變頻節能技術在螺桿式制冷主機循環水泵上的應用

楊仁華 劉興彪

（紅塔集團昭通卷煙廠，云南 昭通657000）

現階段，中央空調制冷主機主要有水冷、風冷兩種熱泵機組，其而其類型主要有螺桿式、活塞式、溴化鋰吸收式、離心式等，在制暖方面，主要有燃油雙效溴化鋰機組及把蒸汽當作熱源的熱交換器。針對各種類型的制冷主機及制暖設備，通常會選用各種控制與測量方法，對冷卻泵與冷凍泵的變頻急性控制，以達到調速節能的目的。

1 螺桿式制冷主機循環水泵變頻調速的節能原理分析

當水泵處于運行狀態時，一般會用閥門來進行調節，以此來更好的滿足相關工藝對流量的變化要求，也就是節流調節。在整個節流調節架構當中，水泵在其中有著不變的機械特性，僅依靠對閥門開度的調節，以一種人為方式實現管路阻力的增加，并以此達到減小流量的目的。所以，這勢必會造成整個管路系統相應損失程度的增加，而且對水泵的節能運行也會帶來不利影響。而通過對變頻調速控制裝置的合理化應用，即對水泵轉速進行調節改變，達到調節其流量的目的，最終滿足各類生產需要。針對變頻調速來講，其實為當前已得到廣泛應用的調節方法，不僅高效，而且還節能，能對水泵進行無級調速，因而能為閉環控制系統的組成提供切實方便，最終使水泵始終保持恒流量、恒壓運行。

針對螺桿式制冷主機循環水泵來講，依據其流量（Q）- 壓力（H）特性曲線，對如下工況下的運行能量變化進行繪制。（1）不變速，也不對流量進行調節，水泵在額定轉速下進行運行，額定的管路阻力特性曲線是R1，而對于工況點而言，其實為曲線R1與n1的交點，也就是A 點，其與之相對應的壓力為H1，而與之對應的流量是Q1，此時，水泵所需要的功率通常情況下，與H1與Q1的乘積呈正比關系，也就是與AH10Q1 所形成的面積呈正比。（2）水泵采用閥門對流量進行控制，也就是節流調節。如果流量自Q1最終調至Q2，那么此時，將小閥門關閉。而此時閥門的摩擦阻力會增大，而在管路阻力特性曲線方面，便會自R1轉變為R2，而在具體的運行工況點而言，即為R2與n1之間的交點，也就是B 點；在揚程方面，自H1向H2轉移，此時水泵所需功率和H2與Q2的面積呈正相關，也就是與BH20Q2 所組成的面積呈正相關。（3）用變頻調速控制方式實現水泵的運行，如果流量自Q1不斷減小至Q2，那么此時的阻力曲線R1維持不變，而對于泵的特性曲線來講，主要由轉速所決定；而變頻降速會造成水泵的特性曲線發生改變，即從n1向n2轉變，工況點則為曲線n2與R1之間的交點C，也就是從B 向C 轉移，流量為Q2，壓力從H1最終降至H3，此時，水泵所需功率和Q2與H3的乘積呈正相關，也就是與CH30Q2所組成的面積呈正相關。從上述工況可知，四邊形CH30Q2的面積較BH20Q2，要偏小，提示其有最小的功率，此乃變頻調速節能的原理所在。

圖1 水泵的流量- 壓力特性曲線

2 螺桿式制冷主機循環水泵變頻節能的計算公式分析

2.1 壓力變化的計算

若水泵的流速自n1最終降至n2，那么其特性趨向便會從n1轉變成n2，而在運行工況點上，則會自B 點向C 點移動，揚程自H2向H3轉變。依據水泵的特性曲線公式：p=pQH/102η，在此公式當中，η 所表示的是水泵工況點的效率；p 所表示的是輸出介質的單位體積重量；H 代表的是工況點的揚程；Q 代表的是工況點的流量；P 代表的是工況的軸功率。借助此公式，便能將水泵于B、C 點之間運行的軸功率差值各計算出來，即：

ΔP=ρQ2（H2-H3）/102η

即采用閥門對水泵流量加以控制，有△P 的功率會被損耗掉，并且伴隨閥門的調小，此損耗會隨之而增加。而在采用變頻調速進行控制時，因流量Q 與轉速n 的一次方之間呈正相關，而揚程H 與轉速n 的平方之間呈正相關，以及軸功率P 與轉速n 的立方之間呈正相關，也就是在功率和轉速n 呈3 次方的情況下，會出現下降情況；因此，將泵的轉速降低，節能效果更為突出。需要指出的是，變頻調速技術并非是將閥門調小，而是降低電機轉速，在流量相同的前提下，原先消耗于閥門上的能量，便能被節省掉。所以，用B 點的軸功率將C 點的減去，即為變頻調速所得節能量。

2.2 流量變化的計算

依據GB12497 標準，在設計螺桿式制冷主機循環水泵的經濟運行方式時，可采用如下公式。

當用閥門對流量進行調節時，與之相對應的電動機輸入功率Pv 與流量Q 之間的所存在的關系是：

Pv≈[0.45+0.55（QnQ2）]Pe

當用變頻調速技術時，水泵的節電率可依據如下公式進行計算：

Ki=（Pv-Pn）3/Pv=1-[（Qn/Q）3/（0.45+0.55）（Qn/Q）3]

在此公示當中，K1 所表示的是變頻節能效率；Qn 表示的是水泵流量；Q 代表的是水泵的額定流量；Pn 所表示的是變頻調速時泵的軸功率；Pe 所代表的是水泵額定流量時的電動機輸入的軸功率；而Pv 所表示的是閥門調節時泵的軸功率。借助此公式，僅需知曉流量與額定流量之間的比值，便能將其變頻節能效率給估算出來。

3 水泵變頻節能實例分析

某螺桿式制冷主機循環水泵的額定功率是245kW，4 極電機，日常所需流量是80～90%的泵的額定流量，也就是Qn=（0.8～0.9）Q，在對其進行改造時，準備改成變頻電機驅動，對其節能價值進行計算。

已知曉其額定流量是Q，而現實流量Qn 僅占額定流量的80%，借助上述公式，可將閥門節流調節時電機的輸入功率給計算出來，即Pv=207.5kW，而借助（2.2）中的公式，可將變頻節能率給計算出來，即k1=0.21。也就是用閥門對流量進行調節時，水泵所需要的軸功率是206.5kW，用變頻調速器進行調節，在節能率上可達到21%（流量相同）。如果按照每年340 天來進行計算，那么年均節約電量可達到15.6 萬kWh，費用可節省7.1 萬元。而在改造費用方面，需要增加1 臺變頻器、一面變頻調速柜，除此之外，還需要諸如指示燈、電表、熔斷器等配件，費用為3.7萬元，若回收期為半年，那么其無論是在經濟上，還是在技術上，都是可行的。

借助上述計算可知，針對那些大型化的水泵，即便其現實流量與額定流量相當，用變頻調速技術進行改善，仍然具有可行性，且潛力比較大。在現實應用時，其節能效果更佳明顯。此外，當降低機械轉速之后，機械在運行中的磨損情況也會減少，而且還能延長設備的使用壽命，有著不錯的間接經濟效益。

綜上，在螺桿式制冷主機循環水泵設計改造中采用變頻節能技術，不僅在技術上可行，而且在經濟上也比較客觀，能夠節省一定的經濟投入；此外，還需要指出的是，變頻調節節能技術作為一種較新型的技術類別，伴隨其技術的不斷推新與完善，其所具有的應用價值將會越發凸顯，節能效果將會更為突出。