成，其工作循环过程如下：首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。二、工况能耗分析在当今国家大力倡导节能环保的情势下，各大型中央空调系统节能改造势在必行，2005年初中电博达节能科技有限公司对北京一家厦门商务会馆的中央空调系统用易能EDS2000系列进行了变频节能改造。2005年冬季正式投入使用，至今运行将近3年时间，根据客户的反应，此变频改造后的节能效果非常明显，每年节电率约在38％，设备维护费每年减少约4万元！下面就易能变频器在厦门商务会馆中央空调上的具体应用作一下总结以便大家探讨之用北京厦门商务会馆大厦概况：主楼8层，约50米高，地下两层，总面积30000平方米。冷冻站设在大厦地下二层内，冷冻机采用直燃式溴化锂制冷热水机组，燃料为天然气，冷量2326KW/台，热量1860KW/台，共二台（一备一用），总冷量4652KW（300万KCAL/H），总热量3720KW（240万KCAL/H），单台机冷水流量400米3/小时，给、回水温度为7℃/12℃，温差为5℃；热水流量200米3/H，给、回水温度为75℃/67℃，（该机最高温度为95℃，为安全起见，选75℃）温差为8℃。选用冷却水泵、冷冻水泵各为55KW，二备二用，共8台冬夏共用。商用电价较高，平均为0.8元/度。空调一年中使用的时间可分为三段：1、致冷天数为180天、致热天数为120天，其他采用全新风。2、夏季2台同时运行时间为10天；冬季2台同时运行的时间为12天；3、冬、夏两季每天致热或致冷的时间各为16小时。原水泵在制冷的180天时间里的电耗和运行费用如下：夏季冷却水泵电耗为：334400KWH；电费为：3344000.8=267520元原水泵在制热的120天时间里的电耗和运行费用如下：冬季冷却水泵电耗：221760KWH，电费为：2217600.8=177408元所有水泵按额定功率运行计算以上两项合计全年电费为：￥444928元，根据此大厦往年用电记录显示：2004年全年“以上两项实际用电电费为：435928元”即水泵的实际运行功率为额定功率98％左右 ● 下面就冷却系统作下具体分析： 1、如上图所示，P1、P2、P3、P4、P5为水压表，V1、V2、V3为阀门。冷却系统正常运行时（例如2#冷却泵、3#冷却泵运行，1#冷却泵备用），泵入口压力P4为0.4Mpa， 2#冷却泵出口压力P2为0.8Mpa，阀门V2后的压力P5为0.65Mpa。显然，2#冷却泵增压为0.8-0.4=0.4Mpa，冷却水在阀门V2上的降压为0.15Mpa。由此可见，泵施加到冷却水上的能量有37%消耗在阀门V2上了。 2、冷冻水系统的情况与冷却水系统相同，这里就不在赘述。由以上分析可以得出这样的结论：在空调机组非额定负荷运行状态时，冷却水泵、冷冻水泵却长期处于满负荷运行状态，电机作了大量的无用功，造成了大量电能的浪费。三、改造方案控制系统根据温度传感器检测到的温度信号值，经模拟、数字信号转换后，通过可编程控制器（PLC）和变频器调整各泵电机的工作状态（主要是转速），保证各电机以最小功率输出，精确地进行温度控制，即使变频控制回路发生故障，本控制系统的变频—工频切换功能也可将机组切换到工频工作，以确保设备正常工作的需要。夏季根据主机组的使用数量和给、回水温差调整水泵运行的数量和转速，当冷负荷变化较小时，通过机组的自身的能量系统调节主机组的出力，结合调整水泵的转速，维持5度的温差，保证机组的恒流量。当负荷变化较大，冷冻机组运行数量发生变化时，二台机组同时工作，则四台泵在额定转速下运转。冷却水循环系统的回水与出水的温差，反应了需要交换的热量多少。根据回水和出水温差，控制循环水的流速来控制热交换量，在满足需要的前提下，达到节电的目的。温差大说明冷却机组产生的热量大，应降低回水和出水的温度差，通过加快控制循环水的速度来控制热交换的速度，加速冷却水的降温；温差小，说明冷却机组产生的热量小，可降低冷却泵的循环速度。可编程控制器（PLC）将传感器检测到的温差信号同设定温差比较后控制变频器调整电机的转速。下面分别针对两套系统进行仔细说明： 1. 冷冻水系统：对于冷冻水系统，由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数（一般冷冻水出水温度为7℃），只需要控制高温冷冻水（回水）的温度，即可以控制温差，现采用温度传感器、PID调节器、变频器组成闭还控制系统，冷冻水回水温度控制在12℃，使冷冻水泵的转速随着负载热负荷的变化而变化。控制原理见下图： 2. 冷却水系统：对于冷却水系统，取冷凝器两侧冷却水的温度作为控制参数，采用温度传感器、PID调节器、变频器、冷却水泵组成闭还控制系统，冷却水温差控制在T2，本系统为5℃，使冷却水泵的转速随着负载热负荷的变化而变化。控制原理见下图：根据厦门商务会馆中央空调系统的实际情况以及对本系统改造的要求，冷却水系统可以满足制冷主机在100%制冷负荷时对冷却水流量的要求(本系统为1200m3/h)，在主机制冷负荷不足100%时，本系统根据冷却出水和回水的温度差，动态地调整泵电机转速，并以最小的电能向制冷主机提供所需的冷却水流量。 1、本系统设有流量下限(不能低于溴化锂机组额定流量1200m3/h的60%即720m3/h左右)，这样就可以保证溴化锂主机内的流量保护开关在正常情况下不会动作。 2、本系统还设有压力上限，管网内的水压不会超过管网及制冷主机所能承受的最大压力。 3. 易能EDS2000系列变频器简单电气接线图：厦门商务会馆的中央空调变频改造系统中用四台EDS2000－4T0550G/P变频器分别控制二台冷冻泵、二台冷却泵。2台EDS2000－4T0150G/P的变频器控制冷却塔见机，1台EDS2000－4T0055G/P的控制补水泵，2台EDS2000－4T0075G/P分别控制二台热水泵。 1、基本接线图: 2、参数设置如下： 1）根据电机铭牌额定数据，对参数F0.05 ～ F0.09设置。 2）F0.00 =5，CCI模拟量4～20mA输入给定频率，调节电机转速。 3）F0.02 = 1，选择端子运行命令控制电机正转、反转、停止。 4）F0.17 = 30，变频器下限频率设为30HZ，为确保中央空调主机最低流量不致于损坏主机而设。四、投资回报分析此商务会馆的中央空调系统用易能电气的EDS2000系列改造后，2005年冬正式投入使用，至今快近3年时间，根据这3年的水泵年用电电费记录表显示，2006年、2007年电费分别为285682元、267358元。年节电率分别为34.5％，38.7％（与2004年水泵年耗电费435928元比较）五、改造后的效果满足中央空调主机对冷却水流量的要求，使中央空调主机能够达到其额定的制冷量，满足中央空调机组在夏季最热时能提供足够的致冷量；在冬季最冷时提供足够的致热量。准确地进行温度控制，提供更舒适的环境；循环水系统（包括冷却水和冷冻水系统）不能根据温度来自动调节循环水的循环速度，只能靠人工手动调整阀门的开度来调节循环水的循环速度，从而无法进行准确地温度控制。采用变频控制系统后，可根据温度传感器反馈回来的温度信号控制水的循环速度，从而进行准确地温度控制。节电效果明显，节电率平均可达35%以上；原系统是用阀门来调整水的循环速度，当阀门关小时，循环水循环时阻力增加，浪费了大量的电能。采用了变频控制系统后，可将阀门全部打开，通过调整电机的转速来调整水的循环速度，节省了大量的电能。大幅度地降低噪音，减少公害，保护环境，并节约运行时的蒸汽量。原机组的电机起动时会出现较大的冲击电流，采用变频控制后，可以使电机起动时电流平缓上升，没有电流和机械冲击，另外，由于大功率电机停机时会产生很大的反馈冲击电流，对设备造成一定程度的损害。采用变频控制后，可使电机实现软停，避免反馈电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命。自动调整冷却水泵工作状态，减少维护量，延长管网系统寿命；本控制系统的变频—工频切换功能可以使变频控制系统发生故障时将空调机组切换到工频工作，以确保空调机组可以正常工作。设有流量下限和压力上限保证制冷主机及系统管网的运行安全。

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