離心冷水機組加裝變頻節(jié)能裝置的經(jīng)濟性評估

王鋒 劉媛 段希希

中國空間技術研究院動力行政保障部，北京 100094

離心冷水機組加裝變頻節(jié)能裝置的經(jīng)濟性評估

王鋒 劉媛 段希希

中國空間技術研究院動力行政保障部，北京 100094

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

離心冷水機組；變頻；節(jié)能

前言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)迅猛發(fā)展，能源供應緊張問題日趨突出，節(jié)能已成為各行業(yè)所關注的焦點。據(jù)有關部門統(tǒng)計，建筑能耗已經(jīng)達到我國能源總消耗的30%左右，而中央空調系統(tǒng)的能耗約占整個建筑能耗的50%～60%[1]。在中央空調系統(tǒng)能耗中，冷水機組的耗能又占據(jù)較大比例。所以冷水機組的節(jié)能運行問題也就成為了制冷系統(tǒng)節(jié)能中關鍵的一環(huán)，越來越受到各個部門的重視。

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

1 變頻離心冷水機組的節(jié)能原理及特點

1.1 變頻離心冷水機組的工作原理

變頻離心冷水機組的工作原理是根據(jù)冷凍水實際溫度、設計溫度、蒸發(fā)/冷凝壓力等參數(shù)，通過控制主軸轉速和導流葉片開度來控制壓縮機的輸出負荷，從而使機組可以在較大的范圍內(nèi)運行，又可以達到很好的節(jié)能目的[2]。

1.2 變頻離心冷水機組的工作特點

1.2.1 變頻離心冷水機組的優(yōu)點

1）部分負荷的工況下機組性能好，節(jié)約能耗

由于設計工況下的冷水機組的冷量通常大于實際運行工況下的冷量需求，所以離心冷水機組將近99%的時間都沒有達到滿負荷，而是在部分負荷下運行。當普通冷水機組在部分負荷條件下運行時，雖然可以調節(jié)導流葉片的開度，控制制冷劑的流量，從而調節(jié)壓縮機的耗功，但是這只是一種開環(huán)反饋調節(jié)，壓縮機仍然存在做無用功而耗電的現(xiàn)象。不同的是，變頻離心冷水機組可以根據(jù)運行參數(shù)，控制主軸轉速和導流葉片開度來控制壓縮機的輸出負荷，優(yōu)化壓縮機的做功能力，降低無用功的比例，從而達到節(jié)能的效果。

2）配有前段有源整流技術，減少諧波干擾

變頻器的非線性負荷（如大功率整流二極管、大功率逆變晶體管等）會產(chǎn)生諧波干擾，為了避免因控制不當導致的線路發(fā)熱、機械諧波、絕緣失效、或可能導致周邊電子設備產(chǎn)生誤操作，變頻器配有前段有源整流設備，保證周邊設備運行可靠。

3）避開喘振點，提高機組可靠性[3]

變頻離心冷水機組可以同時調節(jié)導流葉片開度和電機轉速，調節(jié)機組運行狀態(tài)，可以控制離心機組迅速避開喘振點，避免喘振對機組的傷害，確保機組運行安全

1.2.2 變頻離心冷水機組的缺點

1）在滿負荷運行情況下，變頻器耗電量約為機組功率總耗電量的3%，所以在機組的長時間滿負荷運行的情況下，安裝變頻器不但不節(jié)能，而且還會費電。

2) 變頻器的初投資費用高，維修、維護費用高[4]。

2、離心冷水機組全年運行情況

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

每年供冷季（5月至10月）離心冷水機組為園區(qū)內(nèi)工藝性集中空調機組提供冷凍水，保障園區(qū)內(nèi)各試驗區(qū)的工作環(huán)境達標。下面以2008年供冷季離心冷水機組的運行數(shù)據(jù)為例，分析離心冷水機組的實際運行狀況。

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

圖1 2008年5月份離心冷水機組運行情況統(tǒng)計圖

圖2 2008年6月離心冷水機組運行情況統(tǒng)計圖

圖4 2008年8月份離心冷水機組運行情況統(tǒng)計圖

圖5 2008年9月份離心冷水機組運行情況統(tǒng)計圖

圖6 2008年10月份離心冷水機組運行情況統(tǒng)計圖

從圖1至圖6可以看出，由于天氣的原因，5、6、7、10月，一臺冷水機組的制冷量可以滿足各實驗區(qū)域溫度達標，所以這4個月只開了2#機組；而8、9月份，由于外界氣溫升高，只開一臺冷水機組顯然無法滿足試驗區(qū)的冷量需求，所以8、9月份，有2臺冷水機組參與運行，以1#冷水機組的運行為主，2#冷水機組只在供冷量不足的情況下配合運行提供冷量。

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

表1 2008年1#、2#機組全年運行情況表

3、采用變頻節(jié)能裝置后離心式冷水機組全年運行情況預測及分析

3.1 采用變頻裝置后離心式冷水機組全年運行情況預測

由于采用3臺冷水機組都是YORK公司生產(chǎn)的型號為YKNBBH125CRC 的離心冷水機組。根據(jù)YORK 公司對每種型號機組所做的測試報告，這一型號的離心冷水機組加裝VSD（變頻節(jié)能裝置）前后，在不同負荷條件下的負荷能效詳見表2。（負荷能效是指在產(chǎn)冷量一定的情況下，離心冷水機組所消耗的電能，即離心冷水機組用電量與制冷量的比值）

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

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

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

如圖7，綠色曲線代表離心冷水機組原系統(tǒng)在相同負荷率下的負荷能效，紅色曲線代表離心冷水機組加裝變頻節(jié)能裝置后在相同負荷率下的負荷能效。如圖所示，兩條曲線均是隨著負荷率的降低，負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組負荷率一直低于原系統(tǒng)的負荷率。

下面根據(jù)表2給出的每臺機組在不同負荷率下的負荷能效數(shù)值，計算得出不同負荷率下機組的耗電量。2008年2臺冷水機組實際運行情況詳見表3、4。

3.2 采用變頻裝置后離心冷水機組全年運行情況對比分析

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

圖8 1# 冷水機組加裝變頻節(jié)能裝置前后

圖9 2# 冷水機組加裝變頻節(jié)能裝置前后

不同負荷率下用電量的變化曲線不同負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組原系統(tǒng)在相同負荷率下的用電量，紅色曲線代表離心冷水機組加裝變頻節(jié)能裝置后在相同負荷率下的用電量。通過分析得出以下2點結論。

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

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

表3 2008年1#冷水機組的節(jié)電能力

表4 2008年2#冷水機組的節(jié)電能力

表7 2008年冷水機組的節(jié)電收益

表5 2008年1#冷水機組的節(jié)電能力

表6 2008年2#冷水機組的節(jié)電能力

下面分別列表計算2臺加裝了變頻節(jié)能裝置的冷水機組的節(jié)點能力。

表5、表6給出了2008年2臺冷水機組的節(jié)電量，根據(jù)0.7元的電價（部內(nèi)規(guī)定），按照2008年的冷水機組實際運行情況，可計算得出節(jié)電收益。詳見表7。

通過表5、表6、表7的數(shù)據(jù)分析，可以得出以下2點結論：

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

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

4、結論

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

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

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

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

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

[2] 張樹國,李棟,胡競.變頻調速技術的原理及應用.節(jié)能技術.2009年,第1期

[3] 鄭文秀,任世亮.對電機系統(tǒng)節(jié)能工程的思考—試議電動機采用變頻調速節(jié)能技術的緊迫性.能源與節(jié)能.2009年,第1期

[4] 張偉.變頻技術在離心式冷水機組上的應用.建設科技（建設部）.2008年,第12期

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.079