离心冷水机组加装变频节能装置的经济性评估
2011-10-26王锋刘媛段希希
王锋 刘媛 段希希
中国空间技术研究院动力行政保障部，北京 100094
离心冷水机组加装变频节能装置的经济性评估
王锋 刘媛 段希希
中国空间技术研究院动力行政保障部，北京 100094
本文首先从原理上介绍了变频离心冷水机组的工作原理及工作特点，然后通过总结冷水机组的实际运行数据，推算对冷水机组加装变频节能装置后，在相同运行条件下，冷水机组的运行状况以及节能情况。为进行节能改造的可行性提供依据。
离心冷水机组；变频；节能
前言
随着我国经济的持续迅猛发展，能源供应紧张问题日趋突出，节能已成为各行业所关注的焦点。据有关部门统计，建筑能耗已经达到我国能源总消耗的30%左右，而中央空调系统的能耗约占整个建筑能耗的50%～60%[1]。在中央空调系统能耗中，冷水机组的耗能又占据较大比例。所以冷水机组的节能运行问题也就成为了制冷系统节能中关键的一环，越来越受到各个部门的重视。
本文通过介绍变频离心冷水机组的运行特点、工作原理，从理论上说明离心冷水机组的节能原理，同时结合本园区一台离心冷水机组的实际运行情况，理论分析离心冷水机组在加装变频节能装置后，能达到的节能效果。为存在类似工况的企业为改善冷水机组在部分负荷运行状态下能耗比例失衡的现状，降低能耗而进行的节能改造工作提供经验。
1 变频离心冷水机组的节能原理及特点
1.1 变频离心冷水机组的工作原理
变频离心冷水机组的工作原理是根据冷冻水实际温度、设计温度、蒸发/冷凝压力等参数，通过控制主轴转速和导流叶片开度来控制压缩机的输出负荷，从而使机组可以在较大的范围内运行，又可以达到很好的节能目的[2]。
1.2 变频离心冷水机组的工作特点
1.2.1 变频离心冷水机组的优点
1）部分负荷的工况下机组性能好，节约能耗
由于设计工况下的冷水机组的冷量通常大于实际运行工况下的冷量需求，所以离心冷水机组将近99%的时间都没有达到满负荷，而是在部分负荷下运行。当普通冷水机组在部分负荷条件下运行时，虽然可以调节导流叶片的开度，控制制冷剂的流量，从而调节压缩机的耗功，但是这只是一种开环反馈调节，压缩机仍然存在做无用功而耗电的现象。不同的是，变频离心冷水机组可以根据运行参数，控制主轴转速和导流叶片开度来控制压缩机的输出负荷，优化压缩机的做功能力，降低无用功的比例，从而达到节能的效果。
2）配有前段有源整流技术，减少谐波干扰
变频器的非线性负荷（如大功率整流二极管、大功率逆变晶体管等）会产生谐波干扰，为了避免因控制不当导致的线路发热、机械谐波、绝缘失效、或可能导致周边电子设备产生误操作，变频器配有前段有源整流设备，保证周边设备运行可靠。
3）避开喘振点，提高机组可靠性[3]
变频离心冷水机组可以同时调节导流叶片开度和电机转速，调节机组运行状态，可以控制离心机组迅速避开喘振点，避免喘振对机组的伤害，确保机组运行安全
1.2.2 变频离心冷水机组的缺点
1）在满负荷运行情况下，变频器耗电量约为机组功率总耗电量的3%，所以在机组的长时间满负荷运行的情况下，安装变频器不但不节能，而且还会费电。
2) 变频器的初投资费用高，维修、维护费用高[4]。
2、离心冷水机组全年运行情况
园区内有3台离心式冷水机组，采用两用一备的运行方式，全年运行过程中，只有2台（1#机组、2#机组）机组参与运行。这3台离心冷水机组的制冷量均为700 U.S.RT，离心式冷水机组所配电动机的额定电压为380V，压缩机满负荷运行时电机的工作电流为839A，额定功率为456kW。
每年供冷季（5月至10月）离心冷水机组为园区内工艺性集中空调机组提供冷冻水，保障园区内各试验区的工作环境达标。下面以2008年供冷季离心冷水机组的运行数据为例，分析离心冷水机组的实际运行状况。
根据5月至10月份机组实际运行记录，绘制了不同月份冷水机组在部分负荷下的运行情况（部分负荷是指冷水机组在低于100%马达电流下运行的实际负荷量；满负荷是指冷水机组在100%马达电流下运行的负荷量），详细情况见下图1至图6。
图1 2008年5月份离心冷水机组运行情况统计图
图2 2008年6月离心冷水机组运行情况统计图
图4 2008年8月份离心冷水机组运行情况统计图
图5 2008年9月份离心冷水机组运行情况统计图
图6 2008年10月份离心冷水机组运行情况统计图
从图1至图6可以看出，由于天气的原因，5、6、7、10月，一台冷水机组的制冷量可以满足各实验区域温度达标，所以这4个月只开了2#机组；而8、9月份，由于外界气温升高，只开一台冷水机组显然无法满足试验区的冷量需求，所以8、9月份，有2台冷水机组参与运行，以1#冷水机组的运行为主，2#冷水机组只在供冷量不足的情况下配合运行提供冷量。
根据2008年5至10月机组的运行情况，整理得出2台机组全年运行数据以及耗电量，具体见表1。
表1 2008年1#、2#机组全年运行情况表
3、采用变频节能装置后离心式冷水机组全年运行情况预测及分析
3.1 采用变频装置后离心式冷水机组全年运行情况预测
由于采用3台冷水机组都是YORK公司生产的型号为YKNBBH125CRC 的离心冷水机组。根据YORK 公司对每种型号机组所做的测试报告，这一型号的离心冷水机组加装VSD（变频节能装置）前后，在不同负荷条件下的负荷能效详见表2。（负荷能效是指在产冷量一定的情况下，离心冷水机组所消耗的电能，即离心冷水机组用电量与制冷量的比值）
表2 离心冷水机组加装VSD（变频节能装置）前后，在不同负荷条件下的负荷能效
根据表2中，离心冷水机组原系统与加装变频节能装置的系统在不同负荷率的条件下，负荷能效的数值，绘出负荷能效曲线，如图7。
图7 离心冷水机组原系统与加装变频节能装置的系统在不同负荷率的条件下负荷能效的变化
如图7，绿色曲线代表离心冷水机组原系统在相同负荷率下的负荷能效，红色曲线代表离心冷水机组加装变频节能装置后在相同负荷率下的负荷能效。如图所示，两条曲线均是随着负荷率的降低，负荷能效先是缓慢降低，然后逐渐上升。但是加装变频节能装置的离心冷水机组负荷率一直低于原系统的负荷率。
下面根据表2给出的每台机组在不同负荷率下的负荷能效数值，计算得出不同负荷率下机组的耗电量。2008年2台冷水机组实际运行情况详见表3、4。
3.2 采用变频装置后离心冷水机组全年运行情况对比分析
根据表1、表3、表4中相应的数据，比较得出随着用电负荷率的变化，冷水机组加装变频节能装置前后的耗电量。1#，2#冷水机组加装变频节能装置前后的耗电量的比较图。详见图8、图9。
图8 1# 冷水机组加装变频节能装置前后
图9 2# 冷水机组加装变频节能装置前后
不同负荷率下用电量的变化曲线不同负荷率下用电量的变化曲线如图8、9，绿色曲线代表离心冷水机组原系统在相同负荷率下的用电量，红色曲线代表离心冷水机组加装变频节能装置后在相同负荷率下的用电量。通过分析得出以下2点结论。
1）加装变频节能装置后的离心冷水机组的用电量明显低于原系统离心冷水机组的用电量。
2）在离心冷水机组100%负荷率的情况下，加装变频节能装置后的离心冷水机组的用电量略高于原系统离心冷水机组的用电量。
表3 2008年1#冷水机组的节电能力
表4 2008年2#冷水机组的节电能力
表7 2008年冷水机组的节电收益
表5 2008年1#冷水机组的节电能力
表6 2008年2#冷水机组的节电能力
下面分别列表计算2台加装了变频节能装置的冷水机组的节点能力。
表5、表6给出了2008年2台冷水机组的节电量，根据0.7元的电价（部内规定），按照2008年的冷水机组实际运行情况，可计算得出节电收益。详见表7。
通过表5、表6、表7的数据分析，可以得出以下2点结论：
1）加装变频节能装置后离心冷水机组运行时间越长，节约的电量越多。2#冷水机组全年的运行时间为1574小时，节电量为46275kW，而1#冷水机组的全年运行时间为1030小时，全年节电量为40376kW。
2） 加装变频节能装置后离心冷水机组在较低负荷率下运行，单位电量的节电比例越高。1#冷水机组与2#冷水机组相比，在较低的负荷率下运行，1#冷水机组的节电百分比为12.1% ，而2#冷水机组的节电百分比为8.2% 。
4、结论
1）加装变频节能装置后的离心冷水机组的用电量明显低于原系统离心冷水机组的用电量。
2）在离心冷水机组100%负荷率的情况下，加装变频节能装置后的离心冷水机组的用电量略高于原系统离心冷水机组的用电量。
3）加装变频节能装置后离心冷水机组运行时间越长，节约的电量越多。
4）加装变频节能装置后离心冷水机组在较低负荷率下运行，单位电量的节电比例越高。
[1] 薛金水,莫晏光.浅谈我国变频空调技术的现状和发展趋势.科技信息.2008年,第4期
[2] 张树国,李栋,胡竞.变频调速技术的原理及应用.节能技术.2009年,第1期
[3] 郑文秀,任世亮.对电机系统节能工程的思考—试议电动机采用变频调速节能技术的紧迫性.能源与节能.2009年,第1期
[4] 张伟.变频技术在离心式冷水机组上的应用.建设科技（建设部）.2008年,第12期
10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.079
