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1、 PLC、变频器在中央空调节能改造中的应用 10-9-18已打印摘要: 中央空调是现代建筑中耗能巨大的必备配套设备,本文从PLC、变频器技术入手,合理利用原有中央空调机电设备系统,尝试对中央空调进行节能改造,由此探究变频器技术和PLC在中央空调节能效果上的显著性和可行性。关键词: 变频器 中央空调 节能改造 前言:中央空调在高层建筑中耗电量约占总耗电量的60%,且与决定水泵流量和压力的最大设计负载负载率100%相比,一年中负载率在50%以下的运行时间将近一半,水泵的全功率运行,同时又增加了管道能量损失,浪费了水泵运行的输送能量,造成了能量的极大浪费,也恶化了中央空调的运行环境和运行质量,亟待进
2、行有效的节能改造。PLC和变频调速技术的不断开展、,广泛利用,为改造中央空调供水控制系统,到达降低系统能耗,提高水泵运行效率和系统运行可靠性提供了条件,本文以实践中央空调改造为例进行分析,供同行参考。1、节能改造的可行性分析 原有中央空调设备配置:制冷量1400KW中央空调主机系统,水泵系统有: 冷却水泵3台,电机容量:18.5KW;电机负荷率:90%;进出水温差:47 ;开机方式:二开一备;进出管并联形式;冷冻水泵3台,电机容量:22KW;电机负荷率:90%;进出水温差:47 ;开机方式:二开一备;进出管并联形式。1.1中央空调系统冷冻、冷却流程工作原理: 中央空调系统的工作过程是一个不断进
3、行能量转换以及热交换的过程 其理想运行状态是:在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机,在蒸发器进行热交换,被吸热降温后(7)被送到终端盘管风机或空调风机,经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后(12),再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环 在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机,在冷凝器吸热升温后(37)被送到冷却塔,经风扇散热后(32)再由冷却泵送到主机,形成循环。在这个过程里,冷冻水、冷却水作为能量传递的载体,在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里,不断地将室内的热量经冷冻机的作用,由冷却塔排出, 如图一所示 。通常在中央空调系统设计中,冷冻泵 冷
4、却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%,再取20%余量作为设计平安系数。据统计,在传统的中央空调系统中,冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%?24%,而在冷冻主机低负荷运行时,冷却水、冷冻水循环用电就达30%?40%。因此,实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成局部。 采用变频技术控制水泵的运行,是目前中央空调系统节能改造的最有效途径之一1,图一和图二绘出阀门调节和变频调速控制两种状态的压力-流量(H-Q)关系及功率-流量(P-Q)关系。 图二 压力-流量(H-Q)图 图三 功率-流量(P-Q) 图二、曲线1是水泵在额定转速下的H-Q曲线
5、,曲线2是水泵在某一较低速度下的H-Q曲线,曲线3是阀门开度最大时的管路H-Q曲线,曲线4是某一较小阀门开度下的管路H-Q曲线,可以看出,当实际工况流量由Q1下降到Q2,如果在水泵以额定转速运行的条件下调节阀门开度,那么工况点沿曲线1由A到B;如果在阀门开度最大的条件下采用变频调节水泵转速,那么工况点曲线3由A点移动C点,显然B点与C点的流量相同,但B点的压力比C点的压力要高很多。 图三、中曲线5为变频控制水泵调速运转方式下的P-Q曲线,曲线6为阀门调节方式下的P-Q曲线,曲线6为阀门调节方式下的P-Q曲线,可以看出在相同流量下,变频控制方式比阀门调节方式能耗小,根据离心泵的特性曲线公式 PQ
6、Hr/102 式 (1) 式中:P- 泵使用工况轴功率(KW) Q- 工况点的水压或流量(m3/S)H- 工况点的扬程 R- 输出介质单位体积重量(Kg/ m3)- 泵功率根据公式(1)可知运行在B点泵的轴功率为:PB=Q2H2r/102C点泵的轴功率为:Pc=Q2H3r/102两者之差为:PPB-PCQ2H2-H3r/102 也就是说,用阀门控制流量时,有P功率被浪费掉了,并且随着阀门不断关小,这个损耗还要增加,而且转速控制时,由流体力学可知,流量与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比、功率P与转速的立方成正比。即Q/QeN/Ne H/HeN/Ne2 P/PeN/Ne3 式(2)
7、式中:Qe-额定流量 He-额定压 Pe-额定功率 Ne-额定转速 根据公式(2)可知,如果泵类负载的效率一定,当要求调节流量下降时,转速可成正比例下降,此时水泵的轴功率与之成立方倍关系下降。 综合以上分析,结合中央空调的运行特征,利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制2,对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行的较完善的高效节能方案。2、节能改造的具体方案2.2、 对冷冻泵进行变频改造控制,由PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存,并计算出温差值;然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速,调节出水的流
8、量,系统负荷小时,可降低冷冻泵的转速,减缓冷冻水的循环速度和流量,减缓热交换的速度以节约电能;2.3、 对冷却泵进行变频改造由于冷冻机组运行时,其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温,再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。当冷冻机负荷小,需带走的热量小,可降低冷却泵的转速,减小冷却水的循环量,以节约电能。 冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行,将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备,通过电磁开关、人机界面进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动,防止两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故;并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵,以免一台变频器同时拖
9、动两台水泵而过载。冷冻水泵与冷却水泵一次原理图(见图五):(冷冻水泵与冷却水泵相同) 表一:名称型号数量PLC电源单元CJIW-PA205C1CPU单元CJIM-CPUII1输入单元CJIW-IA201输出单元CJIW-OC211温控单元CJIW-TC101模拟量输出单元CJIW-DA041温度传感器E52-P10AC变频器 变频器触模屏 采用进口的日本OMRON变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制,根据负载轻重自动调整水泵的运行频率,实现最大限度的节能运行。亦可根据具体需要选用其他型号的产品。以软启动变频器取代Y-降压启动,降低了启动电流对供电设备的冲击,
10、减少了振动及噪音,延长了设备维修周期和使用寿命。采用人机界面对系统进行参数设定、监控等,方便操作人员对系统的操作、检查。系统还具有各种保护措施,使系统平安可靠地运行。 冷冻水泵降低流量降低转速运行,人们担忧会不会影响供水末端压力缺乏,导致缺水现象,实际上,由于转速降低虽然会使水泵供水压力降低,然而管道特性的压力损失也会随流量减少而减少,即需要的压力也会减少,供水压力与转速的二次方成比例降低,需要压力(管道损失)那么与流量的二次方成比例减少,二者可以相互补偿3。而在人机界面上可以设定变频器上下限频率,来到达防止水泵转速太小对水压造成影响。3、节电效果分析 如果将冷冻水、冷却水运行温差适当提高,例
11、如提高30%,那么流量可以降低23.08%,亦即转速降至额定转速的0.7692,电机功率将为负荷值的0.769230.455,节能率为54.5%4。我们以30%计算,中央空调全年按10个月运行计算,电价每KW.h为0.87元。那么每年节约电费为:电机容量运行台数负荷率节能率每年运行时间电价;冷冻水泵:22KW2台90%30%7200h2台90%30%7200h0.87元/KW.h62,577元;每年节约电费为:74,416元/年+62,577元/年136,993元人民币。4、投资回报 投资(进口plc、变频器):中央空调变频节能改造总投资为:114818元人民币。中央空调变频节能技术改造后,每年节约电费136,993元人民币。投资回收期为:总投资年节电款,即:0.83(年),也就是说设备运行10个月即可收回投资。5、结束语 这套采用可编程控制技术、变频调速技术实现中央空调节能改造的系统,虽然投入较大,但能获得较大的节能效果,系统的整体控制水平也能相应得到提高,而且系统维护方便,具有长远的经济利益、节能环保的社会效益和进一步推广应用的前景。 参考资料:1 吴亦锋?可编程序控制器原理与应用速成?福建科学技术出版社2005年2?制冷空调自动控制?,张子慧等编著,科学出版社2000年12月3?中央空调工程设计与施工?,吴继红、李佐周编著,高等教育出版社 2001年
