變頻技術在核島冷凍水系統中的應用研究

劉小源

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

在民用、工業等領域中，空調系統的變頻節能改造已成為降低能耗的主要措施之一。目前變頻技術在國內外已相當成熟，變頻技術對于負荷變化較大的系統具有良好的應用價值。但對于核電廠來說，變頻技術在冷凍水系統的應用尚屬空白。

由于核電工藝的特殊性以及環境條件的復雜性，要求冷凍水系統具有對寬范圍負荷變化的適應能力，在冬季工況、夏季工況、過渡季節工況、冷停堆工況以及事故工況等不同工況下均能正常運行，冷水機組和水泵的配置必須滿足夏季最大負荷要求。為適應負荷變化，核島冷凍水系統采用的調節方式為定流量調節。核島冷凍水系統用戶盤管下游設置二通調節閥，供回水總管設置旁通管線，或直接采用三通調節閥，非滿負荷工況時通過閥門調節流量，剩余流量通過旁通回流。

然而，定流量調節帶來的缺點是能耗顯著增大，尤其在冬季低負荷運行工況下，冷凍水系統的制冷能力被白白浪費，對核電廠的經濟性造成不利影響。

由于核島工況復雜，較公用設施廠房冷凍水系統及民用冷凍機組而言，核島冷凍水系統需要適應的負荷變化范圍更廣。因此本文以核島冷凍水系統為例，研究其應用變頻技術的可行性和經濟性。

1 可行性分析

1.1 系統模型構建

1.1.1 核島冷凍水系統用戶特點

核島冷凍水系統用戶包括核島四大廠房、核島各公用設施廠房內通風系統的盤管和就地空調機組，以及核島前沿工藝系統的換熱器等。通風空調系統多采用直流通風系統，受室外氣象參數影響加大，一年中負荷變化幅度較大。

用戶在不同工況下均有冷負荷需求。對于通風系統來說，正常運行工況下，室外溫度高于設計溫度(一般為16 ℃)時，即需要冷凍水系統提供冷源，冷負荷在0到最大值之間變化；對于安全級系統來說，系統在應對不同的事故工況時，也需要冷凍水系統提供冷源。

以防城港二期項目部分典型冷凍水系統用戶為例，冷負荷需求工況統計見表1。

表1 典型冷凍水系統用戶冷負荷需求

根據核島冷凍水系統用戶特點可知，相比于民用冷凍水系統，核島冷凍水系統的用戶較多，應對工況復雜，全年均需正常運行，除夏季工況可以滿負荷運行外，絕大多數工況是在低負荷工況下運行。故如采用節能措施，節能效果會更為明顯。本文即圍繞應對低負荷工況有較強節能效果的變頻技術進行討論。

1.1.2 核島冷凍水系統配置

由于不同用戶系統對不同工況有不同的運行要求，故核島冷凍水系統需保證在冬季工況、夏季工況、過渡季節工況、冷停堆工況以及事故工況等不同工況下均能正常運行。根據用戶冷負荷需求，構建核島冷凍水系統模型。

核島冷凍水系統模型選用閉式冷凍水回路，由冷凍機組、冷凍水泵、末端設備及管路系統等組成，原理圖如圖1所示。

圖1 核島冷凍水系統原理圖

1.2 變頻技術應用方案

根據目前已有的變頻技術應用方式，可能應用于核島冷凍水系統的變頻技術有如下幾種。

1.2.1 冷水機組優化設計方案

變頻技術一直是提高運行靈活性、降低運行能耗的熱門解決方案之一，但由于早期變頻器的技術限制和高昂的成本，一直未廣泛應用于冷水機組中。近期，隨著電力電子技術、微電子技術的發展，高性能的變頻調速器的技術越來越成熟，調速器的成本也開始降低，變頻調速的驅動裝置在冷水機組中的應用已成為現實。

核島冷凍水系統可考慮通過冷水機組壓縮機的變頻，實現制冷機組變負荷運行。根據文獻[1]所述，在負荷為90%以上時，變頻機比常規機的單位制冷量耗功量大，這是因為室內溫度高時，變頻機與常規機都處于滿負荷情況下運行，而變頻機比常規機多了一個變頻器，而變頻器的功率為357.6 kW(400 V/894 A)，因此在負荷為90% 以上(接近滿負荷)時，變頻機比常規機的單位制冷量耗功量大。在90% 負荷以下變頻機均比常規機節能。由于設計考慮冷負荷時附加了一個安全系數，所以大部分冷水機組在多數的使用時間內負荷都是在90% 以下，所以使用變頻機在大多數情況下是節能的。

在負荷為80% 左右時，單位制冷量耗功量最小，隨著負荷的進一步下降，機組的效率也有所下降，耗功量增加，這主要受離心式冷水機組的效率與負荷關系的影響。可見在相同的外界條件下運行，在80% 負荷左右變頻機與常規機單位制冷量耗功量相差最大，因此如果變頻機組與常規機組若長期維持在80% 左右的負荷下運行，將得到最佳的節能效果。此時單位制冷量功耗可減少33%。平均單位制冷量耗電量可減少15%。由此可估算一臺變頻機組代替常規機組后，一年的運行費用平均可減少15%。

冷水機組進行壓縮機變頻調節可以有效的提高制冷壓縮機性能和能效比，但由于壓縮機低速限制，低負荷條件下運行會導致壓縮機頻繁啟停，壓縮機變頻運行調節范圍窄，壓縮機性能和效率顯著下降[2]。如將壓縮機變頻調節應用于核島冷水機組，需驗證和優化變頻機組壓縮機的可靠性，性能預測、加卸載邏輯可靠性，變頻器的性能及可靠性等。同時，部分核島冷水機組為核級設備，設備的抗震和鑒定費用和難度也需要在初期研發過程中考慮。

由于制冷機的變頻影響因素較多，技術相對復雜，且應用變頻技術首次投入成本較高，降低了冷水機組優化變頻技術的節能優勢，故關于制冷變頻應用后續再進行研究，本文不予深入討論。

1.2.2 冷凍水泵變頻控制方案

通過在冷凍水泵上加裝變頻器，通過改變泵的轉速調節流量，從而達到節能的目的。

根據文獻[3]所述，針對我國內地和香港特別行政區共39座建筑進行的調研，其中冷凍泵全年能耗與中央空調制冷站全年能耗之比大多集中在10%～20%。通過實地調研，部分建筑的冷凍水泵能耗組成比例甚至可以達到空調總能耗的37%，因此，冷凍水泵的能耗是空調系統能耗的重要組成部分。

節能改造中通常采用的策略是進行水泵的變頻改造。目前，國內外有多篇文獻對變頻技術進行理論研究，并已進行了實際應用。通過對申請重慶市節能改造重點城市建設示范的68個項目進行統計，其中31%的建筑節能改造措施中包括冷凍水泵變頻改造。由此可見，此方法在民用、工業等領域內得到了廣泛應用。

核島冷凍水系統相對于常規民用、工業等領域主要差異為運行工況及安全分級，在設備技術層面沒有限制因素，因此，在民用及工業冷凍水系統變頻改造廣泛的理論分析和示范項目數據的支持下，將冷凍水泵變頻控制方案應用于核島冷凍水系統中是可行的。

1.2.3 冷凍水泵變頻控制主要方式

冷凍水泵變頻技術的關鍵是確定合理的變頻控制方式。水泵變頻控制方式主要有以下兩種。

(1)溫差控制方式

溫差控制的原理為當空調負荷減小時，供回水溫差減小，系統通過溫差傳感器將這一信號傳遞給變頻器，控制水泵減速運行，減小水流量，使溫差增大到傳感器的溫差設定值，反之控制水泵增速運行，使溫差減小到傳感器的溫差設定值。

文獻[4]分析了變頻控制方式對系統運行的穩定性、可靠性以及節能量的影響，指出溫差控制存在反應慢、易受干擾、不能根據負荷變化準確分配各用戶所需的冷凍水量、不能提供適當的水壓且穩定性和可靠性較差的缺點。

文獻[5]通過對不同建筑物的溫差控制方式的原理進行分析，指出溫差控制方式更適合于水系統水力平衡好、系統較小、房間功能比較簡單的情況。

文獻[6]指出冷凍水泵采用溫差控制在工程中出現的不多，主要原因是這類設計有一定限制，外網各空調用戶均需按同一規律性同步變化，否則容易出現管網水力失衡問題。

以上文獻較一致地表明了溫度控制方式適應范圍較窄，而核島冷凍水系統末端支路調節閥隨不同工況有大幅調整，不是按室外參數規律性同步變化，故溫差控制方式更適合常規工業廠房冷凍水系統，對于應對事故工況的核島冷凍水系統來說適用性不強。

(2)壓差控制方式

壓差控制方式的原理為部分負荷下，室內溫控器根據室內溫度的變化來改變電動調節閥的開度，從而引起供回水管壓差的變化，壓差傳感器將這一信號傳送給變頻器，與設定值進行比較，從而控制水泵的轉速[7]。

文獻[4]分析了各種變頻控制方式的特點及適用場合，指出壓差控制方式的優點是反應靈敏，一旦系統中某處壓力發生變化，系統能及時感知并采取動作，這種控制方式已廣泛應用于實際項目。

空調系統在運行時水系統流量在很大范圍內變化，實際最不利環路可能從一個支路變為另一個支路，靠唯一的壓差設定值，有可能會出現部分用戶空調效果差或失效的現象，為保證系統正常運行，通常可以在幾個有可能是最不利環路的供回水管上安裝壓差傳感器，實際運行時根據其最小的壓差控制水泵轉速。

變壓差控制方式需要設置較多的傳感器，且控制過程較為復雜，日后的維護保養工作較重，適用于各空調支路上壓差各不相同且需要精確控制的場合，也適用于傳感器以及變頻控制裝置在整個空調系統當中的初投資比例較小的場合。

以防城港二期項目核島冷凍水系統部分典型用戶支路為例，支路壓降如表2所示。

表2 典型冷凍水系統用戶支路壓降

由表2可知，核島冷凍水系統不同支路間壓差差異較大，且管線上已設有壓差測量裝置，改造較為簡單。因此，壓差控制方式更適合應用于核島冷凍水系統。

2 經濟性分析

2.1 計算公式

根據流體力學原理，流量Q(m3/h)與負荷G(kW)關系為：

G1/G2=Q1/Q2

(1)

根據水泵相似定律，流量Q(m3/h)、揚程H(m)、軸功率P(kW)和轉速n(r/min)的關系為：

Q1/Q2=n1/n2

(2)

H1/H2=(n1/n2)2

(3)

P1/P2=(n1/n2)3

(4)

根據電磁學原理，三相異步電動機轉差率s、磁極對數p、轉速n(r/min)和供電電源的頻率f(Hz)關系為：

n=60f(1-s)/p

(5)

所以，可以通過改變供電頻率來改變電動機的轉速，進而達到調節流量的目的。由于水泵的軸功率與轉速的三次方成比例，當轉速減小時水泵所需的軸功率大大減小，節能效益十分顯著[3]。

但在實際改造應用過程中，變頻之后水泵能耗的影響因素并非只有轉速，而是與其所在管網系統的阻力變化等因素有關。根據文獻[10]的理論分析，變頻水泵的軸功率Nin可進行如下的計算分析：

(6)

式中，η1、η2、η3分別為變頻器、電動機、水泵的運行效率；r為水的比重，N/m3；S為管網的阻力系數，kg/m7。

上式表明，變頻水泵的軸功率的影響因素主要有水泵流量、不同流量下對應的各個部件設備的效率、管網的阻力系數。其中，變頻水泵的流量處于一個變化的狀態，區間上限為水泵的額定流量，下限為水泵自動保護停機的流量；管網的阻力系數與管網幾何尺寸、沿程阻力系數、局部阻力系數、流體密度有關，本文采用壓差控制方式，受阻力系數影響較小，可近似認為S為常數。

2.2 實際工況

以陽江5號機組參數為例，代入核島冷凍水系統模型，分析應用變頻技術后的能耗變化。

2.2.1 水泵綜合效率

本文將變頻器、電動機、水泵的運行效率的乘積稱為綜合效率。陽江5號機核島冷凍水系統冷凍水泵滿負荷運行時參數為：流量為376 m3/h，揚程為55 m。配套的變頻器與電動機的效率值見表3[10]，根據各部件不同負荷率下對應的效率值可以計算得到這種配備方式下的綜合效率值。

表3 變頻水泵部分負荷下的綜合效率

由表3可知，負荷率在70%以上時，綜合效率在0.5以上；負荷率為50%～70%時，綜合效率為0.4～0.5；負荷率在50%以下時，綜合效率在0.4以下。因此，負荷率在50%以下時，綜合效率過低，水泵運行效果較差，運行中應避免這一階段經常出現。

2.2.2 負荷率

陽江5號機組核島冷凍水系統不同工況負荷見圖2。

圖2 陽江5號機組核島冷凍水系統不同工況負荷

陽江5號機組核島冷凍水系統不同工況負荷率見圖3。

圖3 陽江5號機組核島冷凍水系統不同工況負荷率

由上圖可知，在冷停堆各工況下，負荷率為60%～80%，應用變頻技術可較好地降低能耗；在正常運行冬季工況下，負荷率在35%左右，此時應用變頻技術已無節能優勢。

3 結論

本文通過分析變頻技術應用于核島冷凍水系統的可行性和經濟性，得出的主要結論有：

1)核島冷凍水系統基本運行原理與民用冷凍水系統一致，但核島冷凍水終端用戶空調系統多采用直流通風系統，受室外氣象參數影響較大，且在復雜的核電工況下用戶冷負荷需求差異較大，導致一年中負荷變化大于民用冷凍水系統。而變頻技術的應用更能適應系統的變化，節能效果更明顯，故核島冷凍水系統更適合采用變頻降耗，變頻技術應用于核島冷凍水系統具有可行性；

2)變頻技術有空調主機優化設計、冷凍水泵變頻控制等應用方案。冷水機組能耗在整個冷凍水系統中占比較高，變頻應用節能效果明顯，但由于設備的特殊性和復雜性，需聯合設備廠家進行設備進一步研發。水泵變頻控制改造難度較小，根據核島冷凍水的特點，建議應用冷凍水泵壓差變頻控制方案；

3)影響變頻水泵能耗的主要因素有水泵流量、不同流量下對應的各個部件設備的效率、管網的阻力系數，而不是簡單地與轉速的立方成正比的關系；

4)由于負荷率在50%以下時，變頻水泵節能效果較差，而核島冷凍水系統冬季工況下負荷率處于不利階段，因此建議在冬季工況持續時間較短的南方項目可應用變頻技術，處于嚴寒廠址的項目在夏季和過渡季節適用于變頻技術，但在冬季應輔以其他控制調節方式，需待進一步研究。