三級壓縮離心熱泵機組變頻研究

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(1.淮北礦業(集團)有限責任公司，安徽 淮北 235000；2.中國礦業大學電力與動力工程學院，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熱泵機組和特靈三級壓縮離心式CVHG780機組。該機組的特點是三級壓縮、高效率、噪音最低、振動最小、直聯傳動、無齒輪裝置、壽命長。該機組是值得研究的，在此基礎上將三級壓縮離心CVHG熱泵機組的啟(驅)動方式由星三角置換為變頻調速，從而優化性能。

1 三級離心機組變頻研究方案

(1)變頻器方案設計。主要是根據目標機組的參數及現場工況，初步設計變頻器研發方案。

(2)變頻調速系統的研制及配套。根據確認的變頻器規格及配置采購或定制變頻驅動柜并送至研發中心實驗室。

(3)特靈離心機組的研制。首先選擇目標離心主機送至研發中心實驗室并與變頻驅動柜裝配完畢，接著建立數學模型，進行變頻驅動控制邏輯開發，然后進行性能仿真，最后配套電氣設計。

(4)工廠模擬實驗。包括樣機安裝、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 三級離心機組變頻研究實驗

2.1 三級離心熱泵機組變頻性能實驗

離心變頻節能的原理在于：壓縮機功耗=制冷劑流量*壓縮機壓頭/效率

對于離心壓縮機而言，制冷劑流量正變于速度的一次方，壓縮機壓頭正變于速度的二次方，所以壓縮機功耗正變于速度的三次方。當轉速降低時，功耗將急劇下降，從而達到部分負荷節能的效果。

三級離心機組變頻性能實驗采用機組部分負荷性能參數IPLV，根據AHRI(美國空調、供熱及制冷工業協會)標準評價工況(制冷)和客戶制冷工況進行測試。

在下述工況條件下：

滿負荷名義冷量:897Ton

蒸發器出水溫度:7 ℃

冷凝器進水溫度: 25 ℃(100%)

21.7 ℃(75%)

18.3 ℃(50%)

18.3 ℃(25%)

蒸發器水流量:2382 gpm

冷凝器水流量:2784 gpm

實驗結果如圖1和表1所示，可知IPLV有39.4%的提升。

表1 AHRI制冷工況(冷凝器進水帶relief)機組性能提升表

負 荷%100%75%50%25%IPLV加權因數%1%42%45%12%冷量偏差%-2.4%-2.7%2.9%3.1%電機頻率Hz47.740.338.739.5導葉開度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：

滿負荷名義冷量:900 Ton

蒸發器出水溫度:6.7 ℃

冷凝器進水溫度:29.4 ℃

蒸發器水流量:2160 gpm

冷凝器水流量:2700 gpm

實驗結果如圖2和表2所示，可知IPLV有19.9%的提升。

圖2 AHRI制冷工況(冷凝器進水不帶relief)機組性能變化

表2 AHRI制冷工況(冷凝器進水不帶relief)機組性能提升表

負 荷100%75%50%25%IPLV加權因數1%42%45%12%冷量偏差-2.4%-2.4%1.9%0.5%電機頻率Hz47.742.841.241.8導葉開度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 三級離心機組變頻控制實驗

(1)數字量控制點測試

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)離心機變頻基本控制策略

PID unload control

當冷凍水出溫低于設定的“冷凍出溫下限”并且機組的壓比低于“電機運行頻率對應的臨界壓比-壓比下差”時主電機頻率將逐漸減小，此時若導葉開度未達100%仍繼續打開。

在冷負荷很小時當主電機頻率減小到機組的壓比高于“電機運行頻率對應的臨界壓比”或主電機頻率等于“頻率下限”時若冷凍水出溫仍低于設定的“冷凍出溫下限”， 則主電機頻率不再減小，此時導葉將逐漸關小進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

當凍水出溫回升至大于“冷凍出溫上限”,導葉將逐漸開大。直至全開。

當凍水出溫回升至大于“冷凍出溫上限”且導葉全開時或機組的壓比高于“電機運行頻率對應的臨界壓比”則主電機頻率將逐漸增加。

(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 結束語

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