中央空調(diào)變頻節(jié)能改造設(shè)計實施

1、中央空調(diào)變頻節(jié)能改造設(shè)計實施    摘要:本文通過對中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造的指標(biāo)設(shè)計、方案實施以及實際運行效果分析,旨在使變頻器在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛推廣和應(yīng)用,以達到節(jié)能減排、降低能耗和生產(chǎn)成本的目的。具有一定的實用價值。 關(guān)鍵詞:中央空調(diào);變頻節(jié)能;設(shè)計 一、概述 在中央空調(diào)系統(tǒng)中,各種類型和不同功能的風(fēng)機水泵的容量是根據(jù)建筑物最大設(shè)計冷熱負(fù)荷設(shè)計選定的,并留有一定的設(shè)計余量。由于四季的變化,陰晴雨雪及白天與黑夜時,外界溫度不同,使得中央空調(diào)的冷熱負(fù)荷在絕大部分時間時遠比設(shè)計負(fù)荷低。也就是說,中央空調(diào)實際大部分時間運行在低負(fù)荷狀態(tài)下。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計

2、,67%的工程設(shè)計熱負(fù)荷值為94165/m2,而實際上83%的工程熱負(fù)荷只有5893w/m2,滿負(fù)荷運行時間非常少。各種風(fēng)機水泵一年四季在工頻狀態(tài)下全速運行,采用節(jié)流或回流擋板等方式來調(diào)節(jié)流量和風(fēng)量,產(chǎn)生大量的節(jié)流或回流損失,因此造成了能量的較大浪費。隨著科技的發(fā)展,變頻器已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),其較高的性價比和成熟的技術(shù),在中央空調(diào)的各種風(fēng)機水泵等電機拖動系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng),利用變頻技術(shù)改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力以及溫度等參數(shù)的變化以取代閥門控制流量,將取得顯著的節(jié)能效果。 二、現(xiàn)場工作概況 某生物藥品有限公司是一家新建生物藥品的生產(chǎn)廠家,新建的廠區(qū)已投入生產(chǎn),為進一步提高公司產(chǎn)品的競爭力、

3、節(jié)能降耗、最大限度的降低生產(chǎn)和人員成本,準(zhǔn)備對公司生產(chǎn)運行中的能源大戶進行節(jié)能改造,提高工藝設(shè)備的自動化程度,以滿足gmp生產(chǎn)車間工藝要求。目前,現(xiàn)場涉及到的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備都是人為控制,設(shè)備的啟動、停止、控制都是在人為干預(yù)的情況下進行操作,各個風(fēng)機、水泵開機運行就在額定狀態(tài)下運行,只是通過調(diào)整風(fēng)道和管道上的各種閥門開度進行調(diào)節(jié),能耗非常大,造成生產(chǎn)成本增大。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運行情況分析,將以上設(shè)備進行變頻自動化改造將有效地節(jié)約能源、提高設(shè)備的運行效率、并對設(shè)備和電網(wǎng)進行有效的保護,同時系統(tǒng)運行的自動化程度也得到了進一步提高。 我們根據(jù)目前設(shè)備運行情況,初步準(zhǔn)備對動力中心中央空調(diào)系統(tǒng)、采暖循環(huán)泵系

4、統(tǒng)、凍干機系統(tǒng)、純水站循環(huán)泵、動物房空調(diào)系統(tǒng)、豬瘟疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)藍耳車間進行節(jié)能改造,其他需要改造的部分可以根據(jù)用戶要求進行增加。 三、變頻運行節(jié)能原理 (一)變頻節(jié)能。由流體力學(xué)可知,p(功率)=q(流量)×h(壓力),流量q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比,壓力h與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,功率p與轉(zhuǎn)速n的立方成正比,如果水泵的效率一定,當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時,轉(zhuǎn)速n可成比例的下降,而此時軸輸出功率p成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如:一臺水泵電機功率為55kw,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時,(運行頻率為40hz,額定頻率為50hz)其耗電量為28.16kw,省電

5、48.8%,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時,其耗電量為6.875kw,省電87.5%。 (二)功率因數(shù)補償節(jié)能。無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱,更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低,大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中,設(shè)備使用效率低下,浪費嚴(yán)重,由公式p=s×cos,q=s×sin,其中s-視在功率,p-有功功率,q-無功功率,cos-功率因數(shù),cos越大,有功功率p越大,普通水泵電機的功率因數(shù)在0.60.7之間,使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,cos1,從而減少了無功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。 (三)軟啟動節(jié)能。由于電機為直接啟動或y/d啟動,啟動

6、電流等于47倍的額定電流,這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,而且還會對電網(wǎng)容量要求過高,啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大,對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,最大值也不超過額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備維護費用。 綜上所述,對風(fēng)機、水泵電機進行變頻改造,是提高系統(tǒng)自動化程度和節(jié)能的最好途徑。 四、實施方案 根據(jù)現(xiàn)場情況我們經(jīng)與甲方領(lǐng)導(dǎo)多次溝通并根據(jù)資金狀況和現(xiàn)場運行狀況分析,決定采用單機變頻節(jié)能改造,此方案一次投入資金相對較少,同樣可以達到系統(tǒng)節(jié)能的要求

7、,但沒有完成整個系統(tǒng)自動化的集成,就系統(tǒng)節(jié)能測算,該方案的投資可在3年內(nèi)收回。 (一)設(shè)計說明。該方案主要針對用戶已經(jīng)安裝好的中央空調(diào)系統(tǒng)進行改造,特別針對廠區(qū)內(nèi)能耗大戶中央空調(diào)系統(tǒng)和凍干機系統(tǒng)進行單一變頻節(jié)能改造,不實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化集成,每一個各控制點需要現(xiàn)場采集測控信號,經(jīng)pid運算后直接傳送給現(xiàn)場變頻控制柜,以實現(xiàn)對該點該設(shè)備的閉環(huán)控制,通過對各點的改造,實現(xiàn)各控制點的最佳變頻運行狀態(tài),進而達到節(jié)能的目的。 1、單機變頻控制柜的設(shè)計 (1)動力中心的空調(diào)風(fēng)機共13臺。其中新風(fēng)機組兩臺,三臺高效排風(fēng)機,冷熱水循環(huán)系統(tǒng)各一套,制冷系統(tǒng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(聯(lián)動冷卻塔風(fēng)機)一套,以及凍干機系統(tǒng)中

8、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(聯(lián)動冷卻塔風(fēng)機)一臺,動物房空調(diào)風(fēng)機三臺,豬瘟疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)三臺,純水站循環(huán)水泵3臺,藍耳疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)(2個控制點)共35個控制點;其他如補水系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)以及自來水系統(tǒng)等涉及電機拖動的各系統(tǒng)不在此次改造范圍之內(nèi),但可以根據(jù)要求和需要進行整個改造和集成。 (2)上述35個控制點中,26個空調(diào)風(fēng)機控制點設(shè)計變頻控制柜23臺;3臺高效風(fēng)機工頻運行,與需要產(chǎn)生負(fù)壓的空調(diào)風(fēng)機聯(lián)動設(shè)計,保證三個負(fù)壓車間正常;水系統(tǒng)各控制點設(shè)計7臺變頻柜,其中冷卻水循環(huán)泵與冷卻塔風(fēng)機聯(lián)動,三臺純水循環(huán)系統(tǒng)各設(shè)計一臺控制柜,根據(jù)安裝在現(xiàn)場傳感器采集的信號分別送入各自控制柜以實現(xiàn)對

9、單系統(tǒng)的閉環(huán)恒壓力或恒溫度運行。 (3)各控制柜分別具有現(xiàn)場手動操作(手動工頻起停操作)、現(xiàn)場變頻操作(現(xiàn)場手動變頻器起停、頻率手動設(shè)定操作)和遠傳微機控制三種操作方式;以便系統(tǒng)操作和今后需要系統(tǒng)集成時備用。 (4)控制柜設(shè)計微電腦定時裝置,可以對設(shè)備運行的不同時間段、運行時間進行全面自動控制;減少人為誤差。 (5)本次設(shè)計沒有涉及到的其他部分可以根據(jù)甲方提出的要求進行增加,以達到整個工廠變頻節(jié)能改造和自動控制的目的。2、制冷系統(tǒng) (1)冷卻水循環(huán)。冷卻水循環(huán)泵:45kw兩臺,一用一備,采用溫度傳感器對回水進行恒溫度控制;45kw變頻柜一臺,配供回水溫度傳感器和控制器單泵恒溫控制,具有定時切換

10、功能,防止備用水泵長時間不運行造成腐蝕。 (2)冷凍水循環(huán)。冷凍水循環(huán)泵:18.5kw三臺,兩用一備,采用溫度傳感器對回水進行恒溫度控制;18.5kw變頻柜一臺,配回水溫度傳感器,具有循環(huán)軟啟動功能。 (3)冷卻塔風(fēng)機。冷卻塔風(fēng)機7.5kw一臺,采用溫度變送器采集冷卻塔出水溫度進行控制,出水溫度低于30度時停止運行,高于35度工頻啟動運行,與冷卻水循環(huán)泵變頻控制系統(tǒng)聯(lián)動運行。 3、制熱系統(tǒng) 熱交換器后熱媒水循環(huán)泵11kw兩臺,采用溫度傳感器對回水進行溫度控制;11kw變頻柜一臺,配回水溫度傳感器恒溫度控制,具有備循環(huán)軟啟動功能。 4、凍干機系統(tǒng) (1)冷卻水循環(huán)泵18.5kw兩臺,采用溫度變送

11、器對回水進行恒溫差控制;18.5kw單泵變頻柜一臺,配回水溫度傳感器單泵恒溫控制,具有定時切換功能,防止備用水泵長時間不運行造成腐蝕。      (2)冷卻塔風(fēng)機7.5kw一臺,采用溫度變送器采集冷卻塔出水溫度進行控制,出水溫度低于30度時停止運行,高于35度工頻啟動運行,與冷卻水循環(huán)泵變頻控制系統(tǒng)聯(lián)動運行。 5、組合式變風(fēng)量空調(diào)機組 (1)新風(fēng)機組,兩臺套(k2a-x、k2b-x),功率:11kw,采用變頻定頻率運行,運行頻率根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定,既保證新風(fēng)量的補充,又保證風(fēng)道系統(tǒng)的壓力和溫度的恒定,兩臺11kw變頻柜,具有手動和變頻運行功能。

12、(2)空調(diào)風(fēng)機正壓區(qū),十臺套,7.5kw風(fēng)機六臺(jk2a-1、2、3、4、5和jk2b-4),18.5kw風(fēng)機三臺(jk2a-6、jk2b-1、jk2b-6),新增3kw風(fēng)機一臺。采用靜壓傳感器采集回風(fēng)口風(fēng)道靜壓,經(jīng)控制器運算輸出控制變頻器閉環(huán)變頻運行,當(dāng)頻率達到50hz時輸出開關(guān)量信號,判定高效過濾器堵塞需要更換;采用7.5kw單泵變頻控制柜六臺、18.5kw單泵變頻控制柜三臺,變頻柜分別具有現(xiàn)場手動操作(手動工頻起停操作)、現(xiàn)場變頻操作(現(xiàn)場手動變頻器起停、頻率手動設(shè)定操作)、恒變量閉環(huán)自動運行以及遠傳微機控制四種操作方式;以便系統(tǒng)操作和今后需要系統(tǒng)集成時備用。 (3)空調(diào)風(fēng)機負(fù)壓區(qū),三

13、臺套,7.5kw風(fēng)機三臺(jk2b-2、jk2b-3、jk2b-5)。由于負(fù)壓區(qū)循環(huán)風(fēng)道上分別有三臺功率2.2kw高效排風(fēng)風(fēng)機,需要與送風(fēng)機聯(lián)動配合,在保證車間負(fù)壓的前提下對送風(fēng)風(fēng)機進行變頻調(diào)速控制。 (4)動物房間組合空調(diào)風(fēng)機三臺,功率分別為7.5kw、2.2kw和4kw各一臺,與上述空調(diào)風(fēng)機正壓區(qū)控制一致;設(shè)三臺變頻控制柜,功率分別為7.5kw、2.2kw和4kw。 (5)純水站循環(huán)水泵三臺套,功率為3kw,由于白天夜間用水量變化較大,擬采用壓力傳感器進行恒壓力控制,設(shè)計單泵變頻柜三臺,功率為3kw。 (6)新增豬瘟疫苗車間空調(diào)系統(tǒng)三臺;功率分別為3kw、5.5kw和7.5kw各一臺,與上

14、述空調(diào)風(fēng)機正壓區(qū)控制一致;設(shè)三臺變頻控制柜,功率分別為3kw、5.5kw和7.5kw。 以上共涉及33個控制點,施工地點分別在動力中心風(fēng)機15臺、水系統(tǒng)3臺、凍干機房1臺、動物房風(fēng)機3臺,純水站3臺,豬瘟車間風(fēng)機3臺,5個施工地點。 (二)冷凍水、冷卻水變頻改造示意圖(如圖1所示見職稱論文代寫)。 (三)冷凍(媒)水、熱媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制。 1、制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制 該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下,確定一個冷凍泵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,變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度,再經(jīng)由溫度控制器設(shè)

15、定的溫度來控制變頻器的頻率增減,其控制方式為:冷凍回水溫度高于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)最大達到50hz。反之頻率無極下調(diào)最低達到最低運行頻率。 2、供熱模式下熱媒水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制 該模式是在冬季采暖模式下熱媒水循環(huán)水泵系統(tǒng)的控制方案。熱源為廠區(qū)鍋爐熱交換產(chǎn)生;同制冷模式控制方案一樣,在保證最末端設(shè)備熱媒水流量供給的情況下,確定一個熱媒水泵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,變頻熱媒水水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在熱水系統(tǒng)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。同理,循環(huán)水回水溫度低于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)最大達到50hz。反之頻率無極下

16、調(diào)最低達到最低運行頻率。 (四)冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前,在冷卻水系統(tǒng)進行改造的方案最為常見,節(jié)電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下,通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量,當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時,減少冷卻水流量;當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時,加大冷卻水流量,從而達到在保證中中央空調(diào)機組正常工作的前提下達到節(jié)能增效的目的。 現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵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,變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻回水溫度信號來調(diào)節(jié),當(dāng)回水溫度大于設(shè)定值時,頻率無極上調(diào),當(dāng)回水溫度小于設(shè)定值時,頻率無極下調(diào),同時當(dāng)冷卻水回水溫度高

17、于設(shè)定值時,頻率優(yōu)先無極上調(diào)最大至50hz,當(dāng)冷卻水回水溫度低于設(shè)定值時頻率優(yōu)先無極下調(diào)達到最低運行頻率。另外配合室外冷卻塔風(fēng)機運行,當(dāng)冷卻水回水溫度低于30時停止,大于35開啟;應(yīng)與冷卻水循環(huán)水泵變頻控制柜一同設(shè)計。 (五)變頻風(fēng)機的靜壓pid控制方式。送風(fēng)機的空氣處理裝置是采用冷熱水來調(diào)節(jié)空氣溫度的熱交換器。大型商場、人員較集中且面積較大的場所常使用此類裝置。圖2給出了一個空氣處理裝置中送風(fēng)機的靜壓控制系統(tǒng)。如果送風(fēng)干管不只一條,則需設(shè)置用靜壓要求最低的傳感器控制風(fēng)機。風(fēng)管靜壓的設(shè)定值(主送風(fēng)管道末端最后一個支管前的靜壓)一般取250375pa之間。若各通風(fēng)口擋板開啟數(shù)增加,則靜壓值比給定

18、值低,控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加,加大送風(fēng)量;若各通風(fēng)口擋板開啟數(shù)減少,靜壓值上升,控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降,送風(fēng)量減少,靜壓又降低,從而形成了一個靜壓控制的pid閉環(huán)。 (六)冷卻塔散熱風(fēng)扇的改造。冷卻塔的散熱風(fēng)扇主要是用來加快冷卻水在噴淋過程中的散熱速度。對于風(fēng)扇的控制可采用回水溫度控制的方式,當(dāng)循環(huán)冷卻水泵運行在變頻控制狀態(tài),冷卻回水溫度大于35時,冷卻塔風(fēng)機自動開啟運行,當(dāng)冷卻回水溫度小于30時,冷卻塔風(fēng)機自動停止運行,從而避免為滿足冷卻塔出水水溫32,必須使風(fēng)機處在工頻狀態(tài)下運行,而造成水溫過低,形成不必要的能源浪費。(七)純水站3kw循環(huán)泵改造。涉及到3個3kw循環(huán)水泵的變頻改造,擬采用循環(huán)水出水恒壓變頻控制,或采用分時段定頻率運行方式進行改造,控制柜設(shè)計3kw單泵控制柜各一臺,恒出水壓力控制。 (八)動物房三臺變風(fēng)量空調(diào)機組。按照靜壓傳感器恒壓力變頻運行以達到節(jié)能效果。 (九)設(shè)備的選型,主要包括: 1、變頻器 變頻器是此次節(jié)能改造的重要設(shè)備,設(shè)備的穩(wěn)定性和操作的靈活性簡便是該系統(tǒng)可靠、安全的根本,同時結(jié)合操作人員的掌握程度,我們選用了日本三墾、富士產(chǎn)品。 2、低壓電器 低壓電器的主要元器件我們選用了施耐德產(chǎn)品,以提高控制設(shè)備的可靠性,其他電器件選用國內(nèi)知名品牌。 (1)整個改造系統(tǒng)我們將保留原系統(tǒng)