三级压缩离心热泵机组变频研究

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(1.淮北矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮北 235000；2.中国矿业大学电力与动力工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

变频研究对象为特灵三级压缩离心式CVHG670热泵机组和特灵三级压缩离心式CVHG780机组。该机组的特点是三级压缩、高效率、噪音最低、振动最小、直联传动、无齿轮装置、寿命长。该机组是值得研究的，在此基础上将三级压缩离心CVHG热泵机组的启(驱)动方式由星三角置换为变频调速，从而优化性能。

1 三级离心机组变频研究方案

(1)变频器方案设计。主要是根据目标机组的参数及现场工况，初步设计变频器研发方案。

(2)变频调速系统的研制及配套。根据确认的变频器规格及配置采购或定制变频驱动柜并送至研发中心实验室。

(3)特灵离心机组的研制。首先选择目标离心主机送至研发中心实验室并与变频驱动柜装配完毕，接着建立数学模型，进行变频驱动控制逻辑开发，然后进行性能仿真，最后配套电气设计。

(4)工厂模拟实验。包括样机安装、性能实验、振动与噪声实验、控制逻辑验证、电气安全测试、可靠性测试等。

2 三级离心机组变频研究实验

2.1 三级离心热泵机组变频性能实验

离心变频节能的原理在于：压缩机功耗=制冷剂流量*压缩机压头/效率

对于离心压缩机而言，制冷剂流量正变于速度的一次方，压缩机压头正变于速度的二次方，所以压缩机功耗正变于速度的三次方。当转速降低时，功耗将急剧下降，从而达到部分负荷节能的效果。

三级离心机组变频性能实验采用机组部分负荷性能参数IPLV，根据AHRI(美国空调、供热及制冷工业协会)标准评价工况(制冷)和客户制冷工况进行测试。

在下述工况条件下：

满负荷名义冷量:897Ton

蒸发器出水温度:7 ℃

冷凝器进水温度: 25 ℃(100%)

21.7 ℃(75%)

18.3 ℃(50%)

18.3 ℃(25%)

蒸发器水流量:2382 gpm

冷凝器水流量:2784 gpm

实验结果如图1和表1所示，可知IPLV有39.4%的提升。

表1 AHRI制冷工况(冷凝器进水带relief)机组性能提升表

负 荷%100%75%50%25%IPLV加权因数%1%42%45%12%冷量偏差%-2.4%-2.7%2.9%3.1%电机频率Hz47.740.338.739.5导叶开度Deg90.090.040.523.4变频器耗功Kw12.58.36.25.4变频器耗功比例%2.3%2.8%3.6%4.7%COP (带变频)5.747.919.497.108.50COP (不带变频)5.866.376.274.566.10性能提升%-2.0%24.3%51.5%55.6%39.4%

在下述工况条件下：

满负荷名义冷量:900 Ton

蒸发器出水温度:6.7 ℃

冷凝器进水温度:29.4 ℃

蒸发器水流量:2160 gpm

冷凝器水流量:2700 gpm

实验结果如图2和表2所示，可知IPLV有19.9%的提升。

图2 AHRI制冷工况(冷凝器进水不带relief)机组性能变化

表2 AHRI制冷工况(冷凝器进水不带relief)机组性能提升表

负 荷100%75%50%25%IPLV加权因数1%42%45%12%冷量偏差-2.4%-2.4%1.9%0.5%电机频率Hz47.742.841.241.8导叶开度Deg90.0090.0071.1031.50变频器耗功Kw16.39.67.75.9变频器耗功比例%3.0%2.7%3.1%3.7%COP (带变频)5.746.476.414.966.25COP (不带变频)5.865.785.073.775.22性能提升-2.0%12.0%26.5%31.6%19.9%

2.2 三级离心机组变频控制实验

(1)数字量控制点测试

启动输出信号动作正常

启动反馈信号动作正常

启动完成控制信号动作正常

(2)离心机变频基本控制策略

PID unload control

当冷冻水出温低于设定的“冷冻出温下限”并且机组的压比低于“电机运行频率对应的临界压比-压比下差”时主电机频率将逐渐减小，此时若导叶开度未达100%仍继续打开。

在冷负荷很小时当主电机频率减小到机组的压比高于“电机运行频率对应的临界压比”或主电机频率等于“频率下限”时若冷冻水出温仍低于设定的“冷冻出温下限”， 则主电机频率不再减小，此时导叶将逐渐关小进一步减小制冷量最终使冷冻水出温高于“冷冻出温下限”。

PID load control

当冻水出温回升至大于“冷冻出温上限”,导叶将逐渐开大。直至全开。

当冻水出温回升至大于“冷冻出温上限”且导叶全开时或机组的压比高于“电机运行频率对应的临界压比”则主电机频率将逐渐增加。

(3)离心变频自动控制测试

如图3-4所示，可知结果符合自动控制策略。

图3 PID control unload 75%-50%离心变频自动控制测试

图4 PID control load 25%-65%离心变频自动控制测试

(4)谐波测试

输入谐波：

采用输入端增加电抗器的方式进行输入端谐波抑制

100%LoadTHDu=10.4% THDi=27.1%

75% LoadTHDu=3.5% THDi=49.2%

50% LoadTHDu=7.8% THDi=31.6%

25% LoadTHDu=2.7% THDi=67.3%

如图5所示，可知增加输入电抗器对谐波有抑制作用。

图5 THDi&THDu变化情况

3 结束语

研究开发的三级压缩离心热泵机组变频技术，机组性能、控制、谐波效果良好，大大降低了热泵机组的能耗。离心变频自动控制测试结果符合自动控制策略，增加输入电抗器对谐波有抑制作用，使得机组拥有更加可靠完善的控制控制保护功能.在变频运行工况下，制冷工况(冷凝器进水带relief)机组性能IPLV有39.4%的提升；制冷工况(冷凝器进水不带relief)机组性能IPLV有19.9%的提升，总体上能够达到10%以上节能效果。