变频器在中央空调循环水冷却塔中的节能应用方案

变频器在中央空调循环水冷却塔中的节能应用方案摘要：据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20~40%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。关键字：变频节能冷却塔风机固定变频循环变频1.概论中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房中的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷选定的，且再留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，造成了能量的巨大浪费。近年来由于电价的不断上涨，使得中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运成本费用中占据越来越大的比例，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20~40%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。2.中央空调系统的一般结构与工作原理中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒(冷冻和冷热)循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。其工艺结构流程图如图A所示，在图A中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂(冷媒介质如R134a、R22等)压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵(在夏季称为冷冻水泵)将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。图A中央空调系统工艺结构流程理解中央空调系统工艺流程对于节能改造的实现至关重要，从因果关系角度上看，冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统均是主压缩机系统的从动系统。当主压缩机系统的负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔需求的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有节能改造的必要前提条件，才有实现“按需分配”控制方案的可能。3.中央空调系统的节能原理中央空调系统按负载类型可分为两大类，①变转矩负载:如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载;②恒转矩负载:如主制冷压缩机系统。不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立:N1/N2∝Q1/Q2H1/H2∝(N1/N2)2P1/P2∝(N1/N2)3(1)其中，N、H、Q、P分别表示转速、流量、扬程、轴功率。它们之间的关系曲线如图B所示。图B流量、扬程、功率三者间的关系曲线图由式1可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35%。从图2中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。由上述流体传输设备水泵、风机的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的功率。例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。由以上内容可以看出，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。中央空调系统在设计时是按现场最大冷量需求量来考虑的，其冷却泵，冷冻泵按单台设备的最大工况来考虑的，在实际使用中有90%多的时间，冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，而且由于对空调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态；而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并可通过变频节能收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。4.下面我们主要探讨一下冷却塔风机使用变频节能的实施方案和应用效果4.1冷却塔风机变频控制实施方案方案一：固定变频控制方式。投因为冷却塔的稀型式：有单塔套型式、和多塔校型式的；所以货，固定变频控求制方式：可分往为单台固定变啊频控制和多台的固定变频控制喝。下面以多台拜固定变频控制型为例，作如下抖讲解。如图所城示：宗图一：固定变焦频控制方式照该系统由变频段回路和工频回隔路两部分组成沾：攀弱变频回路：由委一台变频器，蠢空气开遇关城QF督2厨，交流接触求器伏KM0假2叔和变频运行控波制回路及信号县报警回路组成板变频循环运行排回路。工频回知路：由空气开佩关置QF慌1粪、究QF斥3满、趣QF鸭4锻、冶QF盏5比、交流接触瑞器练KM0圾1郑、违KM0租3浊、祖KM0仆4蓝、怀KM0失5伶、和热继电职器接FR畜1大、都FR稠2机、却FR运3修、净FR屋4纹、以及手动运闷行控制回路等慎构成工频扁（愧50H君z伏）运行回路。运行方式：涛工频运行时：蚊风机根据工频绞控制回路选择访指定风机启动呼，并扑以迎50H吸Z兰全速运行。己变频运行时：筐风机以传感器绝所测实际水温掩，经过温控器宅转换成标准的肃电流信号或电首压信号，送到撑变频器的摸拟黑输入端，当第哪一台变频电机怖达到满负荷运葵行时，还不能跌满足实际工况萄则第二台电机患就会被工频起握动，第一台电臂机仍然变频运颜行；同理，若饮第二台电机起瑞动后，还不能刘满足工况则第袍三台电机就会糖被工频起动；荡此时，三台电体机全部运行：慰第一台电机变顿频运行、第二雁台电机工频运聋行、第三台电沫机工频运行。鹿方案二：循环动变频控制方式旨。辜由负P伶∝密n晕3行可知：风机节守能的最佳方案椅是控制风机转府速，可通过改冤变电机控制系昂统来调节电机泉运行的转速，优从而达到控制达风机转速的目底的，下面以三亲台相同功率的艇电机的冷却塔再为例，作如下咸讲解：三台风房机为同一功率总的的电机，可彻采用一台变频艳器循环控制的辣方式运行，系酒统电气原理概小况图，如下所殊示：万图二：循环变浙频控制方式之合一（变频器内腾置循环变频切耻换功能）戴该控制系统由例变频回路和工宣频回路两部分馆组成：旋变频回路：由汁一台变频器，块空气开耻关趟Q颤1变，交流接触芳器陆KM笨1粪、订KM脸3吗、钉KM翁5膜和自动运行控劣制回路及信号设报警回路组成洁变频循环运行概回路。工频回室路：空气开框关爬QF色2替、塘QF暂3傲、品QF穷4迷、交流接触樱器贴KM兔2陶、源KM泄4姑、祝KM枪6董和热继电顷器故FR予1闻、六FR艺2口、扬FR陷3元以及手动运行壤控制回路等构岗成工频洞（芝50H散z托）运行回路。企图三：循环变抓频控制方式之驳二（变频访器凑+PL览C张实现循环变频分切换功能）鄙该控制系统由掉变频回路和工妻频回路两部分沉组成：莲变频回路：由册一台变频器，才空气开变关首QF惭3省，交流接触驱器番KM斜4子、先KM搂5泪、没KM俩6掠和自动运行控瞒制回路及信号包报警回路组成窄变频循环运行剖回路。工频回索路：空气开武关顺QF谢0吊、唱QF封1糖、见QF拣2庸、交流接触泽器盒KM芳1集、黑KM蚁2迁、党KM街3楚和热继电府器哥FR冰1耻、副FR数2婶、盯FR话3肠以及手动运行虹控制回路等构灶成工频尚（锋50H慕z锅）运行回路。运行方式：理正常状态，转隆换开关切至自捕动运行回路，梳由温度传感器鸭测定冷却塔出拦水温度，经过吧温控器转换成纽标准的电流信失号或电压信号夕，送到变频器巷的摸拟输入端板来控制变频器话的转速，改变志风机的风量，坑从而改变冷却潮塔的出水温度求；当一台风机陆运行仍旧不能于满足要求时，明将此变频运行裂的风机改为工夕频运行，再变山频启动另一台折风机，直到满科足生产装置所荐需的循环水的倍温度达到工艺稼要求为止（即懂水弱温贡≤顿32°C偿）。整个控制体系统为一个闭飘环调节系统。番根据装置的工炸艺要求，自动鸡确定风机是变暑频运行还好工羽频运行。并做保到最先运行的乓风机最先切除坟，各电机循环剩运行，从而延删长设备使用寿描命的目的。当鹿变频系统控制昼回路或者变频污器出故障的时拖候，将转换开你关切换到手动斧状态，三台电霉机运行在工频渠状态仍可满足愚装置工艺要求脏。却4.2肾唇以循环变频控行制方式为例讲昂解一下循环水艺冷却塔变频节秘能的效果：幅计循环水冷却塔江运行概汪况疑圾某公司供司水厂共撕有错3运个编号分别享为岁1#,2百#良和爆3笋#羞循环水冷却塔列。各生产装置旁返回的循环热范水用泵输送到争这些塔茄内吹,烧通过塔内的填跑料增加热水与缘空气接触面积初和时患间浸,桥促进热水与空级气进行热交吓换爸,窜使循环水冷却猜。从而获得各晌生产装置所需络循环水温石度怎≤戏3至2乖℃戒的冷水。霞当环境温度升张高潜时砖,波启动冷却塔内扔的轴流风机实哀行强制通除风双,访加快冷却塔填敢料上循环水气班相与液相的热改交换。每个冷惨却塔内装大设悔1穗台轴流风绵机票,害其直径为蚂8500mm磁,疾由电压争为线380V黄,郑额定功率采为乎160k站W壮的断4朵极异步电机驱晓动。电机和风圈机之间采用恒眼定减速比的减颤速机直惨联材,啄塔内不装设节奏流阀。因此轴圆流风机的转速撑与风量是不可参调的旺。绒3毯个塔的总处理访能力达跳8000m3孩/h油,服远大于各生产帮装置最大需求浆量总和哀6600m3救/h,20小0篇2找年度各塔的运旅行参数详见斯表橡1乒与山表躬2记。柳趁冷却塔风机采拒用变频调速节检能方厚案遭不紫.刘1朴风机节能可动行性分掌析种:宜塔请编号肯处理能斩力扎(凑m3/h)渴电机电盗流烦(既A)协电机电山压关(盲V)裂功率因景数蒸(co喝s棋φ乎)牧电机输入功绸率姐(唱kw)时电功率单曾耗何(喝kW/m3)混1届2000器250足380钢0.87钢143参0.0715肥2切3000进200式380朱0.87携115放0.0383未3兼3000警220拘380恭0.87隶128敢0.042省表川1散各塔运行参耳数统计表潮由床表直1碗所示的数据知宪：莲200缴2霜年度冷却塔风钱机全部运行期译间箱,辅冷却塔进水温松度的最高温度斑平均值分布倡在扎34.哨5狸℃爽～蜜3孔8粒℃降内；循环水经中冷却单后挨,玻冷却塔出水温闭度的最高温度嘱平均值分布狠在妇27.抗6昼℃工～孙28.绞8辣℃板内进,达其较各生产装客置所需冷却水颗温度小3荷2艳℃丛低标3.薪2伤℃遍～要4.爹4歌℃汤；并可知在同劳时满足冷却塔崭进水温度低于蒜最高共热水温度平均圣值及冷却塔出扁水温度低于最晋高冷水温度平泊均值这一条件众下圣,才单台风机全年宇的运行时间为槐2705谱h撤。若采用变频钻控制器调节风系机转刺速保,简改变风机风闷量止,拐可使冷却塔出究水温度提高或2骡℃璃～庸3挨℃岔的情况杰下卵,触仍能满足冷却待塔出水温江度俘≤喘3旁2烟℃际的工艺要掘求律,井这显然可节省性电能。根据厂重家所提供的迁：乡a文.任出水与空气湿剑球温度及冷却阿塔进水温度关鼓系曲线图狮；晕b笨.步进出水温差与健空气湿球温度灯及风机轴功率偏百分比关系曲变线图；批以及贫表愧2纸的有关数肺据哈,狐通过工艺计算展得风机的不同燥月份节能潜力浩及收益值如垮表像3者。由表皮2拣坑200颜2针年不同月份风啊机运行台时与恋冷却塔出水温喘度关系统计韵表期饭日期数运行台数活运行天数盐运倘行厚=24h/d岭运浴行束=24h/d临同时满钞足泡①域τ贵热凭进对≤罗τ驳热精进畜ma兽x逐②惭τ啦冷雀出亲≤副τ则冷蓄出纽max福劲时风机的运行姿时仗间把/h戴最高热水温度谈平均庸值那τ歌热雹进棍max挠/总℃引最高冷水温度爹平均裕值硬τ宿冷竿出诱max恋/友℃停台数陆累计时前间欠/h敞台御数暖平均运伶行授/h/b惜累计时燥间恒/h颠3胜罢月羡27乖日诞~惠5奏月艇1出7注日旦1氧34铲0久0肥1筝16.7其56956造569洗517魂37.6躬27.6描5阵者月浸18灯日膝~烛6报月凳1毒6基日束2倍45施1脸1080以1潜15乖673哑561跑35.3胡28栋6远住月挤17识日鹅~叶8梦月挥2归6找日满3厦69屈2贪3312香1骄21.45揪1480炉1028畜38鞋28.8文8办月稼2旅7谜日宾~卸1白0侦月育1期3污日兆2畏30典1竿720洒1捕10.8竹324遥157扶34.5孔28.4厅1剑0舌月世1党4油日栽~码1处1滑月构1扭5辫日阻1仓44拐0糠0拍1高15.8萄693倡442吵34.5剂28.4哀表记3站粉200诞2述年不同月份风颗机节能潜力及盯收益计算屠值花粥项目内容倘日期尤冷却塔进水温嚷度木/聪℃芒温着差谜Ζ员1羽℃厦湿球温度水/壮℃鱼对应不同功率估比拣冷水温度两/江℃罗运行时间骤/h漠风机朗功率甚风机节能为潜力湾收益荷率坛/按万元疯Z钉2粘Z城1秒3.27-5痛.17坝3.6回10拔20.5捎7.45往7.87府29.73循517闸0.46P趋0.54P溪1.883鄙5.18-6度.16判35.3馆7.3豪22.5拢6.50须5.31乳29.69舅561河0.46P增0.54P影2.044颠6.17~8俗.26费38储9.2射22.5宝7.00泉7.70投30.30据1028乏0.46P软0.40P语2.774来8.27~1币0.13三34.5债6.1蓝24糊5.80伞4.05促30.45慈157既0.46P浓0.54P捡0.572编10.14~鼻11.15塞34.5漆6.1之24认5.80摆4.05建30.45袄442伯0.46P酒0.54P垄1610佳注：收益率＝刑可运行时馒间彩×逗风机节能潜闭力词×0.5刻6纵元董/kW·h×州100%摩;洽表诵中升P己＝侵120.5k暑W猎；嫂总收益泪值速=8.88勉3漂元那。酸润由钥表蓬3崖可知各冷却塔侍风机节能潜力坏为赵40点%滤～辞54父%么。塞4.2.钻3浩欧风机变频调速肆实施方案探精讨些缸秩.直1队系统结柿构童猎由盼P僚∝汤n雹3纳知：风机节能沃的最佳方案是田控制风机转缸速济,论可通过改变电氧机控制系统来暮调节电机运行灶转敞速拆,许从而达到控制肠风机转速的目前的。酸由勿于丰3朵台风机驱动电熊机功率均泥为肝160kW甜,瞒可采胁用荷1掏台变频控制器慎循环方式运灿行缓,扒系统结构框图珍如堤图饮1辰所示：缸该系统带由样2傍部分组成：变昌频回路卫：厕1讽台变频波器挽,煤空气开枪关并Q1孙,韵交流接触记器图C摊1赛、涛C罢2需、校C野3水和自动运行控缺制回路及信号芦报警回路组成读变频循环运行舌回姥路遣;全工频回路：副空气开垂关遣Q筛2惹、交流接触桂器黑C尤4克、爸C胆5哑、扩C渡6婚和热继电扯器货T啊1逗、测T唐2中、君T图3伴以及手动运行帖控制回路等构育成工伐频今(50Hz损)逝运行回路。革日.浸2显运行方构式豪谷正常状宁态乓,谋转换开层关莫Q煌K搁切至自动运行忽回钢路解,果由温度传感器欢测定冷却塔出雕水温情度智,洒转换成标准的磁电流信晌号注,貌送至变频器的斑温度检测宝器腔,掘用于控制冷却虾塔风机转恼速少,坏改变风机的风闭量宴,苹从而改变冷却她塔出水温度；鸦当驴1陷台风机运转频练率接近工频运匠行仍不能满足动要求均时帐,扰将此变频运行拖风机改为工频篇运尘行改,肠再变频启动呼另羊1域台风愿机课,折直到满足各生撤产装置所需的仗循环水温获度葡≤逗3愈2话℃跑为止。整个控帆制系统为一个藏闭环调节系统铜。便根据工艺要驳求袍,竭自动确定电机刘是变频运行或黎是工频运列行垮,悲并做到最先运旨行的风机最先垮切隔除皂,杯各电机循环运算行射,唉从而延长设备她使用寿命。当倘变频器出故障谦时灿,怠将转换开诱关押Q秘K赏切换至手动状番态屿,临3旋台电机运行在口工频状态仍可舅满足运行要求婆。息臣采用变频器调协速的方棉法目,灌改变了以往电只机的开、停仅醉为手动控制的蝶单一工频运行杏方碰式它,携从而避免为满刘足冷却塔出水幸水闲温剩≤沈3谨2决℃糕,劝必须医使涂1域台或几台风机透均处在工频状楚态下运丸行友,播而造成水温过渴低挖,溜形成不必要的固能源浪费。采瘦用变频调速运衣行方济式帆,冬提高了水温控箭制的准确方性钥,湾并可实现平滑察启动电捐机断,泥使传3眠台电机循环运或行最,摘从而提高电机笼的使用寿命案。妙且妥风机节能经济绸分播析耕晒(1)击冤由疯表隆1薯所示的冷却塔墙运行参数可知瘦：既1锦＃塔的处理能喊力只荒是叮2粒#汁或减3增#草塔原的萌66%道,羞但其处理茫1m3彻/蝇h做热水风机电功恋率单耗确锁是可2桨#悼塔挖与睛3边#冷塔风机电功率往单耗之平均值晕的居1.78胡3映倍迎(虑即其废大自0.0313低kW/m3/驶h)悔,村其原因是该塔幕填料仍为旧式蚁低效填基料潮,赵若毯将冻1嗓#拾塔填料改用岔与谱2技#挑塔相同性能的关新型高效填烂料撞,父则每小时处理引能力就可提高愁1000m3粗。如餐按篇1运#席塔处理量为话2000m3止/侮h写计闻算慈,染每小时节楼电膊2000×0旧.031臂3晌＝获62.6kW量,须节能效果相当祸可观摆。帐1卧#程塔每年运行时尺间愚为胜3000h搅,睁更换填料需投弊资以约遇4补5索万元驳。缎趁收益率谋＝铜3000×6耀2.6×0.狭56/45×谱104×10晓0六%油＝为23.3均7爆％滴。仰熄(2)乒邻采用变频调速燕方齿案态,疮根据过表巴3雅可得每年总收蛙益值爪为祸8.88失3拉万行元喇,爷实施变频控制喂需要投资凳约毕1此5风万抱元廉,材收益桌率宿=8.883调/15×10从0朋%监＝炎59.黎2朗％塑,轨约兄1.零7涛年就能收回投诞资切额举,饮另外设备的折督旧率大大降星低寸,矮可见节能效果格显著。5.总述繁智能楼宇和职监能厂房的高速跑发展，使得现呼在楼宇和厂房驰的能耗越来越挽大，节能方法捏的使用是每一醒个管理者和经沉营者都必须考戚虑的问题。而缘节能是目前全胃球关注的观念酱主题，而就目盲前来讲变频器却节能是最佳的祖投入最少的节框能方式和控制援方式。那么，汽作为冷却塔的渣用户如果在了冬解到变频器节略能的好处之后垃。对于这么少刻量的投资自然它是十分的乐意懒。喂对于冷却塔的们生产厂家来说乳，一种新的产粥品的投入生产鸡首先看市场的颈需求和能够产吴生的效益，通苍过以上的经济屠分析，我们可许以得出使用方迟只要在了解到坡了变频器应用切的优点后，基袄于运行成本和满设备维护的考志虑，必然会对斯这样的投资产归生浓厚的兴趣殿。而事实上目妈前市场上对于塌冷却塔变频器甚应用已经十分离的成熟，而且廊也正是朝着这访个方向快速的范发展。变频器矩的应用是目前悦整个冷却塔市腾场乃至整个中冈央空调市场的晒趋势，照目前给的市场情况来偏看，越早投入象变频器的应用晕的厂商收到的深经济效益必然散是越快。当然鸣这需要冷却塔样厂商的销售人诉员对客户进行掩详尽的到位的涂变频器技术的段解释。而冷却