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变频离心式冷水机组节能技术

设备安装分公司  陈传勇

详情：随着我国能源紧张程度的不断加大，资源环境约束与经济快速增长的矛盾已经成为我过经济发展面临的严峻挑战，本文主要探讨了离心式制冷机组利用变频装置进行节能分析，达到节能目的。

关键词：变频（VSD）  冷水机组  节能  耗电量 导流叶片

1、前言

节能设计的理念应该深入到每个工程设计项目当中，对于能耗巨大的冷水机组系统，更有必要严格贯彻节能技术的理念。在分析节能控制设计思路的基础上，根据国内大能耗冷机项目的现状，通过改进冷机及其附件的启动及控制方式提出真正的节能控制策略，近些年变频式离心式冷水机组在项目上的应用也越来越普遍，冷水机组的节能控制成为空调系统节能的一个亮点。

2、离心式冷水机组变频设计功能分析

冷水机组能耗占整个空调系统中能耗的60%-70%，由于冷水机组属于高能耗设备，功率较大，冷水机组的选型和运行方案的优劣直接影响建筑物的能耗指标，目前比较好的节能做法是采用加装变频装置。

采用变频装置有以下优点：

1、 节约能耗

离心式机组99%的时间运行在非额定工况下，采用变频装置的离心机组每年可节省15~25%的能源。

2、 避开喘振点，提高机组的可靠性

冷水机组在低负荷状态运行时，依靠变频装置自带的自适应控制可同时调节导流叶片开度和电机转速，调节机组的运行状态，可控制离心机组迅速避开喘振点，避免喘振对机组的伤害，确保机组的运行安全。

3、 宁静运转

由于冷水机组大部分时间运行在部分工况下，低转速运行，降低了电机噪音，且降低冷媒的排气速度，气流噪音降低。电机转速降低，使得电机和压缩机的运转部件磨损减少，运行寿命延长。

4、 低电流启动

传统的启动方式一般是采用星-三角启动方式，星三角启动方式有两个问题：第一、星三角切换过程中对电机有冲击；第二、冷水机组的启动电流较大，大约为满载电流的2~3倍，大电流对电网的冲击较大。使用变频驱动装置启动，首先可去除切换的过程，其次可以大大降低启动电流，使之从1HZ开始，逐渐增加，虽电机的启动扭矩很大，但启动电流很小，不超过机组满负荷电流。从而减少对电网的冲击，这不仅省掉了启动柜的费用，还减少了启动装置中对机组的冲击和摩擦，延长了驱动装置的寿命。见下图1

图1、机组启动电流对比表

根据美国空调和制冷学协会（ARI）出版的Standard550/590-近代中规定，一般空调系统只有约1%的时间是运行在满负荷设计工况，满负荷运转时恒速机组会比变频式机组节能，因变频驱动装置占机组总价的24%左右且在实际运行中，变频装置会有大约3%-4%的功率损失。而另外99%的时间都是运行在部分负荷工况。故评价空调产品的节能效果，测量部分工况时全年耗电量是最直接、最有效的方法。

3、变频离心式冷水机组节能的原理

1、导流片控制

冷水机组压缩机所做的功用于克服进排气口的压差，把一定制冷的制冷剂从蒸发器输出到冷凝器，如图2压缩机做功示意图所示，其做功量可示意为进排气口的压差与输送的制冷剂质量相乘的矩形面积。进排气口的压差与冷却水、冷水之间的温差关系，输送的制冷剂质量与压缩机制冷量相关。

图2压缩机做功示意图

离心式冷水机组压缩机主要通过改变近期导流叶片的角度调节冷量，当机组负荷从100%向90%卸载时，没有设置导流叶片的压缩机在50%负荷处会达到喘振点。增加倒流叶片的压缩机可卸载到20-30%，大大扩展了冷机的工作范围。

2、转速控制

对于一般的民用空调项目，由于室内空调负荷受室外气温的影响较大，室外温度高，空调负荷大；室内温度低，空调负荷小。由于空调系统99%的时间都是运行在部分负荷的工况。当机组运行在部分负荷时，由于室外温度降低，机组的冷却水温也会相应降低，再加上空调负荷下降，因此机组冷凝器与蒸发器压力之间的压力差会有很大下降，离心压缩机是由电机通过增速齿轮带动叶轮高速旋转，由此产生的离心力压缩制冷气体使动能转化为压能。则电机的输入功率满足以下关系式：P=KΔPtfVf /ηt  其中：P——电机功率     K——常数     ΔPtf——气态制冷剂的全压     Vf——气态制冷剂的体积流量     Ηt——电机效率根据流体力学原理，上式中ΔPtf与转速的平方成正比， Vf与转速成正比，所以电机功率与转速的三次方成正比，当转速降低时，功耗将急剧下降，不但使机组稳定运行于部分负荷，更能大大降低功耗。

因此，在满足生产负荷工况下，变频冷水机组在部分负荷运行下降低电机运行速度，则会大大降低电机轴功率输出及保持较高效率运行。同时离心压缩机也无需消耗无谓的能量来过度加速制冷剂气体，从而降低了能耗。

根据以上论述变频离心式冷水机组将导流叶片的调节与变频控制有机的结合起来，共同控制压缩机，控制策略为：一般在70&-100%负荷范围内，机组保持导流叶片全开，通过变频控制装置降低压缩机的电动机转速来使机组卸载，当负荷低于70%时，导流叶片开始关闭，当负荷低于50%时，为了避免出现喘振，适当的增加压缩机的转速，这样可以大大增加机组的运行范围，同时也能达到较好的节能效果。

4、加装变频驱动装置冷机与恒速冷机对比

从变频驱动装置应用于离心式冷水机组节能的原理可知，变频驱动装置节能的关键是利用低于额定工况下的冷却水进水温度，而冷水机组每年只有不到1%的时间在满负荷工况下运行，也就是说超过99%的时间都是在非额定工况下运行，这也就给变频驱动装置提供了节能的客观条件。其节能可分为两种情况：部分负荷工况下的节能与地冷却水温下的节能。

4.1部分工况下的节能

冷水机组99%以上时间都是运行在部分负荷工况下，通常在部分负荷工况下，恒速离心机通过调节倒流叶片开度来调节机组输出冷量，最高效率点通常在70%-80%负荷左右，当负荷降低，单位冷量能耗增加较显著。而变频驱动装置不断监测下列数据：冷冻水温度，冷却水温度设定值，冷媒压力、导流叶片开度和电机的转速。然后通过冷机逻辑控制程序，降低压缩机转速并较小倒流叶片开度，使机组运行转速最低而效率最高，从而达到能耗最小。

以约克600冷吨的离心机组为例，在冷却水温度为25℃时，恒速离心式冷水机组和变频驱动装置的离心式冷水机组的运行参数如表1所示，曲线图如图3、图4。

图3、25℃定冷却水工况下每冷吨功耗对比

图4、 25℃定冷却水工况下输入功率对比

从上图表中可以看出，在100%负荷下，变频离心式冷水机组反而比恒速机组能效比低，这主要是变频驱动装置本身会有大约3%-4%的能耗；但是在其余部分负荷下，变频式离心式冷水机组的单位制冷量的能耗要比恒速离心式冷水机组低很多，而且冷水机组99%左右的时间都是运行在部分负荷下，因此使用变频离心式冷水机组会节省大量的能源。