技術方案概述
1 系統描述
1.1冷水機組系統概述
冷水機組在空調系統里使用十分廣泛。通常有蒸氣壓縮式冷水機組和吸收式冷水機組兩類。蒸氣壓縮式冷水機組由壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流機構及其他輔助設備和管道等組成。按照壓縮機種類的不同,分為容積式壓縮機冷水機組和速度式壓縮機冷水機組兩類。容積式壓縮機冷水機組包括往複活塞式、滾動活塞式、渦旋式和螺桿式壓縮機等冷水機組,速度式壓縮機冷水組目前只有離心式壓縮機冷水機組一種。
1.2變頻技術在冷水機組中的應用
變頻技術在容積式壓縮機冷水機組中應用較多,因為容積式壓縮機的製冷量與轉速成正比,變頻技術比較容易實現。目前用得較多的是滾動活塞式和渦旋式壓縮機冷水機組。
1.3變頻技術在離心式冷水機組中的應用
離心式壓縮機壓縮製冷劑氣體的方式和容積式不同,它是通過高速旋轉的葉輪對製冷劑氣體作功,氣體獲得能量后,壓力和流速提高,然後,在擴壓器內將流速降低,壓力繼續提高,並從蝸殼排出,進入冷凝器。轉速的改變不僅引起流量的改變,而且還會引起壓力的改變,此外,當轉速減小使流量減小后,氣流在葉輪和擴壓器流道里會造成衝擊、旋渦和脫離,並且可能會產生喘振,這是離心式冷水機組使用變頻技術的難點。通常,空氣調節系統的冷負荷隨季節氣候和室
內居留人員數量而變化,空調用冷水機組的製冷量需要和它相匹配,也要相應的變化。在一年的運轉時間內,滿負荷製冷量的運轉時間並不長,大部分是在部分負荷下運轉。因此,部分負荷下的高效、節能對降低全年能耗具有十分重要的意義,這就是離心式壓縮機冷水機組發展變頻的動力。
1.4離心式冷水機組配套設計及實際運行狀況分析
離心式冷水機組的總負荷設計一般是按照夏季生產線最大負荷工況並預留一定裕量作為依據設計的，另設計者還要根據生產線運行負荷變化情況及運行工況等級特殊要求考慮配置的。如在全年連續運行的生產線需配置一開一備或多開一備等多種運行模式設計。
在實際的生產應用過程中，離心冷水機組的運行負荷處於較大動態變化。如每天早晚，每季交替，每年輪迴，環境氣溫變化等因素對機組的運行負荷影響很大。據統計機組在全年處於最大負荷運行時間只有短短几十天，其餘大部分時間都是處於50%-80%冷負荷運行，在冬天甚至處於更低負荷運行。這樣，就會造成實際所需冷負荷與最大功率輸出之間的矛盾，從而降低了設備的運行效率，造成巨大能源浪費，給企業造成巨額電費支出，增加經營成本，降低企業競爭力。
在使用沒有具備負載隨負荷變化調速特性的離心式冷水機組控制系統中，無論季節、晝夜氣溫和用戶負荷的怎樣變化，電機都長期固定在工頻狀態下全速運行，儘管系統採用了扇門檔板節流方式，但這種調節方式僅是改變流通的阻力，其大部分時間運行效率較低，造成大量的能量浪費，如能?取有效措施，提高設備的運行效率，減少這部分電能損耗，則會收到很大的節能效果。
1.5離心冷水機組變頻拖動的節能原理與分析
變頻器是一種高效節能調速裝置，應用廣泛，在不同的應用場合可以體現不同的功能，以達到不同的目的，同時還可以提高設備的精確控制能力，並節約電能，延長設備使用壽命，降低生產成本。變頻器除了在節能上的優勢外，它的啟動性能也十分優異，在電機啟動過程中，用變頻器實現軟啟動，可以克服工頻起動時引起電流過大造成的機械衝擊，並減少了對電網及電機本身的衝擊，對設備的保護及電網的穩定運行都起到很大的作用。
離心式冷水機組?用變頻器拖動，主要從兩個方面實現節能：一是部分負荷運行狀態下的節能，二是低冷卻水溫度下的節能。
①部分負荷狀態下運行的節能：
眾所周知，冷水機組90%以上的時間運行在部分負荷工況。通常，在部分負荷下，恆速離心機通過調節導流葉片開度來調節機組輸出冷量，最高效率點通常在75%~90%負荷左右，負荷降低，單位冷量能耗增加較顯著，使用變頻器后將優化電機轉速和GVA(導葉)的開度，使機組運行轉速最小而效率最高，能耗達到最小。
②低冷卻水溫度狀態下運行的節能：
機組在夜間、過渡季節甚至是冬天運行時，冷卻水的溫度往往比較低。對於恆速機組，需要有恆定的工作條件，即需要有恆定的蒸發壓力和冷凝壓力。但冷卻水溫度降低后，必然使得冷凝壓力相應地降低，此時，為了滿足離心壓縮機的工作條件，只有通過關小進口導葉，減小輸氣量，從而調整離心壓縮機的工作點，以適應更低的冷凝壓力。但以上調節卻降低了機組的效率，無端地消耗了更多的能量。而使用變頻器后，則可以通過調整壓縮機的轉速，以適應冷凝溫度的變化，最大限度地利用低冷卻水溫的節能效應，達到節能的目的。機組在低冷卻水溫下，使用變頻器有非常明顯的節能效果，且冷卻溫度越低，節能效果越顯著，當負荷變低時，這個效果還更加明顯。對於在過渡季節甚至冬季投入使用的機組來說，安裝變頻器的節能效果是非常明顯的。
1.6變頻器應用於離心冷水機組負載特性分析
恆速離心式冷水機組在滿負荷工況時，其cop值一般為5左右，而在部分負荷時，機組效率將顯著降低。我國在《公共建築節能設計標準》中引入了IPLV的概念。IPLV的計算公式如下：
IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D [2]
其中：A——100%負荷時的性能係數（W/W），冷卻水進水溫度30℃；
B——75%負荷時的性能係數（W/W） ，冷卻水進水溫度26℃；
C——50%負荷時的性能係數（W/W） ，冷卻水進水溫度23℃；
D——25%負荷時的性能係數（W/W） ，冷卻水進水溫度19℃；
從上式可以看出，空調系統全年有97.7%的時間是在部分負荷下運行的，在此工況下恆速機組效率較差。這是因為恆速離心式冷水機組在部分負荷狀態下時，是通過導流葉片（GVA）調節、進口節流調節等方式來實現製冷量調節的。進口節流調節經濟效益較差；而導流葉片略微關閉時，改變了氣流進入葉片的方向，從而使壓縮機的效率略有提高，導流葉片調節在一定範圍內調節時還是比較合理，但當導葉開度小於30%時，節流作用明顯增加，效率大為下降，浪費了能源。
離心壓縮機是由電機通過增速齒輪帶動葉輪高速旋轉，由此產生的離心力壓縮製冷氣體使動能轉化為壓能。則電機的輸入功率滿足以下關係式：
P=KΔPtfVf /ηt
其中：P——電機功率
K——常數
ΔPtf——氣態製冷劑的全壓
Vf——氣態製冷劑的體積流量
Ηt——電機效率
根據流體力學原理，上式中ΔPtf與轉速的平方成正比，Vf與轉速成正比，所以電機功率與轉速的三次方成正比，所以減小轉速意味著減小功率，即提高效率，降低功耗。
因此，在滿足生產負荷工況下，變頻冷水機組在部分負荷運行下降低電機運行速度，則會大大降低電機軸功率輸出及保持較高效率運行。同時離心壓縮機也無需消耗無謂的能量來過度加速製冷劑氣體，從而降低了能耗。
當然，離心式冷水機組並非採用變頻拖動后在所有的負荷狀態下都節能。機組在高負荷區運行時，根據美國空調製冷學會ARI工況運行的效能比對照數據證明，單級壓縮的離心式冷水機組由於採用增速齒輪壓縮機結構，機組在100%負荷向90%負荷卸載時，不能提高機組效率，加上變頻控制會有3%-4%的功率損失，因此機組在高負荷區運行時，變頻離心機式冷水機組運行效率較差，但由於佔全年的總運行時間很少，因此並不影響全年的節能效果。
1.7矩形科技N80在離心式冷水機組中的應用
1.7.1、冷水機組工作流程
1.7.2冷水機組控制要求
冷水機組運行參數檢測
吸氣溫度檢測
檢測範圍-50~50℃
排氣溫度檢測
檢測範圍0~100℃
油溫感測檢測
檢測範圍0~100℃
能量位置檢測
檢測範圍40~100%
內壓比大小檢測
檢測範圍3.5~7.5
吸氣壓力檢測
檢測範圍0~1.6MPa
排氣壓力檢測
檢測範圍0~2.5MPa
油濾前油壓檢測
檢測範圍0~2.5MPa
油濾后油壓檢測
檢測範圍0~2.5MPa
冷水機組運行參數控制
油泵起停控制
壓縮機起停控制
能量增減控制
內壓比大小控制
經濟器電磁閥控制
1.7.3冷水機組控制系統的組成
冷水機組的電控部分由微機控制箱、低壓電控櫃、高壓起動櫃、壓力溫度感測元件及各種控制電磁閥組成。微機控制箱內的控制器選用矩形科技公司生產的N80-M39MAD-AC系列可編程序控制器。實現對單台螺桿冷水機組全工作過程的自動控制、故障檢測及故障的預處理和保護性停機。單機顯示部分也選用矩形科技公司生產的SA-10.4觸摸屏，完成單機各種運行參數的顯示、機組調節參數及保護參數的設定、機組故障報警的中文信息提示。變頻器選用易能公司生產的EDS2000系列變頻器。對冷水機組進行有效控制，根據自然曲線來設計全變頻冷水機組的運行，協調正在運行的冷水機，使其達到相同負荷。目的是設定冷水機的運行方案，使冷水機運行時儘可能地接近它們的自然曲線；同時，確定冷卻塔的運行方案，優化冷卻水泵和冷卻塔風機的轉速，使得冷水機組的性能最佳，同時完成機組控制盤面的部分操作。觸摸屏上清晰明了的菜單，免說明書的操作模式會給使用者帶來方便。感測部分選用美國西特公司生產的C209壓力變送器和德國JUMO的溫度感測器。使整機性能進一步穩定，可靠性進一步提高。
1、手動控制模式：
整個控制系統由高壓起動櫃，低壓控制櫃，機組上的儀錶器箱等電器設備組成。實現螺桿壓縮機組手動控制要求。同時當機組在運行過程中出現吸氣壓力過低，排氣壓力過高，油壓差過低，油溫過高，油泵電機過載，壓縮機電機過載等故障時，能自動停止機組運行，併發出聲光報警，指示故障部位。
2、自動控制模式：
通過觸摸屏可以在儀錶控制室監控壓縮機組的運行參數，能跟據實際工況自動調節能量範圍（40~100%）。機組發生故障自動保護並報警停機，顯示故障狀態，同時可以在現場操作壓縮機組的運行。使操作更為方便靈活。
3、模擬量的配置
（1）壓力變送器：選用美國Setra公司C209型壓力變送器四支，輸出4~20mA電流信號； 供電電壓24VDC。
吸氣壓力變送器測量範圍0~1.6MPa;
排氣壓力變送器測量範圍0~2.5MPa;
油濾前油壓變送器 測量範圍0~2.5MPa;
油濾后油壓變送器 測量範圍0~2.5MPa。
（2）溫度感測器：選用德國JUMO公司PT100熱電阻三支。
吸氣溫度感測器測量範圍-50~50℃;
排氣溫度感測器測量範圍0~100℃;
油溫感測器測量範圍0~100℃。
（3）能量位置：選用WDD32Z—3能量位置電位器，測量範圍40~100%
1.7.4冷水機組控制系統電氣圖
1.7.5冷水機組變頻控制主迴路圖
1.7.6冷水機組變頻控制界面
