关于离心式冷水机组变频改造可行性探讨

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离心式冷水机组变频调速装置即VSD(VariableSpeedDrive)采用独特的控制逻辑，同步调节导流叶片开关度和电机转速，通过变频驱动改造，机组运行节能效果显著。适用于宾馆、医院住院大楼等24小时运行、且昼夜冷负荷有明显差异的场所。本文针对离心式冷水机组的变频调速装置，从优点、改造内容、经济性分析三方面入手，阐述了变频改造的可行性。
& P2 E5 V8 y% O! A& t4 `6 s9 V    一、VSD优点
    1.节能显著
/ ]: q8 E6 v' N: G  使用变频器后，离心式冷水机组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。
9 b3 m5 @8 a) x6 i    ①部分负荷状态下运行的节能：
    众所周知，冷水机组99%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70%~80%负荷左右，负荷降低，单位冷量能耗增加较显著。而VSD不断监测下列参数：冷冻水温度，冷冻水温度设定值，冷媒压力导流叶片开度和电机的转速。然后自适应容量控制逻辑定出有效的调节方法。它将优化电机转速和PRV(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。
7 |. X5 D) ?! k/ l1 E3 \5 ]( o    以约克500冷吨的离心机组为例，在冷却水温度为25℃时，恒速机和变频机的运行参数如下表所示：
3 V8 M8 C% P$ t) Z    从以上图表可以看出，在部分负荷的情况下，变频离心机组和相同型号的恒速机组相比，其单位制冷量的能耗要低很多。这对于长期处于部分负荷的机组来说，使用变频机组无疑给用户节省了大量的电费。
    ②低冷却水温度状态下运行的节能：
6 _, f( \  M  J# G    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。
  同样以500冷吨离心机组为例，在70%负荷时，不同冷凝温度下，恒速机和变频机的运行参数如下表所示：
    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，安装变频器的优越性是非常明显的。
  变频离心机组的众多工程应用表明：变频离心式机组节能显著，与恒速离心机组相比，同样冷量的机组，使用变频驱动，年运行费用节省30%左右。
+ M: }, Z* Y& r, ~, O    此外，VSD还能自动修正功率因数，在机组正常运转时保证功率因数不小于0.95。
    以上表明加装VSD后，利用独特控制逻辑，变频离心机能大大提高部分负荷性能指标，并能够充分利用过渡季节以及冬季室外温度低的优势，从而达到节能的目的。
2 a7 _7 V8 D( p- S2 G# g1 m( k    2.优化冷冻机组启动性能，延长设备寿命
# F3 _4 W: U6 m0 l; F% m    恒速离心机通常配置星三角启动器，启动电流可能高达满负荷电流(FLA)的500%，而变频离心机的启动电流绝不会超过机组满负荷电流(FLA)的100%，这减少了设备的电流冲击，降低电器设备投资，且延长设备寿命。
# X6 n$ I+ U. ^% z! K3 i    3.运行更安静
8 [7 |; A$ b: W5 O  离心式冷水机组的大部分噪声是由制冷剂高速排气造成的。约克设计冷水机组时，根据机组的性能和噪声控制要求，研究了机组的气体动力学特性。通过低负荷下降压缩机转速，从而降低了制冷剂气体的速度。VSD使机组的运行更宁静。VSD能大大降低机组在非设计工况下运行的噪声。同样由于速度的降低，延长了机组部件的寿命。
    4.防止喘振、提高机组可靠性
    “喘振”是离心机组发生故障的罪魁祸首。配置了VSD后，变频离心机组可通过变速和导流叶片协同调节容量。机组能测定现在的工作点，选择相应的容量调节模式，并能精确地预测喘振区，从而可以在100%~10%负荷范围内避免“喘振”现象的发生。
    二、VSD改装
    1.拆除原有星三角起动柜，加装VSD驱动装置。
1 i) f: t3 Y; A2 S    2.加装VSD驱动器的冷却水管及循环泵。
    3.更换控制中心(或其中CMII版)。
    4.增加ACC自适应控制板。
    5.更换原有的键盘，换适应VSD操作的键盘。
    6.加装导叶的位置反馈传感器。
! ~& P9 P2 Q' S; r2 }0 g1 R    7.安装系统控制软件。
& Y' l: T% o& b) ^/ }+ ?7 m8 I; x    8.更换全部或部分的压力变送器。
    9.系统的静态与动态调试。
   三、经济性分析
; p8 t& x, u' T3 `3 t& J    1.投资费用
: w2 l; K/ A0 h( F- t    以1台约克离心式冷水机组实施变频改造为例，则总的费用如下：
- g4 y6 m. u: |( o9 w2 m% H    2.节电分析
7 P0 x; L. W3 r    以对约克YKNINIG45COBS(600冷吨)离心式冷水机组进行变频改造为例。变频装置的采用，会大大节约冷冻机组的运行费用，应用相关电脑软件分析系统，根据该大楼离心机组运行的一般规律，现做经济性分析如下：
    恒速机组年耗电：1847777kWh
    变速机组年耗电：1547006kWh
) Y# f9 n' i0 x- I& H; p    年运行总节省电：300770kWh
5 h; x0 Y9 N0 s; A3 R& }* v/ v' d    3.投资回收期
* i7 J0 @& g: P7 D# O    将装有变频器的机组置于整个系统，其节电总值将超过单机系统的节电值，这是因为机组有更多的时间在高负荷、低冷却水的情况下运行，这将更加体现出变频器的优点。
    根据以上结果，我们可以计算出变频器的回收周期(取平均电费为RMB0.90/kWh)：
    YR1=750000/(300770×0.90)=2.8年
4 B  u$ Q* [: ~  C5 Y  w$ q7 Z; f    四、结论
    1.若采用变频VSD装置，将在三年内即可收回投资。
/ \" f9 H5 X- ?5 Q% y3 y. `    2.如果使用负荷安排合理，变频装置的优越性还将得到更加充分的体现(增加“机房自动控制系统”可以对机组的运行自动进行优化，最大限度地发挥VSD变频装置的节能效果)。
    3.我们可以采取调整机组不同时间段运行的冷水温度设置，使机组的运行效率进一步提高，加快缩短投资回收周期。
& e. Q8 \7 {0 C* T4 [1 ^9 C' ^( x4.变频装置辅之以正确的操作和维护，还可以大大延长离心式冷冻机的使用寿命。
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