1 引言
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電力供應(yīng)日趨緊缺，節(jié)能已成為各行業(yè)的重要議題。高層樓宇的中央空調(diào)就是耗電大戶，有資料表明，空調(diào)系統(tǒng)的常年能耗約占建筑物動(dòng)力總能耗的40％～60％[1]，因此，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力很大。
樓宇中央空調(diào)由電機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔及管網(wǎng)和末端風(fēng)機(jī)盤管構(gòu)成，其中，主機(jī)為間歇工作方式，冷卻泵和冷凍泵為連續(xù)工作方式，恒速運(yùn)行，且水泵電機(jī)的容量是根據(jù)夏季最大熱負(fù)荷來選定，若考慮到季節(jié)變更、晝夜氣溫差異及樓內(nèi)人員數(shù)對熱負(fù)荷量的影響，則大部分時(shí)間，水泵電機(jī)都處于輕載運(yùn)行。曾有統(tǒng)計(jì)說明，水泵和風(fēng)機(jī)的能耗占空調(diào)系統(tǒng)總量的30％～40％[1]。因此，如能將空調(diào)系統(tǒng)的水泵進(jìn)行變頻調(diào)速控制，其節(jié)能效益將是顯著的。

2 工程概況及技術(shù)要求
一辦公大廈由1#、2#兩棟樓組成，其中1#樓高35層，2#樓高29層。1#樓空調(diào)系統(tǒng)配備3套進(jìn)口離心式冷水機(jī)組，主機(jī)功率530kw，冷凍泵、冷卻泵各由90kw電機(jī)拖動(dòng)，冷卻塔為11kw;2#樓配備4套機(jī)組，主機(jī)為396kw，冷凍泵、冷卻泵的拖動(dòng)電機(jī)為75kw，冷卻塔為7.5kw。其中主機(jī)具有自動(dòng)加載和卸載能力，冷凍泵和冷卻泵電機(jī)均采用y/△啟動(dòng)方式，全年恒速運(yùn)行，所需電源均由大樓的配電房供給，各由開關(guān)柜分流至每套機(jī)組的控制柜，采用繼電接觸控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)和手動(dòng)操作，其起動(dòng)順序?yàn)?
冷卻塔→冷卻泵→冷凍泵→主機(jī)。冷凍水回水溫度為12℃，冷卻水回水溫度夏季為30℃，冬季14℃。
該項(xiàng)目作為改造工程，是在原有控制線路的基礎(chǔ)上對冷凍泵和冷卻泵電機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速控制。根據(jù)用戶要求，1#、2#樓各設(shè)一臺(tái)變頻柜，配二臺(tái)變頻器，分別對冷凍泵和冷卻泵電機(jī)變頻控制，保留由市電供電，y/△啟動(dòng)的常規(guī)控制方式，變頻柜與原有的電柜之間具有電氣連鎖作用，并具有自動(dòng)與手動(dòng)裝換功能，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)切換到市電進(jìn)行工頻運(yùn)行。同樣，當(dāng)在變頻方式運(yùn)行而某一臺(tái)水泵發(fā)生故障(如電機(jī)過載)時(shí)，能自動(dòng)切換到另一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行。以半個(gè)月為運(yùn)行周期，同一臺(tái)變頻器的各臺(tái)水泵能定時(shí)自動(dòng)切換運(yùn)行于變頻狀態(tài)。當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)起、停另一臺(tái)處于工頻運(yùn)行的水泵。為滿足正常的室溫控制，要求冷卻水系統(tǒng)采用冷凝器進(jìn)水溫度，冷凍水系統(tǒng)采用進(jìn)、出水壓力差作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)測量信號。

3 變頻節(jié)能改造方案
附圖所示為該辦公大樓中央空調(diào)水泵變頻控制節(jié)能改造方案原理圖。根據(jù)上述要求，本方案在保持1#、2#樓各機(jī)組電柜獨(dú)立供電的基礎(chǔ)上，增設(shè)變頻控制柜用于對水泵進(jìn)行變頻調(diào)速控制，具體措施如下:
基于原冷卻水泵和冷凍水泵各有電機(jī)功率90kw和75kw兩種，使用兩個(gè)水泵變頻控制系統(tǒng)，一個(gè)是90kw水泵變頻控制系統(tǒng)(控制90kw水泵，下簡稱為90kw系統(tǒng))，另一個(gè)是75kw水泵變頻控制系統(tǒng)(控制75kw水泵，下簡稱為75kw系統(tǒng))。由附圖可見，兩個(gè)水泵變頻控制系統(tǒng)均由變頻控制電柜、傳感器、變送器、水泵及柜外連接線閉環(huán)組成，每個(gè)系統(tǒng)各設(shè)兩個(gè)變頻器，一個(gè)變頻器控制冷卻水泵，另一個(gè)變頻器控制冷凍水泵。對冷卻水系統(tǒng)采用溫度控制器測量冷凝器進(jìn)水溫度作為水泵變頻控制系統(tǒng)被調(diào)參數(shù)，對冷凍水系統(tǒng)采用壓力變送器測量系統(tǒng)進(jìn)、出水壓力差作為被調(diào)參數(shù)。由于系統(tǒng)動(dòng)作多，控制復(fù)雜，90kw系統(tǒng)和75kw系統(tǒng)各選用了1臺(tái)plc對水泵電機(jī)、變頻器、傳感器、變送器與電柜之間的電氣連接與控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。

附圖 中央空調(diào)水泵變頻控制電氣圖

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系統(tǒng)各主要單元簡介如下:
(1) 變頻器
由于控制對象為冷卻水泵和冷凍水泵，故本方案選用適合風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載使用的三菱新一代fr－700型變頻器。此種變頻器內(nèi)置噪聲濾波器，帶有浪涌電流吸收回路，還具有最先進(jìn)的壽命診斷及預(yù)警功能，安全系數(shù)大，并有手動(dòng)和自動(dòng)兩種功能，手動(dòng)信號由變頻電柜面板上的電位器產(chǎn)生，自動(dòng)信號則由溫度控制器或智能壓力變送器的輸出4～20ma電流構(gòu)成。電機(jī)運(yùn)行時(shí)的上下限頻率和瞬時(shí)停電再啟動(dòng)運(yùn)行功能均可在控制面板上直接設(shè)置實(shí)現(xiàn)。同時(shí)fr-700自帶有節(jié)能監(jiān)視功能，通過操作面板、輸出端子(0~10v，4~20ma)和人機(jī)通信即可讓節(jié)能效應(yīng)一目了然。
(2) 溫度控制器
冷卻水系統(tǒng)中冷凝器進(jìn)水溫度的檢測選用富士pxr9型溫控器。該溫控器具自我檢測功能和記憶體保護(hù)，停電后可維持各設(shè)定值，同時(shí)自帶報(bào)警功能和計(jì)時(shí)功能。使用時(shí)，可通過溫控器控制面板上的一點(diǎn)開關(guān)量on/off及上下方向鍵，改變各參數(shù)設(shè)定值。這里對冷卻水系統(tǒng)設(shè)置了超溫延時(shí)報(bào)警，因此，當(dāng)冷凝器進(jìn)水溫度高于警報(bào)功能中設(shè)定的溫度上限值時(shí)，計(jì)時(shí)功能啟動(dòng)，延遲一段時(shí)間后，如水溫仍偏高，溫控器發(fā)出報(bào)警信號，輸入plc，相應(yīng)保護(hù)環(huán)節(jié)動(dòng)作。
(3) 壓力變送器
冷凍水系統(tǒng)中系統(tǒng)進(jìn)、出水壓力差的測量采用honeywell公司的差壓型st3000智能變送器，該變送器精度達(dá)0.1級，并具有遙控設(shè)定、數(shù)據(jù)通信、自診斷等功能。安裝時(shí)將差壓測點(diǎn)設(shè)在冷凍水系統(tǒng)的供、回水干管之間，將智能現(xiàn)場通訊器(sfc)安裝在控制室內(nèi)，系統(tǒng)投入使用后，借助于sfc，在控制室內(nèi)就可對現(xiàn)場的變送器進(jìn)行重新標(biāo)定、校準(zhǔn)和組態(tài)，還可實(shí)施先進(jìn)遠(yuǎn)程診斷，大大方便了控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)管理。同樣冷凍水系統(tǒng)設(shè)置了低壓報(bào)警，因此，當(dāng)供回水壓力低于設(shè)定的下限值時(shí)，變送器即通過sfc發(fā)出報(bào)警信號輸入plc，相應(yīng)保護(hù)環(huán)節(jié)動(dòng)作。
(4) p l c
由于本系統(tǒng)輸入、輸出信號多，包括有機(jī)組選擇信號、水泵運(yùn)行方式選擇信號、變頻器、溫度控制器及壓力變送器的報(bào)警信號、接觸器控制信號等等，動(dòng)作多，控制復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)分區(qū)供氣集中管理，1#、2#大樓的空調(diào)各由一臺(tái)plc控制，其中1#樓選用一臺(tái)三菱的fx2n－64mr，2#樓則選用一臺(tái)fx2n－80mr來協(xié)調(diào)水泵、變頻器、傳感器、變送器與電柜之間的電氣連接與控制。plc程序均采用梯形圖語言編制，簡單易懂，同時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)作狀態(tài)可從plc的輸入、輸出信號指示燈來判別，非常直觀。
4 控制系統(tǒng)運(yùn)行
該工程完工后，兩個(gè)大樓的中央空調(diào)即由各自的變頻柜控制，變頻柜的面板上有機(jī)組選擇及各機(jī)組工作方式選擇開關(guān)，而機(jī)組的起動(dòng)、停止仍由原電柜的按鈕操作。面板上還裝有變頻器的顯示器、plc的顯示器、工作狀態(tài)指示燈、故障指示燈、指令開關(guān)和按鈕等。啟動(dòng)前，將變頻器的機(jī)組選擇開關(guān)置于欲工作的機(jī)組，工作方式選擇開關(guān)置于變頻位置，溫控方式開關(guān)置于自動(dòng)一檔，合閘后工作電源，溫度控制器、壓力變送器、plc及變頻器上電，如需更改參數(shù)，則可通過各儀器上的操作鍵來設(shè)置。之后，將plc的控制開關(guān)置于運(yùn)行位置，按下啟動(dòng)按鈕，電機(jī)得電起動(dòng)，隨后主機(jī)起動(dòng)，整機(jī)投入運(yùn)行。
當(dāng)熱負(fù)荷量增大，1臺(tái)水泵在變頻狀態(tài)運(yùn)行達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，由plc控制，將該臺(tái)水泵自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，并延時(shí)變頻啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。如第二臺(tái)水泵平穩(wěn)運(yùn)行后仍達(dá)到滿負(fù)荷，則plc再自動(dòng)將其切換到工頻運(yùn)行，延時(shí)變頻啟動(dòng)第三臺(tái)水泵。依此下去，直到滿足要求為止。而當(dāng)熱負(fù)荷量減小時(shí)，如變頻器頻率降到低于基本頻率，則自動(dòng)停止工頻運(yùn)行的一臺(tái)水泵，延時(shí)一段時(shí)間t后(t由plc軟件設(shè)定)，如變頻器頻率仍偏低，則再停止一臺(tái)工頻運(yùn)行的水泵，直到滿足要求為止。
當(dāng)在工頻狀態(tài)運(yùn)行而某一臺(tái)水泵發(fā)生故障(如電機(jī)過載等)時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)切換到另一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)聲、光報(bào)警顯示故障。當(dāng)發(fā)生缺相、變頻器過熱或其他故障時(shí)，變頻器保護(hù)環(huán)節(jié)動(dòng)作，自動(dòng)切換到原電柜進(jìn)行工頻啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)聲、光報(bào)警。若冷卻水超溫或冷凍水壓力偏低，則分別由溫度控制器和壓力變送器發(fā)出報(bào)警信號，提示有關(guān)人員處理。

5 系統(tǒng)節(jié)能效果
風(fēng)機(jī)和水泵都是傳送流體的裝置，這類負(fù)載消耗的能量與流量的立方成正比，根據(jù)能量消耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式:q=k1n;h=k2n2;p=q×h=k1n×k2n2=k3n3。式中,k1、k2、k3為常數(shù),n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。又三相交流異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=120×f×(1-s)/p，式中f為供電頻率，s為滑差率，p為電機(jī)極數(shù)。電機(jī)一旦選定后，s、p基本確定，則n可近似為n=k0f，即與供電頻率成線性正比關(guān)系。當(dāng)頻率為50hz時(shí)，n=k0×50r/min，功率p1=k3(k0×50)3=k×503;當(dāng)頻率為45hz時(shí)，n=k0×45r/min，功率p2=k3(k0×50)3=k×453。p2/p1=k×503×100%/k×453=72.9%，由此可見，當(dāng)電源頻率從50hz降為45hz時(shí)，就可節(jié)約電能達(dá)27.1%[2]。
該系統(tǒng)投入運(yùn)行幾個(gè)月來，一直工作正常，情況良好。實(shí)際運(yùn)行中頻率設(shè)定在45～32hz之間，冬季采用手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，運(yùn)行頻率曾下調(diào)至27hz，與常規(guī)控制的恒速運(yùn)轉(zhuǎn)相比，節(jié)能效果顯著。