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，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65%?？照{(diào)系統(tǒng)是按最大負荷來設(shè)計的，所以設(shè)備的選擇都是按最不利情況來選型。在絕大部分時間內(nèi)（例如:過渡季節(jié)，每天早晚，一般天氣情況等），系統(tǒng)只是部分負荷運行，在這種情況下，冷機是部分負荷運行，水泵卻是全功率運行。從節(jié)能角度來看，冷凍水泵也應(yīng)作合理的調(diào)整。天津石化公司動力站在2000年年初投入試運行的冷凍水循環(huán)水裝置，存在很大的冷水泵全功率運行的電能浪費，2004年在經(jīng)過設(shè)計采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進行節(jié)流運行后，不但極大的滿足了生產(chǎn)工藝及控制要求，而且成功地解決了能耗問題。 2、工藝現(xiàn)狀 2.1 運行情況 天津石化公司化工廠動力站制冷系統(tǒng)有8臺溴化鋰制冷機，匹配4臺冷水泵，系統(tǒng)是按用戶所需冷量的最大負荷設(shè)計的。在實際運行中，大部分時間系統(tǒng)在非滿負荷中運行。一臺冷水泵對應(yīng)三臺溴冷機，三臺溴冷機滿負荷運行，冷水泵90%負荷運行。當少于三臺溴冷機運行或三臺溴冷機部分負荷運行時，只需冷水泵90%負荷以下運行，但冷水泵為全壓工頻運行，冷凍水的流量與壓力是通過冷水泵出、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)閥來進行調(diào)節(jié)，造成電動機運行效率較低，而且降低了密封、閥門、法蘭的使用壽命。經(jīng)統(tǒng)計，每年在4月～10月間，86%的時間里電動機都在60%的負荷以下運行，如表1和表2所示，為了節(jié)能和改善管線的運行工況和控制水平，首先對4#冷水泵電機采用變頻控制改造。 2.2 技術(shù)參數(shù) （1） 冷凍水供用戶壓力: 0.47mpa 溫度: 7℃ （2） 溴冷機型號:ncc-63制冷量: 3516kw 流量: 605m[sup]3[/sup]/h （3） 冷水泵型號: 單級雙吸離心泵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，水泵運行工況點d是泵的特性曲線n1與管路阻曲線r1的交點。 用閥門控制時, 由于要減小流量, 關(guān)小閥門, 使閥門的磨擦阻力變大，阻力曲線由r1移到r2，揚程則從ho升到h1，流量從q1減小到q3, 運行工況從d點移到a點。 使用調(diào)速控制時，阻力曲線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，特性曲線也會從n1移到n3。結(jié)果，運行工況點從d點移到c點，揚程從ho下降到h3，流量從q1減小到q3。 根據(jù)公式求出: a點運行時泵的軸功率為: pa=（q1h1γ）/（102η） c點運行時泵的軸功率為: pc=（q3h3γ）/（102η） 兩者之差為: δp=pa-pc=q（h1-h3）γ/（102η） 也就是說，用閥門控制流量時，有δp功率時被浪費掉了。同時，隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時，流量q、揚程h、功率p和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系可寫為: 即流量q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比; 揚程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 過去是用改變閥門開度的方法調(diào)節(jié)冷凍水的流量和壓力（揚程）。現(xiàn)將變頻器接入冷凍水系統(tǒng)中，冷凍水泵運行以冷凍水母管壓力參數(shù)為給定量，決定水泵運行工況。根據(jù)工藝所需供水母管壓力來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到控制冷凍水的流量和壓力的目的。 4.1 單臺變頻泵運行時 變頻器只能作一臺電機的變頻電源，所以每臺電機啟動、停止必須相互閉鎖，用邏輯電路控制，保證可靠切換。當制冷系統(tǒng)3臺以下溴冷機運行，只需變頻冷水泵單獨運行時，另外三臺工頻泵備用。變頻泵可以根據(jù)溴冷機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） 當一臺溴冷機運行時，變頻泵設(shè)定頻率為36hz，保證單臺溴冷機正常運行的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n3; （2） 當兩臺溴冷機運行時，變頻泵設(shè)定頻率為41hz，保證兩臺溴冷機正常運行的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n2; （3） 當三臺溴冷機運行時，變頻泵設(shè)定頻率為45hz，保證三臺溴冷機正常運行的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n1。 4.2 工頻泵與變頻泵并聯(lián)運行時 當制冷系統(tǒng)有4臺以上溴冷機運行，需要增加系統(tǒng)中的流量,兩臺水泵并聯(lián)工作，其中一臺由工頻泵做定速運行（性能曲線f2a2），另一臺由變頻泵做變速運行（性能曲線f1a1），如圖3所示。另外兩臺工頻泵備用。由于季節(jié)及晝夜溫度的差別使得變頻系統(tǒng)的運行有著特殊性，管網(wǎng)總出口的壓力（ha）取決與兩臺并聯(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行，否則會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，達不到冷凍水循環(huán)系統(tǒng)總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導(dǎo)致過流發(fā)生，在工頻泵與變頻泵同時運行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38hz以上。通過調(diào)試，作變速運行的電機，頻率給定（速度給定）由壓力信號的大小自動進行三種不同頻率（速度）的切換。 冷凍水系統(tǒng)如圖4所示4#冷水泵, 電機容量為450kw，對應(yīng)溴冷機運行方式。 5、變頻器運行與操作 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算機控制。 （1） 變頻器調(diào)試完畢投入運行, 操作簡便，按正常電機啟停按鈕即可，從運行（或停止）指令發(fā)出到變頻器開始運行，延遲1～2s，同時有數(shù)碼顯示運行頻率數(shù)值; （2） 電機啟動特性改善, 使啟動電流＜1.5ih, 可實現(xiàn)電機軟起動，待10～20s后電機正常運轉(zhuǎn); （3） 各種保護功能齊全, 發(fā)生事故時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，有故障自診斷功能，減少了運行人員的重復(fù)勞動。 6、使用時的注意事項 （1） 水泵、風(fēng)機轉(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。當轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%時，水泵、風(fēng)機本身的效率明顯下降，更不經(jīng)濟。同時，應(yīng)注意避開泵機組的機械臨界共振轉(zhuǎn)速，否則將會損壞泵機組。 （2） 變頻裝置的特性盡可能與水泵的負載特性一致，否則效果往往不太理想。 （3） 由spwm變頻器驅(qū)動異步電機時，因高次諧波的影響，產(chǎn)生討厭的噪聲?？稍谧冾l器與電機之間裝一電抗器（約為總阻抗的3%～4%），將v/f比降低到與負載相適應(yīng)的程度，噪聲可降低5～10db。 （4） 由spwm變頻器驅(qū)動異步電機時，流過電動機的電流比工頻供電時約大5%左右。在電機低速運行時，冷卻風(fēng)扇能力下降，使電機的溫升增高，應(yīng)降低負載轉(zhuǎn)矩和限定運行時間。 （5） 變頻器安裝位置周圍的環(huán)境溫度應(yīng)低于35℃，變頻器的功率模塊上裝有風(fēng)機進行強迫通風(fēng)，散熱片上裝有熱敏元件，進行過熱保護。周圍環(huán)境溫度高于35℃時，功率模塊性能變差，效率就會降低，尤其是長期運行的水泵，可能會損壞模塊。 （6） 選用變頻器的容量要與電機電流（最大轉(zhuǎn)矩）相匹配，并且可提高1～2個檔次。尤其是工作環(huán)境差，環(huán)境溫度高，長年連續(xù)運行的水泵一定要高2個檔次以上。 （7） 正式投運前，用0.5級模擬儀表準確測量電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)值，以校驗電機在設(shè)定工況條件下的正常運行能力。 （8） 當兩臺以上水泵并聯(lián)運行時，一臺為定速（工頻供電），一臺為變速（變頻供電），應(yīng)先將定速泵按設(shè)計額定工況運行后，再用變速泵來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。 7、經(jīng)濟效益分析 以2002年4月～10月冷水泵運行情況為例，對4#冷水泵的運行進行節(jié)能分析，4#冷水泵全年運行時間6.5個月，約4680h，2002年4月～10月冷水泵運行工況見表3。 1）以60%的運行負荷計算，運行時間約2250h: 電動機恒速運行，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)動電動機運行, 改變電動機轉(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%的運行負荷計算,運行約1685h: 電動機恒速運行，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)動電動機運行, 改變電動機轉(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%的運行負荷計算,運行約749h; 電動機恒速運行，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)動電動機運行, 改變電動機轉(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0.55元/kwh，節(jié)約電費; 776716×0.55=427193元。 （5） 使用變頻器后，因冷凍水泵電機工作電流明顯減小，電機運行溫度明顯下降，同時減少了機械磨損，機械檢修工作量也大大減少。 （6） 各種保護功能可靠，從而消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現(xiàn)象，確保了安全運行?？紤]其他設(shè)備的磨損及冷水泵的運行情況，預(yù)計僅半年便可節(jié)約68萬元左右。 8、結(jié)束語 空調(diào)系統(tǒng)冷水泵應(yīng)用高壓大功率無諧波變頻器，可以使冷水泵隨著溴冷機冷負荷的變化調(diào)整冷凍水循環(huán)量，充分利用冷水泵運行的輸送能量，可達到節(jié)約大量電能的目的;冷水泵的軟啟動，保護了水泵、電機，降低了水泵啟動時對電網(wǎng)的沖擊，減少泵體和電機維護費;使溴冷機工況改善，提高溴冷機的工作效率;水泵變頻運行，自動隨負荷變化轉(zhuǎn)速，大大降低冷水泵的噪音。