三級壓縮離心熱泵機(jī)組變頻研究

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(1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000；2.中國礦業(yè)大學(xué)電力與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

變頻研究對象為特靈三級壓縮離心式CVHG670熱泵機(jī)組和特靈三級壓縮離心式CVHG780機(jī)組。該機(jī)組的特點是三級壓縮、高效率、噪音最低、振動最小、直聯(lián)傳動、無齒輪裝置、壽命長。該機(jī)組是值得研究的，在此基礎(chǔ)上將三級壓縮離心CVHG熱泵機(jī)組的啟(驅(qū))動方式由星三角置換為變頻調(diào)速，從而優(yōu)化性能。

1 三級離心機(jī)組變頻研究方案

(1)變頻器方案設(shè)計。主要是根據(jù)目標(biāo)機(jī)組的參數(shù)及現(xiàn)場工況，初步設(shè)計變頻器研發(fā)方案。

(2)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制及配套。根據(jù)確認(rèn)的變頻器規(guī)格及配置采購或定制變頻驅(qū)動柜并送至研發(fā)中心實驗室。

(3)特靈離心機(jī)組的研制。首先選擇目標(biāo)離心主機(jī)送至研發(fā)中心實驗室并與變頻驅(qū)動柜裝配完畢，接著建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行變頻驅(qū)動控制邏輯開發(fā)，然后進(jìn)行性能仿真，最后配套電氣設(shè)計。

(4)工廠模擬實驗。包括樣機(jī)安裝、性能實驗、振動與噪聲實驗、控制邏輯驗證、電氣安全測試、可靠性測試等。

2 三級離心機(jī)組變頻研究實驗

2.1 三級離心熱泵機(jī)組變頻性能實驗

離心變頻節(jié)能的原理在于：壓縮機(jī)功耗=制冷劑流量*壓縮機(jī)壓頭/效率

對于離心壓縮機(jī)而言，制冷劑流量正變于速度的一次方，壓縮機(jī)壓頭正變于速度的二次方，所以壓縮機(jī)功耗正變于速度的三次方。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，功耗將急劇下降，從而達(dá)到部分負(fù)荷節(jié)能的效果。

三級離心機(jī)組變頻性能實驗采用機(jī)組部分負(fù)荷性能參數(shù)IPLV，根據(jù)AHRI(美國空調(diào)、供熱及制冷工業(yè)協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)評價工況(制冷)和客戶制冷工況進(jìn)行測試。

在下述工況條件下：

滿負(fù)荷名義冷量:897Ton

蒸發(fā)器出水溫度:7 ℃

冷凝器進(jìn)水溫度: 25 ℃(100%)

21.7 ℃(75%)

18.3 ℃(50%)

18.3 ℃(25%)

蒸發(fā)器水流量:2382 gpm

冷凝器水流量:2784 gpm

實驗結(jié)果如圖1和表1所示，可知IPLV有39.4%的提升。

表1 AHRI制冷工況(冷凝器進(jìn)水帶relief)機(jī)組性能提升表

負(fù) 荷%100%75%50%25%IPLV加權(quán)因數(shù)%1%42%45%12%冷量偏差%-2.4%-2.7%2.9%3.1%電機(jī)頻率Hz47.740.338.739.5導(dǎo)葉開度Deg90.090.040.523.4變頻器耗功Kw12.58.36.25.4變頻器耗功比例%2.3%2.8%3.6%4.7%COP (帶變頻)5.747.919.497.108.50COP (不帶變頻)5.866.376.274.566.10性能提升%-2.0%24.3%51.5%55.6%39.4%

在下述工況條件下：

滿負(fù)荷名義冷量:900 Ton

蒸發(fā)器出水溫度:6.7 ℃

冷凝器進(jìn)水溫度:29.4 ℃

蒸發(fā)器水流量:2160 gpm

冷凝器水流量:2700 gpm

實驗結(jié)果如圖2和表2所示，可知IPLV有19.9%的提升。

圖2 AHRI制冷工況(冷凝器進(jìn)水不帶relief)機(jī)組性能變化

表2 AHRI制冷工況(冷凝器進(jìn)水不帶relief)機(jī)組性能提升表

負(fù) 荷100%75%50%25%IPLV加權(quán)因數(shù)1%42%45%12%冷量偏差-2.4%-2.4%1.9%0.5%電機(jī)頻率Hz47.742.841.241.8導(dǎo)葉開度Deg90.0090.0071.1031.50變頻器耗功Kw16.39.67.75.9變頻器耗功比例%3.0%2.7%3.1%3.7%COP (帶變頻)5.746.476.414.966.25COP (不帶變頻)5.865.785.073.775.22性能提升-2.0%12.0%26.5%31.6%19.9%

2.2 三級離心機(jī)組變頻控制實驗

(1)數(shù)字量控制點測試

啟動輸出信號動作正常

啟動反饋信號動作正常

啟動完成控制信號動作正常

(2)離心機(jī)變頻基本控制策略

PID unload control

當(dāng)冷凍水出溫低于設(shè)定的“冷凍出溫下限”并且機(jī)組的壓比低于“電機(jī)運行頻率對應(yīng)的臨界壓比-壓比下差”時主電機(jī)頻率將逐漸減小，此時若導(dǎo)葉開度未達(dá)100%仍繼續(xù)打開。

在冷負(fù)荷很小時當(dāng)主電機(jī)頻率減小到機(jī)組的壓比高于“電機(jī)運行頻率對應(yīng)的臨界壓比”或主電機(jī)頻率等于“頻率下限”時若冷凍水出溫仍低于設(shè)定的“冷凍出溫下限”， 則主電機(jī)頻率不再減小，此時導(dǎo)葉將逐漸關(guān)小進(jìn)一步減小制冷量最終使冷凍水出溫高于“冷凍出溫下限”。

PID load control

當(dāng)凍水出溫回升至大于“冷凍出溫上限”,導(dǎo)葉將逐漸開大。直至全開。

當(dāng)凍水出溫回升至大于“冷凍出溫上限”且導(dǎo)葉全開時或機(jī)組的壓比高于“電機(jī)運行頻率對應(yīng)的臨界壓比”則主電機(jī)頻率將逐漸增加。

(3)離心變頻自動控制測試

如圖3-4所示，可知結(jié)果符合自動控制策略。

圖3 PID control unload 75%-50%離心變頻自動控制測試

圖4 PID control load 25%-65%離心變頻自動控制測試

(4)諧波測試

輸入諧波：

采用輸入端增加電抗器的方式進(jìn)行輸入端諧波抑制

100%LoadTHDu=10.4% THDi=27.1%

75% LoadTHDu=3.5% THDi=49.2%

50% LoadTHDu=7.8% THDi=31.6%

25% LoadTHDu=2.7% THDi=67.3%

如圖5所示，可知增加輸入電抗器對諧波有抑制作用。

圖5 THDi&THDu變化情況

3 結(jié)束語

研究開發(fā)的三級壓縮離心熱泵機(jī)組變頻技術(shù)，機(jī)組性能、控制、諧波效果良好，大大降低了熱泵機(jī)組的能耗。離心變頻自動控制測試結(jié)果符合自動控制策略，增加輸入電抗器對諧波有抑制作用，使得機(jī)組擁有更加可靠完善的控制控制保護(hù)功能.在變頻運行工況下，制冷工況(冷凝器進(jìn)水帶relief)機(jī)組性能IPLV有39.4%的提升；制冷工況(冷凝器進(jìn)水不帶relief)機(jī)組性能IPLV有19.9%的提升，總體上能夠達(dá)到10%以上節(jié)能效果。