基于PLC與變頻器的風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用探討

李 劍

LI Jian

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210048）

0 引言

電力能源工業(yè)作為國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及提高人們生活水平具有非常重要的意義。在全世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的環(huán)境下，加上國家環(huán)境保護(hù)壓力的不斷增加，中國電力能源工業(yè)面臨非常大的市場經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。由于受電能生產(chǎn)技術(shù)、資金、以及能源價(jià)格等多方面因素的共同影響，我國在電力能源資源的綜合利用效率方面較國外一些發(fā)達(dá)國家還有很大差距，大致只有發(fā)達(dá)國家能源利用效率的50%左右。電力工業(yè)能源資源的浪費(fèi)大多發(fā)生在電能生產(chǎn)、傳輸、分配調(diào)度等環(huán)節(jié)，因此，提高我國電力工業(yè)電能生產(chǎn)能源綜合利用效率已成為風(fēng)機(jī)節(jié)能控制工作人員研究的一個(gè)重要課題。據(jù)國際能源署相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，全球在1995～2010年15年間，每年平均發(fā)電新裝機(jī)容量已超過1億kW，每年新增加發(fā)電總量約為5000億度。我國在最近10年電力工業(yè)得到了快速發(fā)展，據(jù)國家能源局相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，我國2004年新增裝機(jī)容量為0.5億kW，新增加發(fā)電總量為2818億度電；2005年新增裝機(jī)容量為0.65億kW，相應(yīng)新增加發(fā)電總量達(dá)到3665億度電；到2007年全國新增裝機(jī)容量已經(jīng)高達(dá)1億kW。雖然我國發(fā)電裝機(jī)總量在不斷提高，但是電力工業(yè)建設(shè)還是跟不上社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐，很多地區(qū)依然出現(xiàn)較為嚴(yán)重的缺電問題，也就是說要解決我國目前電能短缺問題，一方面除了要加快電力工業(yè)建設(shè)步伐外；另一方面還應(yīng)在電力節(jié)能降耗方面下功夫。從大量文獻(xiàn)資料和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗約占整個(gè)樓宇建筑用電系統(tǒng)容量的80%左右，其中風(fēng)機(jī)、水泵等輔機(jī)設(shè)備的綜合能耗是樓宇建筑能耗的主要組成部分，這些設(shè)備系統(tǒng)長期處于“大馬拉小車”等低效工況區(qū)，造成巨大的電能資源浪費(fèi)，從而大大增加了單位電能生產(chǎn)成本[1]。因此，采用PLC與變頻器的節(jié)能控制技術(shù)對智能樓宇建筑風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降耗技術(shù)升級改造研究具有非常重要的工程實(shí)際意義。

1 離心式風(fēng)機(jī)工作特性曲線分析

智能樓宇建筑中風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是采用感應(yīng)式電動機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供拖動原動力，控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的主要任務(wù)就是根據(jù)空調(diào)通風(fēng)區(qū)域的需求傳輸和調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)流量，為空調(diào)房間營造一個(gè)舒適安逸的工作學(xué)習(xí)、起居休閑環(huán)境。普通籠型感應(yīng)式電動機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)因素，本身就不具備調(diào)速功能，為了給機(jī)組提供不同風(fēng)量，90%以上普通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均采用外設(shè)調(diào)節(jié)擋板或閘門，通過控制調(diào)節(jié)擋板或閘門的開度大小來實(shí)現(xiàn)風(fēng)流量調(diào)節(jié)，以滿足智能樓宇建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)工藝需求。因此，智能樓宇建筑風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足樓宇建筑內(nèi)部空調(diào)房間的最大風(fēng)流量需求，通常按照最大負(fù)荷進(jìn)行選擇。這樣當(dāng)系統(tǒng)需求風(fēng)流量減少時(shí)，就只能通過減小擋板或閘門開度增加系統(tǒng)中風(fēng)流阻力，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行輸送壓力，來實(shí)現(xiàn)對智能樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)節(jié)。在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)節(jié)過程中，由于靠機(jī)械調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)電動機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中其輸出運(yùn)行功率始終保持在滿負(fù)荷運(yùn)行工況中，沒有隨負(fù)荷減小而減少其輸出，從而造成輸出與輸入間長期處于不平衡運(yùn)行工況，造成大量電能浪費(fèi)。由于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行軸功率與其實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速間呈三次方正比關(guān)系，如果采用變頻調(diào)速控制方式取代常規(guī)擋板或閥門調(diào)節(jié)模式，由控制系統(tǒng)根據(jù)輔機(jī)系統(tǒng)風(fēng)量需求，動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣就可以在滿足發(fā)電機(jī)風(fēng)量需求的同時(shí)，消除系統(tǒng)其它附件結(jié)構(gòu)帶來的節(jié)流損失，同時(shí)還可以提高風(fēng)機(jī)電動機(jī)綜合運(yùn)行效率，使整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全穩(wěn)定、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的高效運(yùn)行。風(fēng)機(jī)電動機(jī)不同控制模式工作特性曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)電動機(jī)不同控制模式工作特性曲線

圖1中，曲線1-3為風(fēng)機(jī)電動機(jī)處于恒速運(yùn)行工況條件下的H-Q特性關(guān)系曲線，其中曲線2為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)門全開工況；曲線3為風(fēng)機(jī)電動機(jī)處于恒速運(yùn)行工況下的管阻特性曲線。從圖1可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的擋板或閘門處于全開位置時(shí)，此時(shí)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行在工況點(diǎn)A處，此時(shí)系統(tǒng)的送風(fēng)量Q可以認(rèn)為100%額定風(fēng)量，也就是說此時(shí)風(fēng)機(jī)電動機(jī)的軸功率與面積AH10Q2成正比關(guān)系；若在某種條件下，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需求風(fēng)量負(fù)荷由Q2減少到Q1（假定為50%額定風(fēng)量），此時(shí)由于風(fēng)機(jī)電動機(jī)始終處于恒速運(yùn)行工況，因此需要采用減小擋板或閘門開度將增到系統(tǒng)管道阻力，從而實(shí)現(xiàn)降低流量的目的，則此時(shí)系統(tǒng)管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線將由曲線2演變到曲線3，相應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)將由A點(diǎn)移動到B點(diǎn)處，風(fēng)機(jī)電動機(jī)軸功率與面積BH20Q1成正比。從上述分析可知，從工況點(diǎn)A點(diǎn)移動到B點(diǎn)處，整個(gè)風(fēng)機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)量需求減少為額定負(fù)荷的50%，而風(fēng)機(jī)電動機(jī)的軸功率卻沒有如何降低（面積BH20Q1與面積AH10Q2幾乎相等），也就是說采用擋板或閘門進(jìn)行風(fēng)流量節(jié)流調(diào)節(jié)，是依靠外加附件增加管網(wǎng)阻力的機(jī)械措施實(shí)現(xiàn)風(fēng)流量的靜態(tài)調(diào)節(jié)，這樣勢必會造成巨大的電能浪費(fèi)。從大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，高層樓宇建筑風(fēng)機(jī)系統(tǒng)普遍采用離心式風(fēng)機(jī)，大多依靠在進(jìn)氣口加設(shè)檔板或閘門來完成風(fēng)流量的調(diào)節(jié)，這種控制模式雖然存在結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方面等優(yōu)點(diǎn)，但是由于在運(yùn)行過程中，整個(gè)風(fēng)機(jī)電動機(jī)拖拽系統(tǒng)長期處于恒速運(yùn)行工況，不僅造成巨大的電能資源浪費(fèi)，而且風(fēng)機(jī)系統(tǒng)長期處于輸入與輸出間不平衡的低效運(yùn)行工況，必然會造成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生大量的熱量，巨大的熱量會降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的絕緣水平，降低系統(tǒng)綜合運(yùn)行水平。

2 智能樓宇建筑風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電效益分析

對于智能樓宇建筑風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)設(shè)備能耗而言，其中有很大一部分是由于風(fēng)機(jī)電能利用效率較低的調(diào)節(jié)工況所浪費(fèi)掉。對于以擋板和閘門進(jìn)行風(fēng)門風(fēng)量調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)而言，這是一個(gè)固有的不可避免的能源浪費(fèi)問題。對于這類風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)最好的節(jié)能途徑就是用以PLC和變頻器為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。由于基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)量需求形成相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)信號，直接作用在風(fēng)機(jī)電機(jī)上，形成輸入與輸出間平滑調(diào)節(jié)性能曲線，即在風(fēng)量負(fù)荷需求小時(shí)采取低轉(zhuǎn)速變頻調(diào)速運(yùn)行模式，降低風(fēng)機(jī)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過降低軸功率實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)能降耗高效經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)運(yùn)行[2]。從實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)流量、壓力以及風(fēng)機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)速對軸功率和節(jié)電率的影響效應(yīng)大概可以歸納如表1所示。

從表1可知，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)處于不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，其對風(fēng)機(jī)電動機(jī)的軸功率以及節(jié)電率的影響非常之大。風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)在低負(fù)荷工況調(diào)節(jié)下其節(jié)能潛力非常巨大，如從100%額定轉(zhuǎn)速降低到70%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其節(jié)能率可以從0%升高到65.7%，也就是說對長期運(yùn)行在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況條件下的智能樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制子系統(tǒng)增加基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速自動控制裝置后，可以有效降低智能樓宇建筑電能綜合消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。從圖1可知，采用基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速自動控制裝置進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造后，可以有效降低整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的流量，風(fēng)機(jī)H-Q特性工況曲線也下移到曲線4，即處于在同一流量Q2工況點(diǎn)下，風(fēng)機(jī)電動機(jī)的軸功率與面積CH30Q1成正比，它要與面積BH20Q1小很多，即整個(gè)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)省的功率損耗與面積BH2H3C成正比，由此帶來的節(jié)電效果十分明顯。

表1 智能樓宇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、流量、壓力、軸功率、以及節(jié)電率間特性關(guān)系表

3 結(jié)論

利用基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速自動控制裝置對樓宇建筑中空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造后，可以有效降低風(fēng)機(jī)電動機(jī)的實(shí)際軸功率大小，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。對于一臺容量為150kw的樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)而言，采用變頻調(diào)速裝置進(jìn)行技術(shù)改造后，大致可以在1.5年就能收回成本，也就是說基于PLC與變頻器為核心的變頻調(diào)速自動控制裝置在智能樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)改造中具有非常大的節(jié)能潛力，是智能樓宇建筑節(jié)能降耗，提高其內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)綜合運(yùn)行技能水平的重要技術(shù)措施。

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