王鋒 劉媛 段希希

中國(guó)空間技術(shù)研究院動(dòng)力行政保障部，北京 100094

離心冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

王鋒 劉媛 段希希

中國(guó)空間技術(shù)研究院動(dòng)力行政保障部，北京 100094

本文首先從原理上介紹了變頻離心冷水機(jī)組的工作原理及工作特點(diǎn)，然后通過(guò)總結(jié)冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，推算對(duì)冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置后，在相同運(yùn)行條件下，冷水機(jī)組的運(yùn)行狀況以及節(jié)能情況。為進(jìn)行節(jié)能改造的可行性提供依據(jù)。

離心冷水機(jī)組；變頻；節(jié)能

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)迅猛發(fā)展，能源供應(yīng)緊張問(wèn)題日趨突出，節(jié)能已成為各行業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，建筑能耗已經(jīng)達(dá)到我國(guó)能源總消耗的30%左右，而中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)建筑能耗的50%～60%[1]。在中央空調(diào)系統(tǒng)能耗中，冷水機(jī)組的耗能又占據(jù)較大比例。所以冷水機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行問(wèn)題也就成為了制冷系統(tǒng)節(jié)能中關(guān)鍵的一環(huán)，越來(lái)越受到各個(gè)部門的重視。

本文通過(guò)介紹變頻離心冷水機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)、工作原理，從理論上說(shuō)明離心冷水機(jī)組的節(jié)能原理，同時(shí)結(jié)合本園區(qū)一臺(tái)離心冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，理論分析離心冷水機(jī)組在加裝變頻節(jié)能裝置后，能達(dá)到的節(jié)能效果。為存在類似工況的企業(yè)為改善冷水機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下能耗比例失衡的現(xiàn)狀，降低能耗而進(jìn)行的節(jié)能改造工作提供經(jīng)驗(yàn)。

1 變頻離心冷水機(jī)組的節(jié)能原理及特點(diǎn)

1.1 變頻離心冷水機(jī)組的工作原理

變頻離心冷水機(jī)組的工作原理是根據(jù)冷凍水實(shí)際溫度、設(shè)計(jì)溫度、蒸發(fā)/冷凝壓力等參數(shù)，通過(guò)控制主軸轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片開度來(lái)控制壓縮機(jī)的輸出負(fù)荷，從而使機(jī)組可以在較大的范圍內(nèi)運(yùn)行，又可以達(dá)到很好的節(jié)能目的[2]。

1.2 變頻離心冷水機(jī)組的工作特點(diǎn)

1.2.1 變頻離心冷水機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)

1）部分負(fù)荷的工況下機(jī)組性能好，節(jié)約能耗

由于設(shè)計(jì)工況下的冷水機(jī)組的冷量通常大于實(shí)際運(yùn)行工況下的冷量需求，所以離心冷水機(jī)組將近99%的時(shí)間都沒有達(dá)到滿負(fù)荷，而是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。當(dāng)普通冷水機(jī)組在部分負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，雖然可以調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片的開度，控制制冷劑的流量，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的耗功，但是這只是一種開環(huán)反饋調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)仍然存在做無(wú)用功而耗電的現(xiàn)象。不同的是，變頻離心冷水機(jī)組可以根據(jù)運(yùn)行參數(shù)，控制主軸轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片開度來(lái)控制壓縮機(jī)的輸出負(fù)荷，優(yōu)化壓縮機(jī)的做功能力，降低無(wú)用功的比例，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

2）配有前段有源整流技術(shù)，減少諧波干擾

變頻器的非線性負(fù)荷（如大功率整流二極管、大功率逆變晶體管等）會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，為了避免因控制不當(dāng)導(dǎo)致的線路發(fā)熱、機(jī)械諧波、絕緣失效、或可能導(dǎo)致周邊電子設(shè)備產(chǎn)生誤操作，變頻器配有前段有源整流設(shè)備，保證周邊設(shè)備運(yùn)行可靠。

3）避開喘振點(diǎn)，提高機(jī)組可靠性[3]

變頻離心冷水機(jī)組可以同時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開度和電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，可以控制離心機(jī)組迅速避開喘振點(diǎn)，避免喘振對(duì)機(jī)組的傷害，確保機(jī)組運(yùn)行安全

1.2.2 變頻離心冷水機(jī)組的缺點(diǎn)

1）在滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，變頻器耗電量約為機(jī)組功率總耗電量的3%，所以在機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，安裝變頻器不但不節(jié)能，而且還會(huì)費(fèi)電。

2) 變頻器的初投資費(fèi)用高，維修、維護(hù)費(fèi)用高[4]。

2、離心冷水機(jī)組全年運(yùn)行情況

園區(qū)內(nèi)有3臺(tái)離心式冷水機(jī)組，采用兩用一備的運(yùn)行方式，全年運(yùn)行過(guò)程中，只有2臺(tái)（1#機(jī)組、2#機(jī)組）機(jī)組參與運(yùn)行。這3臺(tái)離心冷水機(jī)組的制冷量均為700 U.S.RT，離心式冷水機(jī)組所配電動(dòng)機(jī)的額定電壓為380V，壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電機(jī)的工作電流為839A，額定功率為456kW。

每年供冷季（5月至10月）離心冷水機(jī)組為園區(qū)內(nèi)工藝性集中空調(diào)機(jī)組提供冷凍水，保障園區(qū)內(nèi)各試驗(yàn)區(qū)的工作環(huán)境達(dá)標(biāo)。下面以2008年供冷季離心冷水機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，分析離心冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況。

根據(jù)5月至10月份機(jī)組實(shí)際運(yùn)行記錄，繪制了不同月份冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下的運(yùn)行情況（部分負(fù)荷是指冷水機(jī)組在低于100%馬達(dá)電流下運(yùn)行的實(shí)際負(fù)荷量；滿負(fù)荷是指冷水機(jī)組在100%馬達(dá)電流下運(yùn)行的負(fù)荷量），詳細(xì)情況見下圖1至圖6。

圖1 2008年5月份離心冷水機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)圖

圖2 2008年6月離心冷水機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)圖

圖4 2008年8月份離心冷水機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)圖

圖5 2008年9月份離心冷水機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)圖

圖6 2008年10月份離心冷水機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)圖

從圖1至圖6可以看出，由于天氣的原因，5、6、7、10月，一臺(tái)冷水機(jī)組的制冷量可以滿足各實(shí)驗(yàn)區(qū)域溫度達(dá)標(biāo)，所以這4個(gè)月只開了2#機(jī)組；而8、9月份，由于外界氣溫升高，只開一臺(tái)冷水機(jī)組顯然無(wú)法滿足試驗(yàn)區(qū)的冷量需求，所以8、9月份，有2臺(tái)冷水機(jī)組參與運(yùn)行，以1#冷水機(jī)組的運(yùn)行為主，2#冷水機(jī)組只在供冷量不足的情況下配合運(yùn)行提供冷量。

根據(jù)2008年5至10月機(jī)組的運(yùn)行情況，整理得出2臺(tái)機(jī)組全年運(yùn)行數(shù)據(jù)以及耗電量，具體見表1。

表1 2008年1#、2#機(jī)組全年運(yùn)行情況表

3、采用變頻節(jié)能裝置后離心式冷水機(jī)組全年運(yùn)行情況預(yù)測(cè)及分析

3.1 采用變頻裝置后離心式冷水機(jī)組全年運(yùn)行情況預(yù)測(cè)

由于采用3臺(tái)冷水機(jī)組都是YORK公司生產(chǎn)的型號(hào)為YKNBBH125CRC 的離心冷水機(jī)組。根據(jù)YORK 公司對(duì)每種型號(hào)機(jī)組所做的測(cè)試報(bào)告，這一型號(hào)的離心冷水機(jī)組加裝VSD（變頻節(jié)能裝置）前后，在不同負(fù)荷條件下的負(fù)荷能效詳見表2。（負(fù)荷能效是指在產(chǎn)冷量一定的情況下，離心冷水機(jī)組所消耗的電能，即離心冷水機(jī)組用電量與制冷量的比值）

表2 離心冷水機(jī)組加裝VSD（變頻節(jié)能裝置）前后，在不同負(fù)荷條件下的負(fù)荷能效

根據(jù)表2中，離心冷水機(jī)組原系統(tǒng)與加裝變頻節(jié)能裝置的系統(tǒng)在不同負(fù)荷率的條件下，負(fù)荷能效的數(shù)值，繪出負(fù)荷能效曲線，如圖7。

圖7 離心冷水機(jī)組原系統(tǒng)與加裝變頻節(jié)能裝置的系統(tǒng)在不同負(fù)荷率的條件下負(fù)荷能效的變化

如圖7，綠色曲線代表離心冷水機(jī)組原系統(tǒng)在相同負(fù)荷率下的負(fù)荷能效，紅色曲線代表離心冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置后在相同負(fù)荷率下的負(fù)荷能效。如圖所示，兩條曲線均是隨著負(fù)荷率的降低，負(fù)荷能效先是緩慢降低，然后逐漸上升。但是加裝變頻節(jié)能裝置的離心冷水機(jī)組負(fù)荷率一直低于原系統(tǒng)的負(fù)荷率。

下面根據(jù)表2給出的每臺(tái)機(jī)組在不同負(fù)荷率下的負(fù)荷能效數(shù)值，計(jì)算得出不同負(fù)荷率下機(jī)組的耗電量。2008年2臺(tái)冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況詳見表3、4。

3.2 采用變頻裝置后離心冷水機(jī)組全年運(yùn)行情況對(duì)比分析

根據(jù)表1、表3、表4中相應(yīng)的數(shù)據(jù)，比較得出隨著用電負(fù)荷率的變化，冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置前后的耗電量。1#，2#冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置前后的耗電量的比較圖。詳見圖8、圖9。

圖8 1# 冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置前后

圖9 2# 冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置前后

不同負(fù)荷率下用電量的變化曲線不同負(fù)荷率下用電量的變化曲線如圖8、9，綠色曲線代表離心冷水機(jī)組原系統(tǒng)在相同負(fù)荷率下的用電量，紅色曲線代表離心冷水機(jī)組加裝變頻節(jié)能裝置后在相同負(fù)荷率下的用電量。通過(guò)分析得出以下2點(diǎn)結(jié)論。

1）加裝變頻節(jié)能裝置后的離心冷水機(jī)組的用電量明顯低于原系統(tǒng)離心冷水機(jī)組的用電量。

2）在離心冷水機(jī)組100%負(fù)荷率的情況下，加裝變頻節(jié)能裝置后的離心冷水機(jī)組的用電量略高于原系統(tǒng)離心冷水機(jī)組的用電量。

表3 2008年1#冷水機(jī)組的節(jié)電能力

表4 2008年2#冷水機(jī)組的節(jié)電能力

表7 2008年冷水機(jī)組的節(jié)電收益

表5 2008年1#冷水機(jī)組的節(jié)電能力

表6 2008年2#冷水機(jī)組的節(jié)電能力

下面分別列表計(jì)算2臺(tái)加裝了變頻節(jié)能裝置的冷水機(jī)組的節(jié)點(diǎn)能力。

表5、表6給出了2008年2臺(tái)冷水機(jī)組的節(jié)電量，根據(jù)0.7元的電價(jià)（部?jī)?nèi)規(guī)定），按照2008年的冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，可計(jì)算得出節(jié)電收益。詳見表7。

通過(guò)表5、表6、表7的數(shù)據(jù)分析，可以得出以下2點(diǎn)結(jié)論：

1）加裝變頻節(jié)能裝置后離心冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約的電量越多。2#冷水機(jī)組全年的運(yùn)行時(shí)間為1574小時(shí)，節(jié)電量為46275kW，而1#冷水機(jī)組的全年運(yùn)行時(shí)間為1030小時(shí)，全年節(jié)電量為40376kW。

2） 加裝變頻節(jié)能裝置后離心冷水機(jī)組在較低負(fù)荷率下運(yùn)行，單位電量的節(jié)電比例越高。1#冷水機(jī)組與2#冷水機(jī)組相比，在較低的負(fù)荷率下運(yùn)行，1#冷水機(jī)組的節(jié)電百分比為12.1% ，而2#冷水機(jī)組的節(jié)電百分比為8.2% 。

4、結(jié)論

1）加裝變頻節(jié)能裝置后的離心冷水機(jī)組的用電量明顯低于原系統(tǒng)離心冷水機(jī)組的用電量。

2）在離心冷水機(jī)組100%負(fù)荷率的情況下，加裝變頻節(jié)能裝置后的離心冷水機(jī)組的用電量略高于原系統(tǒng)離心冷水機(jī)組的用電量。

3）加裝變頻節(jié)能裝置后離心冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約的電量越多。

4）加裝變頻節(jié)能裝置后離心冷水機(jī)組在較低負(fù)荷率下運(yùn)行，單位電量的節(jié)電比例越高。

[1] 薛金水,莫晏光.淺談我國(guó)變頻空調(diào)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).科技信息.2008年,第4期

[2] 張樹國(guó),李棟,胡競(jìng).變頻調(diào)速技術(shù)的原理及應(yīng)用.節(jié)能技術(shù).2009年,第1期

[3] 鄭文秀,任世亮.對(duì)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程的思考—試議電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的緊迫性.能源與節(jié)能.2009年,第1期

[4] 張偉.變頻技術(shù)在離心式冷水機(jī)組上的應(yīng)用.建設(shè)科技（建設(shè)部）.2008年,第12期

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.079