空调冷冻水泵的节能改造

【摘 要】本文论述如何利用PLC和变频调速技术对空调的冷冻水泵进行节能改造.改造后,系统构成了一个温差闭环自动控制系统,以达到自动调节空调冷冻水泵电机转速,改变了输出流量,实现降低能耗,取得了良好的经济效果.

【关 键 词】空调PLC变频器水泵节能改造

前言

在带领学生到某空调使用单位实习期间,本人参与了该单位空调冷冻水泵的节能改造,利用PLC和变频调速技术,使空调冷冻水系统构成一个温差闭环控制系统,根据冷冻水的进水、出水温度进行比较,得出偏差值,经过变频器内部PID运算,自动调节变频器输出频率,改变水泵电机转速,从而提高了水泵的工作效率.

1节能改造的必要性

空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、末端风机盘管及循环水系统（包括冷却水系统和冷冻水系统）、新风机等组成.该单位的冷冻水泵为4台,其中3台电动机的额定功率为55KW,另1台电动机的额定功率为35KW,电动机起动方式为Y/△起动；冷却水泵为4台,其中3台电动机的额定功率为45KW,另1台电动机的额定功率为30KW,电动机起动方式为Y/△起动.

该单位的空调水系统为定流量系统,水系统的能耗一般约占空调系统总能耗量的15%～20%.水泵的水流量系统都是按工况进行设计,因此冷冻机组和水泵容量往往设计过大.如果系统中的水泵电机能够根据进水、出水的温度进行比较,得出偏差值,通过变频器改变输出频率,来自动调节水泵电机的转速,这将成为一种有效的节能措施.所以,要降低空调系统的运行能耗,对现有空调水系统进行节能改造是十分有必要的（见图1）.

2变频调速控制的节能原理

2.1变水量系统的基本原理

变水量系统运行的基本原理可用热力学第一定律表述为：q等于QC△t.热力学第一定律表明,在冷水系统中,可以跟据冷负荷的大小调整冷水流量或冷水系统进、出水温差.如果保持冷水进、出水温差△t不变,改变冷水流量Q,则形成变水量系统.如果使流量与负荷真正满足热力学第一定律：q等于QC△t则必须使用变速水泵.

2.2变频调速控制方法

三相交流异步电动机的转速公式为：n等于（1-S）60f/P.在电动机调速方法中,变频调速的效果是最为理想.通过改变电动机电源频率来调速称为变频调速.在转差率S变化不大的情况下,电动机的转速n与电源频率f大致成正比,若均匀地改变电源频率f,则能平滑地电动机的转速n.

3节能改造的设计方案

3.1主要硬件

节能改造的硬件主要有PLC、变频器、触摸屏、温度输入模块、输出模块.其中PLC选用三菱公司的FX2N-64MR型,变频器选用三菱公司FR-F740系列,触摸屏选用三菱公司F900系列,温度输入模块选用FX2N-4AD-PT,输出模块选用FX2N-2DA.

3.2主电路的设计

该单位有4台冷冻水泵,现全部改为变频控制.由于变频器在运行过程中,电子原器件会产生一定的热量,如果变频器的温度过高,将会导致变频器出现故障或损坏等意外事故,减少变频器使用寿命（见图2-4）.

3.3控制流程设计

启动时,首先是选择手动或自动.在手动控制过程中,直接上升/降低输出频率,每按一次,输出频率上升/下降0.5Hz,从而改变水泵电机转速.在自动控制过程中,水泵电机先以工频电源（50Hz）预处理运行1分钟后,进入自动调节状态,读取冷冻进水、出水温度进行比较,而得出偏差值,调节变频器输出频率,从而改变水泵电机转速.

3.4节能改造控制系统的设计

（1）冷冻水系统的控制方案采用定温差控制方法,因为冷冻水系统的温差控制适宜用于一次泵定流量系统的改造,施工较容易,将冷冻水的进水、出水的温差控制在4.5℃左右.

（2）正常情况下,系统运行在变频节能状态,其上限运行频率为50HZ,下限运行频率为30HZ；在变频节能状态下可以自动调节频率；也可以手动调节频率,每次的调节量为0.5HZ.

（3）控制要求：以50HZ频率起动冷冻水泵,60s后转入温差自动控制,变频器加速时间为15s,减速时间为7s.冷冻水泵在频率为20～25HZ运行时,会出现严重的震荡现象,因此要求变频器避免在此段运行.能手动和自动切换,手动时要求用触摸屏调节变频器的运行频率,并且在30～50HZ内任意调节,每次调节量为0.5HZ.为了直观方便地使用,需要给予人机界面,故采用触摸屏、PLC、变频器的控制系统,能用触摸屏画面进行控制和操作（见图5）.

冷冻水泵进水与出水温度差和变频器输出频率及D/A转换数字量对应关系（如表1）.

（4）参数设置与调试：

①I/O接口分配,其接口分配（如表2）.

②变频器参数设置：

上限频率Pr.1等于50Hz下限频率Pr.2等于30Hz

加速时间Pr.7等于15s减速时间Pr.8等于7s

电子过电流保护Pr.9等于电动机的额定电流

Pr.31等于20Pr.32等于25（变频器20～25HZ频率为跳变设置）

Pr.73等于0（端子输入电压0～10V）

Pr.79等于2（操作模式为外部运行）

③PLC、变频器及模块等设备综合接线（见图6）.

④编制程序；

控制程序主要由以下几部分组成：冷冻水泵进水、出水温度检测和温差计算程序、D/A转换程序、冷冻水泵自动温差控制程序、启动预处理程序、冷冻水泵手动运行控制程序.

a）冷冻水泵进、出水温度检测和温差计算程序：CH1通道为冷冻水进水温度（D1）,CH2通道为冷冻水出水温度（D2）,D10为冷冻水进、出水温差值.b）D/A转换程序：进行D/A数模转换的数字量存放在数据寄存器D100中,它通过FX2N—2DA模块将数字量变成模拟量,从而控制变频器的输出频率以达到调节冷冻水泵电机转速为目的.

c）冷冻水泵自动温差控制程序：当冷冻水的进、出水温差小于或等于1℃时,变频器输出频率为30HZ；当冷冻水的进、出水温差大于1℃,而小于或等于1.5℃时,变频器输出频率为32.5HZ；当冷冻水的进、出水温差大于1.5℃,而小于或等于2℃时,变频器输出频率为35HZ；当冷冻水的进、出水温差大于2℃,而小于或等于2.5℃时,变频器输出频率为37.5HZ；当冷冻水的进、出水温差大于2.5℃,而小于或等于3℃时,变频器输出频率为40HZ；当冷冻水的进、出水温差大于3℃,而小于或等于3.5℃时,变频器输出频率为42.5HZ；当冷冻水的进、出水温差大于3.5℃,而小于或等于4℃时,变频器输出频率为45HZ；当冷冻水的进、出水温差大于4℃,而小于或等于4.5℃时,变频器输出频率为47.5HZ；当冷冻水的进、出水温差大于4.5℃时,变频器输出频率为50HZ；

d）启动预处理程序：启动时,变频器是以50HZ频率起动冷冻水泵,60s后转入温差自动控制.

e）冷冻水泵手动运行控制程序：X3为冷冻水泵电机手动加速上升,每按一次频率上升0.5HZ；X4为冷冻水泵手动减速下降,每按一次频率下降0.5HZ.冷冻水泵的手动和自动调节的频率,上限频率都为50HZ,下限都为30HZ.

4空调冷冻水系统改造后的节能效果

通过变频调速控制系统来实现冷冻水泵电机的软启动、软停止,消除了启动时大电流对电网的冲击,清除了水锤现象,清除了水锤对管道逆止阀、压力表、轴承的损坏,使机械零件的使用寿命得到延长,减少维修的工作量和零件费用.电动机的噪音、温升和震动都大大减少,电气设备故障率也比原来降低,使用寿命得到延长.具有过流、过电压、短路、缺相等多种保护功能,增强了电动机的保护.由于采用了温差闭环变频调速,提高了空调的工作效率,自动化程度大大提高,减少了人为因数的影响,大大优化了系统运行环境、运行质量.减少启动和停机的次数,运行平稳.经过节能改造并投入使用后,冷冻水系统的节电率大约为22﹪,经济效益得到较大的改观,为该单位节省了财力和物力.通过电度表的纪录：2010年冷冻水泵的用电量为396890KWh,而改造后的2011年冷冻水泵的用电量为308660KWh,节电为88230KWh.节电率等于88230KWh÷396890KWh×100%等于22.23%.

5结语

通过应用自动控制技术对冷冻水泵进行节能改造,体现了变频技术能有效提高了水泵的工作效率,在保证室内空气调节、降低设备维修费用、节省用电量的同时,对节能减排、保护自然环境方面也起到十分重要的作用.