李忠強
山東省榮軍總醫(yī)院 250013
摘要:本文通過對空調(diào)環(huán)泵系統(tǒng)循故障原因的實例分析,論證了循環(huán)水泵的合理選擇和變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用是空調(diào)系統(tǒng)正常運行和節(jié)能的關(guān)鍵,并對空調(diào)系統(tǒng)變頻改造的經(jīng)濟性進行了計算,論證了其可行性。結(jié)果表明改造后的經(jīng)濟效益顯著,為今后空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:節(jié)能降耗;變頻控制;水泵選擇
1、概述:
濟南某單位辦公樓,建筑面積14300㎡,總高度38.6m。空氣調(diào)節(jié)方式為冷熱源加風(fēng)機盤管和新風(fēng)裝置。夏季制冷采用單效溴化鋰中央空調(diào)機組,設(shè)計流量300m3/h,冬季采暖采用市政蒸汽,經(jīng)換熱器轉(zhuǎn)換為熱水,與夏季制冷共用一套動力、循環(huán)系統(tǒng),冷熱系統(tǒng)以閥門作為轉(zhuǎn)換。
機組及換熱設(shè)備選定后,通過招標(biāo),確定上海某品牌循環(huán)水泵2臺,型號:FWG200-400(I)C,配用45KW電機,流量320 m3/h,揚程32m,一用一備。2006年夏機房設(shè)備投入使用,不久即發(fā)現(xiàn)冷凍水循環(huán)水泵電機噪聲較高,發(fā)熱較大。售后建議關(guān)閥門節(jié)流,但噪音大、發(fā)熱高未曾有效改善。隨后的使用過程中,電機軸承磨損率偏高,歷經(jīng)多次維修之后終于在2010年兩臺泵連續(xù)出現(xiàn)葉輪破損和一臺泵的泵體爆缸的事故。
經(jīng)實地測量,電機正常運行時電流高達116A,而銘牌標(biāo)注正常電流為84A,電流超標(biāo)38%,因而發(fā)熱過高,致使電機部件維修量偏大。經(jīng)技術(shù)人員分析,排除其他可能原因,確定主要是選用的水泵揚程過高,水泵在正常工作時的無功功耗偏大,致使水泵噪音加大,嚴(yán)重偏離最佳工況;閥門節(jié)流雖然能增加泵體的壓頭損失,滿足泵的揚程設(shè)定,但也使水泵泵體承壓過大,加上冷熱媒介的季節(jié)性轉(zhuǎn)換,縮短了泵體的使用壽命,最終使泵體爆缸,造成重大損失。
2、節(jié)能方案的確定
本節(jié)能改造方案,根據(jù)使用單位的要求,其一,要合理確定揚程,選擇水泵,確保水泵在最佳工況下工作。其二,采用節(jié)能降耗的變頻技術(shù),響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召。其三,出于謹(jǐn)慎考慮,節(jié)能改造范圍不包含冷卻水循環(huán)泵和冷卻塔,但在控制裝置上預(yù)留接口。
1)、水泵選擇:一般來說,冷凍水循環(huán)水泵是在閉式回路中工作,處于系統(tǒng)回水的靜壓力作用之下,與開式系統(tǒng)相比,泵工作時應(yīng)該比較省力,循環(huán)水泵的壓頭僅消耗在克服制冷機或熱交換器管道及附件、用戶散熱器等設(shè)備的阻力上,其公式如下[1]:
其中:H為水泵的揚程 單位:m H2O
1.1為安全系數(shù)
H1:制冷機或者換熱器的壓力損失
H2 :管路系統(tǒng)的壓力損失,選取最不利循環(huán)管路計算
H3 :室內(nèi)末端即風(fēng)機盤管的壓力損失
經(jīng)現(xiàn)場實際勘測和準(zhǔn)確計算后,最終確定揚程為23.6 mH2O。在考察多家水泵之后,確定選用采用節(jié)能專利技術(shù)的上海熊貓機械集團的abbd軸冷系列臥式離心循環(huán)泵,型號:AABD 200-315B,配用電機30KW,揚程24m,效率78%。
2)、根據(jù)已有的制冷機的日常運行負(fù)荷狀況和采暖期的相關(guān)數(shù)據(jù),采用當(dāng)前先進的模糊控制+PID變頻控制系統(tǒng),通過適時調(diào)節(jié)制冷機出水溫度及供回水溫差和循環(huán)水泵的變頻調(diào)速來實現(xiàn)節(jié)能降耗。根據(jù)相似定律,以不同轉(zhuǎn)速運行的同一臺水泵,滿足下列公式[2]:
這三個公式表示同一臺水泵,當(dāng)轉(zhuǎn)速n 變化時,其它性能參數(shù)將按上述比例關(guān)系而變,式中:
Q0、H0、N0—泵在額定轉(zhuǎn)速n0下的流量、揚程和軸功率;
Q1、H1、N1—泵在轉(zhuǎn)速 n1下的流量、揚程和軸功率;
顯然,通過調(diào)節(jié)用電頻率,會引起電機輸出功率非線性的顯著變化,使節(jié)能成為可行。由于目前空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時常對循環(huán)水系統(tǒng)考慮較多的滿負(fù)荷余量,一般按現(xiàn)場最大冷量需求量來考慮的,其冷卻水泵,冷凍水泵都是按單臺設(shè)備的最大工況來考慮的,在實際使用中有90%多的時間,冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下[3]。近幾年來,以模糊控制+PLC精確調(diào)節(jié)為主導(dǎo)的變頻調(diào)節(jié)方案顯示了較大的優(yōu)越性,因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)負(fù)荷變化的反饋信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),輸出相應(yīng)的電流頻率,使循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化,實現(xiàn)了整個空調(diào)系統(tǒng)在運行期間的節(jié)能降耗。以下為相關(guān)的理論節(jié)電數(shù)據(jù)(表1):
表1:水泵轉(zhuǎn)速與節(jié)電的關(guān)系表
水泵轉(zhuǎn)速與節(jié)電的關(guān)系表
轉(zhuǎn)速n(%) 頻率f(Hz) 溫差⊿t(%) 揚程H(%) 軸功率P(%) 節(jié)電率(%)
100 50 100 100 100 0
90 45 111 81 72.9 27.1
80 40 125 64 51.2 48.8
70 35 143 49 34.3 65.7
60 30 167 36 21.6 78.4
50 25 200 25 12.5 87
可見,水泵轉(zhuǎn)速下降10%,節(jié)電率達到27.1%,節(jié)電效果非常顯著
圖1:控制系統(tǒng)架構(gòu)圖:
圖2:水泵控制原理圖:
要注意的是,制冷與供熱的控制參數(shù)應(yīng)分別設(shè)置。由于夏季制冷與冬季采暖負(fù)荷不同,對于通過末端的流量和壓力要求也不同。該方案在保證末端設(shè)備冷、熱水流量供給的情況下,分別確定一個變頻器工作的最小工作頻率,將其設(shè)定為下限頻率并鎖定,變頻循環(huán)水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在回水主管上的溫度傳感器檢測回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減,當(dāng)回水溫度高于設(shè)定溫度時頻率無級上調(diào)最大達到50HZ。反之頻率無級下調(diào)最低達到最低運行頻率。
3)、通過變頻改造,中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了以下特點:
a、采用變頻器閉環(huán)控制,可按需要進行軟件組態(tài)并設(shè)定溫度進行PID調(diào)節(jié),使電機輸出功率隨荷載的變化而變化,在滿足使用要求的前提下達到最大限度的節(jié)能。
b、由于降速運行和軟啟運,減少了振動、噪音和磨損,延長了設(shè)備維修周期和使用壽命,減少了維修維護工作量,并減少了對電網(wǎng)沖擊,提高了系統(tǒng)的可靠性。
c、系統(tǒng)具有各種保護措施,使系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高。
d、變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)互為互鎖,不影響原系統(tǒng)的運行,且在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修或故障時,原工頻控制系統(tǒng)照樣可以正常運行。
3、最后,針對變頻節(jié)能改造的相關(guān)費用進行經(jīng)濟性分析。根據(jù)施工決算,以上變頻改造加水泵更換,連設(shè)備帶施工費用合計為:15.768萬元。制冷季按每年6月1日至9月15日,共計107天,水泵日使用24小時;采暖季按每年11月15日至來年3月15日,共計122天,水泵24小時運轉(zhuǎn)。則節(jié)能改造前用電:(107天*24小時/天+122天*24小時/天)*45KW,更換水泵無變頻時用電:(107天*24小時/天+122天*24小時/天)*30KW,