1、引言 中央空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)及公用、民用建筑中，并且是所有建筑物中的能耗大戶(hù)，其能耗占建筑總能耗的1/3以上，有的空調(diào)能耗甚至高達(dá)65%�？照{(diào)系統(tǒng)是按最大負(fù)荷來(lái)設(shè)計(jì)的，所以設(shè)備的選擇都是按最不利情況來(lái)選型。在絕大部分時(shí)間內(nèi)（例如:過(guò)渡季節(jié)，每天早晚，一般天氣情況等），系統(tǒng)只是部分負(fù)荷運(yùn)行，在這種情況下，冷機(jī)是部分負(fù)荷運(yùn)行，水泵卻是全功率運(yùn)行。從節(jié)能角度來(lái)看，冷凍水泵也應(yīng)作合理的調(diào)整。天津石化公司動(dòng)力站在2000年年初投入試運(yùn)行的冷凍水循環(huán)水裝置，存在很大的冷水泵全功率運(yùn)行的電能浪費(fèi)，2004年在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)流運(yùn)行后，不但極大的滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝及控制要求，而且成功地解決了能耗問(wèn)題。 2、工藝現(xiàn)狀 2.1 運(yùn)行情況 天津石化公司化工廠動(dòng)力站制冷系統(tǒng)有8臺(tái)溴化鋰制冷機(jī)，匹配4臺(tái)冷水泵，系統(tǒng)是按用戶(hù)所需冷量的最大負(fù)荷設(shè)計(jì)的。在實(shí)際運(yùn)行中，大部分時(shí)間系統(tǒng)在非滿(mǎn)負(fù)荷中運(yùn)行。一臺(tái)冷水泵對(duì)應(yīng)三臺(tái)溴冷機(jī)，三臺(tái)溴冷機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，冷水泵90%負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)少于三臺(tái)溴冷機(jī)運(yùn)行或三臺(tái)溴冷機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，只需冷水泵90%負(fù)荷以下運(yùn)行，但冷水泵為全壓工頻運(yùn)行，冷凍水的流量與壓力是通過(guò)冷水泵出、入口聯(lián)絡(luò)管及冷凍水供、回水母管聯(lián)絡(luò)管上的調(diào)節(jié)閥來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率較低，而且降低了密封、閥門(mén)、法蘭的使用壽命。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每年在4月～10月間，86%的時(shí)間里電動(dòng)機(jī)都在60%的負(fù)荷以下運(yùn)行，如表1和表2所示，為了節(jié)能和改善管線(xiàn)的運(yùn)行工況和控制水平，首先對(duì)4#冷水泵電機(jī)采用變頻控制改造。 2.2 技術(shù)參數(shù) （1） 冷凍水供用戶(hù)壓力: 0.47mpa 溫度: 7℃ （2） 溴冷機(jī)型號(hào):ncc-63制冷量: 3516kw 流量: 605m[sup]3[/sup]/h （3） 冷水泵型號(hào): 單級(jí)雙吸離心泵500s59 功率:450kw 流量:2020m[sup]3[/sup]/h 3、水泵的工作特性及節(jié)電原理 圖2中，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)d是泵的特性曲線(xiàn)n1與管路阻曲線(xiàn)r1的交點(diǎn)。 用閥門(mén)控制時(shí), 由于要減小流量, 關(guān)小閥門(mén), 使閥門(mén)的磨擦阻力變大，阻力曲線(xiàn)由r1移到r2，揚(yáng)程則從ho升到h1，流量從q1減小到q3, 運(yùn)行工況從d點(diǎn)移到a點(diǎn)。 使用調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線(xiàn)r1原樣不變。泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果把速度從n1降到n3，特性曲線(xiàn)也會(huì)從n1移到n3。結(jié)果，運(yùn)行工況點(diǎn)從d點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從ho下降到h3，流量從q1減小到q3。 根據(jù)公式求出: a點(diǎn)運(yùn)行時(shí)泵的軸功率為: pa=（q1h1γ）/（102η） c點(diǎn)運(yùn)行時(shí)泵的軸功率為: pc=（q3h3γ）/（102η） 兩者之差為: δp=pa-pc=q（h1-h3）γ/（102η） 也就是說(shuō)，用閥門(mén)控制流量時(shí)，有δp功率時(shí)被浪費(fèi)掉了。同時(shí)，隨著閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，流量q、揚(yáng)程h、功率p和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系可寫(xiě)為: 即流量q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比; 揚(yáng)程h與轉(zhuǎn)速n的平方比成正比; 軸功率p與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。 4、工藝控制要求 過(guò)去是用改變閥門(mén)開(kāi)度的方法調(diào)節(jié)冷凍水的流量和壓力（揚(yáng)程）�，F(xiàn)將變頻器接入冷凍水系統(tǒng)中，冷凍水泵運(yùn)行以冷凍水母管壓力參數(shù)為給定量，決定水泵運(yùn)行工況。根據(jù)工藝所需供水母管壓力來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制冷凍水的流量和壓力的目的。 4.1 單臺(tái)變頻泵運(yùn)行時(shí) 變頻器只能作一臺(tái)電機(jī)的變頻電源，所以每臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)、停止必須相互閉鎖，用邏輯電路控制，保證可靠切換。當(dāng)制冷系統(tǒng)3臺(tái)以下溴冷機(jī)運(yùn)行，只需變頻冷水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，另外三臺(tái)工頻泵備用。變頻泵可以根據(jù)溴冷機(jī)冷凍水流量及冷凍水供水壓力最低需要在36～50hz范圍調(diào)節(jié)。 （1） 當(dāng)一臺(tái)溴冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻泵設(shè)定頻率為36hz，保證單臺(tái)溴冷機(jī)正常運(yùn)行的600m3/h流量需求，及冷凍水供水母管壓力0.47mpa，如圖2中泵的特性曲線(xiàn)n3; （2） 當(dāng)兩臺(tái)溴冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻泵設(shè)定頻率為41hz，保證兩臺(tái)溴冷機(jī)正常運(yùn)行的1200m3/h流量需求，及冷凍水供水母管壓力0.47mpa，如圖2中泵的特性曲線(xiàn)n2; （3） 當(dāng)三臺(tái)溴冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻泵設(shè)定頻率為45hz，保證三臺(tái)溴冷機(jī)正常運(yùn)行的1800m3/h流量需求，及冷凍水供水母管壓力0.47mpa，如圖2中泵的特性曲線(xiàn)n1。 4.2 工頻泵與變頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí) 當(dāng)制冷系統(tǒng)有4臺(tái)以上溴冷機(jī)運(yùn)行，需要增加系統(tǒng)中的流量,兩臺(tái)水泵并聯(lián)工作，其中一臺(tái)由工頻泵做定速運(yùn)行（性能曲線(xiàn)f2a2），另一臺(tái)由變頻泵做變速運(yùn)行（性能曲線(xiàn)f1a1），如圖3所示。另外兩臺(tái)工頻泵備用。由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運(yùn)行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力（ha）取決與兩臺(tái)并聯(lián)水泵各自的出口壓力（d2、d1），從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運(yùn)行，否則會(huì)引起倒流或不出水的情況。另一方面太低的頻率回導(dǎo)致整體壓力下降，達(dá)不到冷凍水循環(huán)系統(tǒng)總體的揚(yáng)程要求，處于工頻定速運(yùn)行的水泵也易導(dǎo)致過(guò)流發(fā)生，在工頻泵與變頻泵同時(shí)運(yùn)行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38hz以上。通過(guò)調(diào)試，作變速運(yùn)行的電機(jī)，頻率給定（速度給定）由壓力信號(hào)的大小自動(dòng)進(jìn)行三種不同頻率（速度）的切換。 冷凍水系統(tǒng)如圖4所示4#冷水泵, 電機(jī)容量為450kw，對(duì)應(yīng)溴冷機(jī)運(yùn)行方式。 5、變頻器運(yùn)行與操作 天津石化化工廠選用的高壓變頻器是東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司（原東方凱奇公司）生產(chǎn)的完美無(wú)諧波dfcvert-mv560/6b電壓型變頻裝置。主回路采用igbt模塊結(jié)構(gòu)，控制方式為單片微型計(jì)算機(jī)控制。 （1） 變頻器調(diào)試完畢投入運(yùn)行, 操作簡(jiǎn)便，按正常電機(jī)啟停按鈕即可，從運(yùn)行（或停止）指令發(fā)出到變頻器開(kāi)始運(yùn)行，延遲1～2s，同時(shí)有數(shù)碼顯示運(yùn)行頻率數(shù)值; （2） 電機(jī)啟動(dòng)特性改善, 使啟動(dòng)電流＜1.5ih, 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，待10～20s后電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn); （3） 各種保護(hù)功能齊全, 發(fā)生事故時(shí)變頻器首先自行跳閘, 備用工頻電源和備用泵立即自行啟動(dòng)，有故障自診斷功能，減少了運(yùn)行人員的重復(fù)勞動(dòng)。 6、使用時(shí)的注意事項(xiàng) （1） 水泵、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不宜太大, 通常不應(yīng)低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好在70%～100%之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%時(shí)，水泵、風(fēng)機(jī)本身的效率明顯下降，更不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，應(yīng)注意避開(kāi)泵機(jī)組的機(jī)械臨界共振轉(zhuǎn)速，否則將會(huì)損壞泵機(jī)組。 （2） 變頻裝置的特性盡可能與水泵的負(fù)載特性一致，否則效果往往不太理想。 （3） 由spwm變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)時(shí)，因高次諧波的影響，產(chǎn)生討厭的噪聲。可在變頻器與電機(jī)之間裝一電抗器（約為總阻抗的3%～4%），將v/f比降低到與負(fù)載相適應(yīng)的程度，噪聲可降低5～10db。 （4） 由spwm變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)時(shí)，流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流比工頻供電時(shí)約大5%左右。在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，冷卻風(fēng)扇能力下降，使電機(jī)的溫升增高，應(yīng)降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩和限定運(yùn)行時(shí)間。 （5） 變頻器安裝位置周?chē)沫h(huán)境溫度應(yīng)低于35℃，變頻器的功率模塊上裝有風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)，散熱片上裝有熱敏元件，進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。周?chē)h(huán)境溫度高于35℃時(shí)，功率模塊性能變差，效率就會(huì)降低，尤其是長(zhǎng)期運(yùn)行的水泵，可能會(huì)損壞模塊。 （6） 選用變頻器的容量要與電機(jī)電流（最大轉(zhuǎn)矩）相匹配，并且可提高1～2個(gè)檔次。尤其是工作環(huán)境差，環(huán)境溫度高，長(zhǎng)年連續(xù)運(yùn)行的水泵一定要高2個(gè)檔次以上。 （7） 正式投運(yùn)前，用0.5級(jí)模擬儀表準(zhǔn)確測(cè)量電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)值，以校驗(yàn)電機(jī)在設(shè)定工況條件下的正常運(yùn)行能力。 （8） 當(dāng)兩臺(tái)以上水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)為定速（工頻供電），一臺(tái)為變速（變頻供電），應(yīng)先將定速泵按設(shè)計(jì)額定工況運(yùn)行后，再用變速泵來(lái)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。 7、經(jīng)濟(jì)效益分析 以2002年4月～10月冷水泵運(yùn)行情況為例，對(duì)4#冷水泵的運(yùn)行進(jìn)行節(jié)能分析，4#冷水泵全年運(yùn)行時(shí)間6.5個(gè)月，約4680h，2002年4月～10月冷水泵運(yùn)行工況見(jiàn)表3。 1）以60%的運(yùn)行負(fù)荷計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間約2250h: 電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，擋板調(diào)節(jié)流量: 所需功率 消耗電量295×2250=663750kwh; 采用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行, 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量: 所需功率391×（0.6）[sup]3[/sup]=84.5kw; 消耗電量84.5×2250=190026kwh; 每年節(jié)約用電約663750-190026=473724kwh。 （2） 以30%的運(yùn)行負(fù)荷計(jì)算,運(yùn)行約1685h: 電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，擋板調(diào)節(jié)流量: 所需功率 消耗電量222×1685=373470kwh; 采用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行, 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量: 所需功率391×（0.6）[sup]3[/sup]=84.5kw; 消耗電量84.5×1685=142382kwh; 年節(jié)約用電約373470-142382=231088kwh。 （3） 以90%的運(yùn)行負(fù)荷計(jì)算,運(yùn)行約749h; 電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，擋板調(diào)節(jié)流量: 所需功率 消耗電量381×749=285369kwh; 用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行, 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量; 所需功率391×（0.9）3=285kw; 消耗電量285×749=213465kwh; 每年節(jié)約用電約285369-213465=71904kwh。 （4） 在以上三種狀態(tài)下,共節(jié)約電能: 473724+231088+71904=776716kwh; 按電費(fèi)0.55元/kwh，節(jié)約電費(fèi); 776716×0.55=427193元。 （5） 使用變頻器后，因冷凍水泵電機(jī)工作電流明顯減小，電機(jī)運(yùn)行溫度明顯下降，同時(shí)減少了機(jī)械磨損，機(jī)械檢修工作量也大大減少。 （6） 各種保護(hù)功能可靠，從而消除了因電機(jī)過(guò)載或單相運(yùn)行而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全運(yùn)行�？紤]其他設(shè)備的磨損及冷水泵的運(yùn)行情況，預(yù)計(jì)僅半年便可節(jié)約68萬(wàn)元左右。 8、結(jié)束語(yǔ) 空調(diào)系統(tǒng)冷水泵應(yīng)用高壓大功率無(wú)諧波變頻器，可以使冷水泵隨著溴冷機(jī)冷負(fù)荷的變化調(diào)整冷凍水循環(huán)量，充分利用冷水泵運(yùn)行的輸送能量，可達(dá)到節(jié)約大量電能的目的;冷水泵的軟啟動(dòng)，保護(hù)了水泵、電機(jī)，降低了水泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少泵體和電機(jī)維護(hù)費(fèi);使溴冷機(jī)工況改善，提高溴冷機(jī)的工作效率;水泵變頻運(yùn)行，自動(dòng)隨負(fù)荷變化轉(zhuǎn)速，大大降低冷水泵的噪音。