浅析中央空调冷冻水泵的节能利用.pdf

目 录 一、前言 二、中央空调系统情况 三、中央空调冷冻泵节能控制系统调节方案 1、控制原理 2、系统组成 3、施工方案 4、控制系统方框示意图 5、控制系统接线原理图 6、变频器功能设定 7、程序设计原理框图 8、程序清单 四、中央空调冷冻泵节能控制系统技术特点 五、中央空调冷冻泵节能控制系统安装调试情况 1、系统安装环境要求 2、安装调试情况 六、有待解决的问题 七、体会 八、鸣谢 九、参考文献 内容提要：本篇论述变频调速对冷冻水泵节能控制的重要意义，结合安万特巴斯德中央空调系统节能技术改造应用实例，通过采用日本三菱可编程控制器（PLC）、通用变频器、输入输出模块（A/D、D/A）及温度传感器等组成控制系统，说明其节能效果。关键词：通用变频器 冷冻水泵 节能 一、前言 中央空调系统已经广泛应用于制药、食品、半导体晶片等生产过程及宾馆、饭店、写字楼、商场、候车室等公用、民用建筑中，并且是所有建筑物中的耗能大户，其能耗占建筑总能耗的确 1/3 以上，有的空调能耗甚至高达 65%。但是由于客观因素的存在，许多建筑物的设计缺乏节能观点，忽视设备的运行费用和能耗量，这样给电能供应带来紧张局面，也造成了很多不必要的浪费。一般空调系统是按最大负荷来设计的，并且还会再乘以一个安全系数，所有设备的选择都是按最不利工况来选型，有相当的余量。美国制冷工程师协会给出的建筑物全年的 90%的运行时间里，实际负荷低于设计负荷的 75%。因而在相当一部分时间内，空调系统只是部分负荷运行（例如：每年过渡季节，每天早晚，一般天气情况等）。而目前情况是冷机部分可以根据实际负荷进行自动调节，以达到节能的目的，但是水泵实行全功率运行。这是相当不合理的。从节能角度来看，冷冻、冷却水量也应作合理的调整。传统的水流量是在末端设置电动两通阀或三通阀来调节。此方法虽然降低了系统的流量，但是却大大增加了系统的压力，也就是说增加了系统的管路阻力，因为P=QH/(P功率，Q流量，H压头，水泵效率，水的容重)(如图 A点)，功率为工作点下曲线围成的面积。调节并且效率降低。因而其节能效果相当有限。行之有效的方法是通过变频调节水泵的转速而达到节能目的，如图 A 点。改变转速冷量即改变了泵的运行特性曲线，而没有改变管路阻力特性。因而当冷量减少时，水量作等比减少。当流量减少时，功率 P 以立方关系递减。由此节能效果明显。若流量为 80%时，则耗功仅为原来的 51%，节约 49%。而用调节阀时，仅节约5%左右的能量。节能原理图 变频器调节水泵节能效果明显，回收快，而且管理方便，是适宜发展和推广的有效节能措施。同时，采用变频系统后，提高电机的效率，改善其运行条件，延长使用寿命；减少冷却水用量，减少排汗；减低电机和冷却塔的噪音。综上所述，中央空调节能控制系统是一项效果显著，安全可靠的节能技术，必将给用户带来很好的经济效益。二、安万特巴斯德公司中央空调系统情况 安万特巴斯德公司目前空调系统具体配置如下：冷机：日立螺杆式水冷中央空调主机两台，各为 80RT。冷冻水泵：CHWP-1to3 功率为 22KW。冷却水泵：CHWP-1to3 功率为 22KW。三、中央空调节能控制系统调节方案 1、控制原理 控制系统都采用温差控制、流量和压力保护的原理。通过在冷冻水供回水干管、集水箱和分水箱分别安装温度传感器，用以检测系统整体的实际负荷和各负荷区的实际负荷。在水泵出口安装流量计检测水泵流量，在末端设压力感测器，检测系统压力。系统运行前先设定系统的正常工作温差，并给出最高和最低的运行水温差，在此范围内，可以随时在触摸屏终端调节运行所需温差。当系统实际负荷降低时，温差增大则降低频率，减慢水泵转速。2、系统组成 本方案主要由温度传感器、A/D 及 D/A 输入输出模块、变频调速器、可编程控制器（PLC）、触摸屏、电机等组成一套控制系统。温度传感器是把控制参数转换为电信号。A/D 及 D/A 输入输出模块的作用是把传感器得到的电信号进行放大、整形等处理，然后得出规范化的电压或电流，如 0V5V 或 4mA20mA 等做为调节器的输入。它其实是一个由单片机组成的微型控制系统。本身具有计算、判断、逻辑分析功能，有数字和模拟输入输出端，可以在软件的控制下实现各种控制规律。变频调速器是利用电子器件的智能控制技术把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可变的交流电的一种控制设备。有变频器输出的电压、频率可变的交流电去驱动电动机就可以达到对电机的调速。变频调速器是这套控制系统的核心之一，近几年来随着大规模集成电路 32 位数据处理器和矢量控制理论的应用，使得变频调速器的性能得到了很大提高，正在逐步取代直流调速器，而成为传动系统的主流。目前，变频调速器主要的应用有两个方面：一方面是为了满足生产工艺调速的要求而进行的变频器应用；另一方面是为了节能需要而进行的变频器应用。本次正是利用适用于节能应用的泵类负载的变频器三菱公司 FR-F540 变频器。可编程控制器（Programmable Logical Controller）由于其极高的可靠性及应用极为方便，因而成为当今应用场合最为广泛的工业控制装置。对其而言，凡是有继电器的地方就需要可编程控制器；凡是需要控制系统存在的地方就需要可编程控制器。基于此，本系统采用用于单机自动化的小型可编程控制器三菱公司FX2n-64MR 可编程控制器。考虑到我公司的实际使用情况，原控制系统为继电控制盘，这种方法简单易行，但最大弊病有两条：一是全压起停，二是变速困难，更不可能随意调速。采用变频调速方法，增好克服了接触器控制的两大缺点。两大控制方法的性能分析见表 2-1。表 2-1 接触器控制和变频控制性能对比 特性 状态 接触器控制 变频控制 起停电压 全电压 软起动，软停止 冲击电流 大 小 机械冲击 大 小 起 停 设备寿命 短 长 控制设备故障率 高 低 控制设备损坏更新 周期短 周期长 人员安全性 较差 较好 特 性 供电系统所需电力容量 大 可适当降低 系统变速方法 更换减速器 系统变速难易程度 很难 很易 寻找最佳工艺速 度达到最优控制 不可 容易 位置控制 难 较易 复杂速度曲线控制 难 较易 调 速 特 性 系统工作耗能 大 可节能 3、施工方案：针对公司的水系统管路布局，机房情况，综合多方面因素，本节能控制系统整体布局为：系统由温度传感器和压力传感器，变频调速器，微电脑控制器（PLC）等部分组成。通过对制冷主机负荷的随时监测，经信号处理，并将此信号送入可编程控制器（PLC）中，向变频调速器输出控制信号，调整水泵电机转速，使流量始终与负荷相配备。一体柜安装在现水泵控制柜旁，便于主电缆接线，电缆外包金属软管与电源及控制柜相连联，并固定在墙上。实现配电系统与水泵的联接，实现多台水泵之间切换运行。一体柜面板上有电源指示、水泵运行指示、工频变频指示等。用户可以进行变频到工频的切换（即原系统与本控制系统的切换），对于某一台泵来说是互锁的/本控制系统不改变用户原设计。变频运行水泵之间为自动切换。如果其中某一台水泵出现了故障，可及时切换至另一台水泵同样变频运行。切换控制有互锁装置，确保水泵及变频器的安全。运行中系统对水泵即时监控，当水泵过流、过热、堵转等故障时，自动停止水泵并发出报警，保护了系统的安全。4、控制系统方框示意图 如图 2-1 所示。图 2-1 触 摸 屏变 频 器冷冻回水温度D/A转 换可 编 程 控 制 器温 度 模 块冷冻出水温度5、控制系统接线原理图 变频器与 PLC 控制原理如图 2-2 和图 2-3 所示。y2G24V-24V+com24V+FGI-FGL-L+I-L-L+CH1进水温度CH2回水温度去电机Iout1com1Vout1COM2y3SDUV5SRMRSFR-A54STFy1y4L1NL2 图 2-2 6、频器功能设定 变频器通电后，根据控制系统的实际运行要求，对变频器的功能进行了设定。在设以下参数之前先设 Pr79=1 时：a.最大频率：50HZ b.最小频率：10HZ c.基本频率：50HZ d.额定电压：380V e.加速时间：5S f.减速时间：4S g.瞬时停电再起动时间：0。5S M1M2M31KMKM2KM3WU图2-3h.变频器在 2025HZ 跳变设置 i.其它功能设定遵照变频器出厂设定值。设完后在运行之前改为 Pr79=2 方可正常运行。7、程序设计原理框图 8、程序清单 四、中央空调冷冻泵节能控制系统技术特点 本控制系统采用国际著名的生产厂家日本三菱公司的产品，组合成一套先进的空调水泵变频节能系统。其主要的技术特点：其一，采用更加先进的控制思想，控制参数合理的反映系统负荷情况，使得空调系统更能适应符合变化。其二，全面考虑水泵变频后整个中央空调系统的情况，采用大温差，小流量的控制方法，同时采取压力监控，避免可能出现的不利情况。其三，控制过程智慧化，可实现远端监控。其四，系统采用最先进的产品，优秀的感测器、变频器、控制执行器，符合 ISO9001，ISO9002 及 CE 标准。其五，操作简便，节能效果明显。采用触摸屏设备，其界面友好美观，便于操作。五、中央空调冷冻泵节能控制系统安装调试情况 1、系统安装环境要求 变频器安装必须有一个干净的环境（污染指数低于 2），避免强电磁干扰和尘埃（如碳纤维，粉尘等），避免有水直接喷入。使用环境温度不应低于 0 度，且不应超过 55 度；相对湿度应低于 95并且不产生冷凝水，并避免阳光直射。如果把变频器安装在一个配电柜和保护盒内时要注意足够的冷却。其内部空气温度不能超过 50度。必须竖直的安装变频器，以确保其有适当的冷却。若变频器安装在配电房，则可多设一个接线端子，将变频器的三条出线转换成送往电机的六条输入线（原设计的控制系统为星形变三角形起动的采用）。若机房内有足够的空间且满足安装环境要求，可将变频器安装在机房水泵附近，将变频器的三条输出线直接接入电机。2、冷冻泵节能控制系统调试情况 当系统运行时，六、有待解决的问题 七、体会 八、鸣谢 在这次论文写作过程中，得到了安万特巴斯德生物制品公司的谢晋生高级工程师、成迪龙工程师的热忱帮助和指导下，在实训老师胡洪等帮助下才得已顺利完成，在此表示衷心感谢。