开利离心式冷水机组变频拖动节能改造应用与分析.docx

开利离心式冷水机组变频拖动节能改造应用与分析何己有（广东开平春晖股份有限公司，广东开平529325）摘要 本文简要地介绍了离心式冷水机组采用变频器拖动节能改造的原理及特性分析，并通过应用实例在生产过程中的实际运行检测数据来说明，开利离心式冷水机组改用变频器拖动后的节能效果和对提高机组运行的可靠性和优点。关键词：离心式冷水机组、变频器、功率因数、有功功率、无功功率、节能、效率1. 引言近年来，随着国民经济的持续发展，各种能源需求的不断上升，资源环境的约束与经济快速增长矛盾日益加深，从而使我国经济社会的发展面临严峻挑战和制约。因此，充分合理开发利用资源，开源节流， 节能降耗已成为我们未来可持续发展的目标，也是各行业降低生产成本、提高产品质量、提升企业自身竞争力的重要手段之一 。在聚酯工业生产中 ，电能成本占生产成本比重很高。近年来由于电价的不断上涨，造成生产系统运行费用也急剧上升，致使电费成本占据越来越大的比例。因此，节能降耗，控制电费成本已经成为经营管理者重点关注的问题和任务。本厂聚合生产线公用工程制冷工段的 3 台开利离心式冷水机组是耗电大户之一，其运行特点是负荷随季节性变化差别较大，如能充分合理利用及提高设备的运行效率，则会为企业带来可观的经济效益。2. 离心式冷水机组配套设计及实际运行状况分析离心式冷水机组的总负荷设计一般是按照夏季生产线最大负荷工况并预留一定裕量作为依据设计的， 另设计者还要根据生产线运行负荷变化情况及运行工况等级特殊要求考虑配置的。如在全年连续运行的生产线需配置一开一备或多开一备等多种运行模式设计。在实际的生产应用过程中，离心冷水机组的运行负荷处于较大动态变化。如每天早晚，每季交替，每年轮回，环境气温变化等因素对机组的运行负荷影响很大。据统计机组在全年处于最大负荷运行时间只有短短几十天，其余大部分时间都是处于 50%-80%冷负荷运行，在冬天甚至处于更低负荷运行。这样，就会造成实际所需冷负荷与最大功率输出之间的矛盾，从而降低了设备的运行效率，造成巨大能源浪费，给企业造成巨额电费支出，增加经营成本，降低企业竞争力。在使用没有具备负载随负荷变化调速特性的离心式冷水机组控制系统中，无论季节、昼夜气温和用户负荷的怎样变化，电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管系统采用了扇门档板节流方式，但这种调节方式仅是改变流通的阻力，其大部分时间运行效率较低，造成大量的能量浪费，如能釆取有效措施，提高设备的运行效率，减少这部分电能损耗，则会收到很大的节能效果。3. 离心冷水机组变频拖动的节能原理与分析变频器是一种高效节能调速装置，应用广泛，在不同的应用场合可以体现不同的功能，以达到不同的目的，同时还可以提高设备的精确控制能力，并节约电能，延长设备使用寿命，降低生产成本。变频器除了在节能上的优势外，它的启动性能也十分优异，在电机启动过程中，用变频器实现软启动，可以克服工频起动时引起电流过大造成的机械冲击，并减少了对电网及电机本身的冲击，对设备的保护及电网的稳定运行都起到很大的作用。离心式冷水机组釆用变频器拖动，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。部分负荷状态下运行的节能：众所周知，冷水机组 90%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 75%90%负荷左右，负荷降低，单位冷量能耗增加较显著，使用变频器后将优化电机转速和 GVA(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。低冷却水温度状态下运行的节能：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。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，安装变频器的节能效果是非常明显的。4. 变频器应用于电机驱动节能原理及效率分析机械设备在设计配套驱动动力时，都是按照其最大工作负荷、在最复杂的工况条件下，再适当预留一定的余量配套设计的。在电机频繁启动的场合，若采用工频电源直接起动时，因启动电流为额定电流的 6 7 倍，导致一方面浪费电力，增加损耗，另一方面也对设备和配电网络造成冲击，影响设备的使用寿命。而运用变频器可以随着电机的加速而相应提高频率和电压，启动电流被限制在 150%左右的额定电流下，实现平滑启动，启动电流为额定电流的 1.21.5 倍，启动转矩为 70%120%额定转矩。对于带转矩自动增加功能的变频器，启动转矩为 100%以上，还可以带全负载启动。另外，电网电能计量分为有功功率和无功功率。只要工厂的功率因数 cos在供电部门要求之内，就只计量有功功率。对于电网来说，电动机的阻抗特性呈感性，电机运行时要从电网吸取无功功率来建立旋转磁场。电机空载时，定子电流基本上是无功励磁电流，功率因数很低，只有0.10.2。因电机的空载电流是滞后于电压接近 90 度， 故空载电流是无功电流。平时我们用电流表测出的电流实际上是有功电流和无功电流矢量和的有效值。另外电机功率因数是随着定子电流有功分量（负荷）的增加而增加，直到接近额定负荷时，功率因数达最大值，即额定功率因数。1中小型异步电动机功率因数和效率随负载变化关系见下表：负载025%50%75%100%功率因数0.200.500.770.850.89效率00.780.850.880.875而根据前面提到，一般通用变频器用三相全桥整流或三相半桥整流，再在直流环并联大电容器，主要 是滤波和使直流电压平直。由于逆变器中的电力电子开关无法储能，电机需要的无功能量只能靠直流环节的储能元件来缓冲（电压源变频器用电容器，电流源变频器用电抗器）。只要直流侧电容器容量足够大， 大部分无功功率在电容器与电机之间交换，所以大部分无功电流不通过变频器输入端。当然变频器的功率因数不可能为 1，一般 0.80.9，所以还有少量无功电流通过变频器输入端，只要有功电流分量占的比例够大，则整体功率因数就会提高，实现高效率。5. 变频器应用于离心冷水机组负载特性分析恒速离心式冷水机组在满负荷工况时，其 cop 值一般为 5 左右，而在部分负荷时，机组效率将显著降低。我国在公共建筑节能设计标准中引入了 IPLV 的概念。 IPLV 的计算公式如下：IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D 2式中 A100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度 30； B75%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度 26； C50%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度 23； D25%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度 19；从上式可以看出，空调系统全年有 97.7%的时间是在部分负荷下运行的，在此工况下恒速机组效率较差。这是因为恒速离心式冷水机组在部分负荷状态下时，是通过导流叶片（ GVA）调节、进口节流调节等方式来实现制冷量调节的。进口节流调节经济效益较差；而导流叶片略微关闭时，改变了气流进入叶片的方向， 从而使压缩机的效率略有提高，导流叶片调节在一定范围内调节时还是比较合理，但当导叶开度小于 30% 时，节流作用明显增加，效率大为下降，浪费了能源。离心压缩机是由电机通过增速齿轮带动叶轮高速旋转，由此产生的离心力压缩制冷气体使动能转化为压能。则电机的输入功率满足以下关系式：tfftP=KP V / 3其中：P电机功率K常数Ptf气态制冷剂的全压fV 气态制冷剂的体积流量t电机效率根据流体力学原理，上式中P 与转速的平方成正比， V与转速成正比，所以电机功率与转速的三次tff方成正比，所以减小转速意味着减小功率，即提高效率，降低功耗。因此，在满足生产负荷工况下，变频冷水机组在部分负荷运行下降低电机运行速度，则会大大降低电机轴功率输出及保持较高效率运行。同时离心压缩机也无需消耗无谓的能量来过度加速制冷剂气体，从而降低了能耗。当然，离心式冷水机组并非采用变频拖动后在所有的负荷状态下都节能。机组在高负荷区运行时，根 据美国空调制冷学会 ARI 工况运行的效能比对照数据证明，单级压缩的离心式冷水机组由于采用增速齿轮压缩机结构，机组在 100%负荷向 90%负荷卸载时，不能提高机组效率，加上变频控制会有 3%-4%的功率损失，因此机组在高负荷区运行时，变频离心机式冷水机组运行效率较差，但由于占全年的总运行时间很少， 因此并不影响全年的节能效果。46. 开利离心冷水机组变频拖动节能改造应用实例分析以我厂公用工程制冷工段的开利离心式冷水机组为例，我们根据生产线最大负荷要求，共配置 3 台19XL4040424CL 型开利离心式冷水机组，其中在夏天最大负荷时两开一备，其它季节则单台运行。每台冷水机组电机额定功率 216KW，额定电流 370A，原设计起动方式是 Y-起动，经测试起动电流达到约 1100A 左右，最大产量条件下市电运行电流约 368A。设备起动时经常因起动电流较大，容易导致多台设备并行的配电屏主开关过流跳闸，引起电网波动，影响其它设备正常运行，因此在夏季两台机组运行时 ,每次设备转台启动机组时，都要向供电部门申报增开一台变压器，并联投入运行，以确保配电系统正常。每申报开通一台变压器增容费用约为 30000 元/每月。为了确保配电系统正常，节能降耗，节约制冷系统的运行成本，为企业创造效益，我们考虑采用变频拖动的方式替代原来的 Y-起动方式，这样我们既可减少一台主变投入运行，又可降低运行电流，节约成本。我们通过采用富士 FRN220P11S-4CX 型变频器拖动的方式替代原来的 Y-起动方式。为了方便改造及节约费用开支，改造前后主回路如下图：M A IN C B /D SC T 11MT 11AC 1C 02MR E ST 4C T 21MT 21A2MR E SC 2 J3-21C T 3T 5SS1MT 3S1AO LO V E R LO A D R E LA YJ3-22signal resistorJ3-21FU JI 变频器F R N 220P 11S -4C XM A IN C B /D SC T 1T 11M -T 1RUT 4C 1C 0C T 21M -T 2T 2SVC 2J3-21C T 31M -T 3TWT 5T 3FW D C MT 6C om pressor M otor1C RO N /O FFO LO V E R LO A D R E LA YJ3-22signal resistorJ3-21L1L1L2L2L3L3M O LD E DC 3C 02MR E ST 6M O LD E DC 3C 0GC A S E S W IT C HGC A S E S W IT C H（ S TA N D A R D ）（ S TA N D A R D ）C IR C U IT B R E A K E RC om pressor M otorC IR C U IT B R E A K E R（ O P TIO N A L）（ O P TIO N A L）图 1：离心式冷水机组改造前主电路 5图 2：离心式冷水机组改造后主电路离心式冷水机组通过变频拖动改造后，在大致相同的负荷状态下 ,经过初步测量计算，节能对比计算如下：电机由电网直接拖动在 50HZ 工频下运行，实际测得正常运行时电机的参数如下（使用德国 PROWATT-3功率测试仪测量）：三相电流为（I1）：252A/249A/254A；COS =0.832；UT=388V3消耗电功率为（P1）：×U×I×COS =140.7KW3电机由变频器拖动在 50HZ 频率下运行，实际测得正常运行时电机的参数如下： 三相电流为（I2）：211A/205A/213A；COS =0.903；UT=388V消耗电功率为（P2）：×U×I×COS =125KW则电机在 50HZ 频率下采用变频器拖动比市电拖动运行每小时降低功率为：P= P1-P2=15.7KW电机由变频器拖动在不同频率下运行，实际测得正常运行时电机的参数如下:运行频率（HZ）变频器输入电流（A）功率因数消耗电功率为（KW）44166.70.908101.7451780.891106.6461830.888109.2482040.899123.250206.70.903125.4通过以上的测试结果，则可看出离心冷水机组电机在满足生产负荷要求的情况下改由变频器拖动在低频率下运行时,节能效果较明显,因此以运行在 44HZ 时来计算：3相应的电机消耗的电功率 P=电机×U×I×COS =101.7KW计算出变频器拖动时运行 44 HZ 比 50 HZ 每小时少用 125.4-101.7=23.7KW。则每月节电总量(按每月 30 天计)=23.3KW×24×30=16776 (KWh)如果与 50 HZ 市电直接拖动运行比较，可以计算出每小时少用 140.7-101.7=39KW。则每月节电总量(按每月 30 天计)=39KW×24×30=28080 (KWh)每月节电金额(按每月 30 天计)= 28080×0.7=19656 元在相同生产负荷及相同气温情况的环境下采用三相有功电度表计量记录结果如下： 离心冷水机组在 50HZ 工频下拖动运行毎小时的平均功率：144 KW离心冷水机组在 44HZ 变频器拖动运行毎小时的平均功率：106 KW由此可见, 使用功率测试仪（动态）测试的结果与三相有功电度表计量结果相近。在实际应用过程中，如果在气温较低的情况下, 离心冷水机组采用变频器拖动运行在较低负荷状态下, 相信节能效果会更明显。统计在全年实际运行过程中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的，如采用变 频调速，则可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，节能潜力是非常大的。7. 结论：开利离心式冷水机组采用变频调速控制方式改造后，通过在不同的季节气温及不同的生产负荷需求而及时作出相适应的调节，节能效果显著，同时也间接提高了设备运行性能，主要表现以下几方面：1) 在 70%以下低负荷区工况运行，设备运行效率及节能效果显著，经济效益十分明显。2) 提高设备的启动性能及功率因数，避免大电流启动对配电网络造成冲击，减少对电网容量的投入。3) 提高设备运行的机械性能，消除离心式冷水机组运行在低负荷区产生的噪声及喘振，延长设备的使用寿命，间接减少了设备维护及维修费用，较好地满足了生产工艺要求。参考文献：1 段波、李明伟电机及电力拖动基础 人民邮电出版社 2009 年 09 月2 李浙空调用离心式冷水机组的性能分析，制冷空调与电力机械，2001，（1）3 汪前彬、顾丽敏变频驱动装置在离心式冷水机组中的应用，制冷技术，2000，（2）4 陆宏、陈晓角离心式冷水机组变频技术简介。YORK Engineering News.2005（5）5 开利离心式冷水机组技术操作手册THE ANALYSIS AND APPLICATIONS OF THE INVERTER DRIVE ENERGY-SAVING MODIFICATION IN THE CARRIER CENTRIFUGAL LIQUID CHILLERHE Ji-you(Guangdong Kaiping Chunhui Co.,Ltd， Kaiping 529325，China)Abstract：This article brief introduction the principles of energy-saving and characteristic analysis that in the inverter applications in the centrifugal liquid chiller, and using the factual test data of actual example during in production to explain the energy-saving efficiency and improve the machineoperation performance and virtue that applications the inverter to drive the CARRIER centrifugalliquid chiller .Key words：centrifugal liquid chiller、inverter、power factor、 active power、 reactive power、energy-saving 、efficiency