中央空调循环水泵系统论文

中央空调循环水泵系统论文（精选7篇）

中央空调循环水泵系统论文 篇1

随着大型和超大型建筑的不断增多, 中央空调水系统越来越多的采用两台或多台水泵并联的运行方式, 对于采用两台水泵并联运行的系统, 有些系统采用两台泵均工频运行方式, 有些系统采用一工频一变频运行方式, 还有些系统则采用两台泵同时变频的运行方式, 因为空调负荷是随室内室外环境的变化而不断变化的, 显然两台水泵均采用工频运行会造成很大浪费。节能空调系统大多采用变频调速系统, 但既有工频又有变频的运行状态和两泵同时变频哪个更节能, 针对此问题现有“同时变频更节能”的结论, 但这些结论大多是基于简单的理论分析而得出, 而本文则通过大量的试验操作及数据处理, 对此结论进行了定性和定量的分析。

1 空调系统应用现状及存在的问题

据统计, 我国建筑物能耗约占能源总消耗量的30%。在设有中央空调的公共建筑物中, 中央空调的能耗约占本建筑总能耗的60%, 而且呈逐年增长的趋势。根据有关资料统计, 实际中, 在一年的绝大部分时间内空调负荷远比设计的负荷 (全年最大负荷) 要低, 全年约有60%的时间实际负荷是在设计负荷的50%～70%以下运行, 并且时刻都在波动, 所以实际负荷总不能达到设计的满负荷状态, 造成了能量的严重浪费, 严重影响经济效益和人们的生活水平, 因而如何能降低空调的能耗, 成为一个亟待解决的大课题。

2 中央空调水系统简介及本论文所应用试验平台的描述

2.1 中央空调水系统的简介

中央空调系统供冷的冷源为冷水机组, 其冷凝器侧为冷却水系统, 蒸发器侧为冷冻水系统, 因此空调水系统由冷冻水系统和冷却水系统组成。冷却水系统包括冷却循环水泵、冷却塔及相应的阀门、管道。冷冻水系统包括冷冻循环水泵、分集水器、阀门、管线和相应的空调末端设备。

2.2 试验平台的描述

实验设备:一套拟建的两单元五层楼的空调冷水机组的给水系统, 每单元分别装有风机盘管, 系统中的水量由高位水箱补充, 水流扬程由两台同型号的变频水泵 (3.7KW) 提供, 每层楼供水由阀门控制, 供水管道装有压力传感器、流量计、阀门等, 其位置及标号如示意图所示;此外还包括两台变频柜及功率表、流量计、转速仪等。

设两单元五层的10个阀门均打开时, 负载为100%, 每关掉一个阀门, 负载降低10%, 实验中分别测试两台泵随负载和流量的变化采用均工频、一工频一变频、均变频时的各泵频率、流量、功率等参数值, 通过绘制P-Q曲线图对三种运行方式进行对比, 分析其节能效果。

3 试验及理论分析

3.1 两台泵均工频

此实验中, 始终保持两台泵的频率为额定值50HZ, 通过关闭阀门降低负载, 测试各阶段的参数值, 记录数值如表1所示。

绘制总功率总流量随负载率变化的曲线图如图1所示。

由绘制曲线和试验数据可看出:尽管随着流量的降低水泵的功耗在减小, 但即使当负载率减少到30%, 流量减少到37.9 (m3/h) 时, 此时的功率仍为3.9 2K W, 这就意味着即使很小的室内负荷, 仍需耗费很大的水泵功率, 造成电能的严重浪费, 节能效果很差。

3.2 一台工频一台变频

此试验中, 令1号泵随流量的变化而变频, 2号泵工频, 在负载率分别为100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%时, 通过调频改变流量 (以每组负载率下的原始流量的20%为梯度, 依次下降, 直至降到原始流量的20%为止) , 记录各参数值见表2所示。

一工频一变频时, 同一负载情况下, 随着流量的降低所耗功率的明显呈指数型递减, 流量越低功耗递减越慢, 且流量低于30 (m3/h) 时, 各负载率下所耗的功率差别不大, 当流量大于35 (m3/h) 后, 相同流量下负载率越大水泵功耗越低, 这是因为流量越低管网阻力越大, 水泵相当一部分能量要用来克服阻力。

3.3 两台均变频

此试验中, 令1号泵、2号泵均随流量的变化而变频, 在负载分别为100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%时, 通过调频改变流量 (以每组负载率下的原始流量的20%为梯度, 依次下降, 直至降到原始流量的20%为止) , 记录各参数值见表3所示。

当两台泵均变频时, 随着流量的降低, 功率仍呈指数型降低。这首先说明均变频的运行方式节能效果优于一工一变的运行方式, 当然也更优于均工频的运行方式, 例如对应与流量为30 (m3/h) 时, 一工频一变频的运行方式各负载率下所耗的功率大约为2.4 (KW) , 而两泵都变频时各负载率下所耗的功率大约为1 (KW) 左右, 节能率近于60%, 体现了明显的节能效果。流量越低时均变频的运行方式较一工一变的运行方式节能效果越显著。流量越低时, 各负载率下消耗的功率降低度越小的原因仍为:流量越低, 水泵需克服的管网阻力越大, 当流量小到一定值时, 管网阻力几乎达到最大极限值, 此时各负载率下所消耗的功率值也很相近。

4 结语

由以上三组试验数据及曲线分析可看出, 变频调速技术用于空调水泵控制系统具有调速性能好、节能效果显著等优点。继而可得出以下三条结论: (1) 对于两台同型号水泵并联的运行的情况, 两台水泵同时变频调速节能效果最好, 一工频一变频的运行方式次之, 两台均工频的节能效果最差; (2) 流量越低时, 相对节能效果越显著; (3) 流量越低, 水泵需克服的管网阻力越大。

参考文献

[1]符锡理.变频调速供水泵原理和实践[J].变频器世界, 1999 (10) .

[2]王刚, 崔明辉.空调水系统并联水泵的选择配置与分析[J].2008, 8.

[3]吕文, 陈洪亮.多台并联变频调速水泵的控制方式[J].2005, 4.

[4]Houser, Rod.Realizing Energy Savingthrough Variable-speed Pumping-aPrimer.Water Environment andTechnology, 2004, 16 (4) :51～54.

[5]Pemberton, Mike.Intelligent VariableSpeed Pumping.Plant Engineering, 2003, 57 (12) :28～30.

[6]柯水洲, 张云, 尚耀宗.变频调速水泵几个问题的探讨[J].给水排水, 2001, 27 (9) :75～77.

中央空调循环水泵系统论文 篇2

在传统的中央空调系统中,冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%~14%,并且在冷冻主机低负荷运行中,其耗电更为明显,冷冻水、冷却水循环用电约达30%~40%。因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调节能改造的重要组成部分。本文着重介绍P L C、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。

中央空调采用变频调速技术,使电机在很宽范围内平滑调速,可将所有节流阀去掉,使管道畅通,可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速,从而改变水的流量,达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求,从而达到节能的目的。电机的变频调速系统是由P L C控制器进行切换和控制的。

2 冷却水泵节能循环运行控制

2.1 设备名称

中央空调有3台冷却水泵,其型号是TS-200-150315,配用功率是3 7 K W;采用一台变频器的方案进行节能控制,变频器及P L C控制系统都采用三菱的,型号分别是FR-A540及FX2N-64MR[1]。

2.2 控制方案

2.2.1 冷却水泵节能循环控制主电路接线图(图1)

2.2.2 控制功能

先确定冷却水泵变频器工作的最小工作频率(15HZ)及最大工作频率(48HZ),将其设定为下限频率和上限频率并锁定;变频冷却水泵的频率是取冷却水塔的出水温度信号进行调节,当冷却水出水温度高于设定值时,频率优先无极上调,当冷却水出水温度低于设定值时,频率无极下调;按温度变化来调节频率,出水温度越高,变频器的输出频率越高,出水温度越低,变频器的输出频率越低。冷却水塔出水温度由温度传感器P T 1 0 03850RPM/o C电压型温度传感器采集,将温度变化反映到相应的电阻变化,通过电阻的变化改变电压并送到变频器的输入2、5脚,达到实现温度控制的目的。

具体控制方案:

1)先合KM1起动1号泵,单台变频运行;

2)当1号泵的工作频率上升到48HZ上限切换频率时,1号泵将切换到K M 2工频运行,然后再合K M 3将变频器与2号泵相接,并进行软启动,此时1号泵工频运行,2号泵变频运行;

3)当2号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率15HZ时,则将KM2断开,1号泵停机,此时由2号泵单台变频运行;

4)当2号泵的工作频率上升到48HZ上限切换频率时,2号泵将切换到K M 4工频运行,然后再合K M 5将变频器与3号泵相接,并进行软启动,此时2号泵工频运行,3号泵变频运行;

5)当3号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率15HZ时,则将KM4断开,2号泵停机,此时由3号泵单台变频运行;

6)当3号泵的工作频率上升到48HZ上限切换频率时,3号泵将切换到K M 6工频运行,然后再合K M 1将变频器与1号泵相接,并进行软启动,此时3号泵工频运行,1号泵变频运行;

7)当1号泵的工作频率下降到设定的下限切换频率15HZ时,则将KM6断开,3号泵停机,此时由1号泵单台变频运行;如此循环运行;

8)水泵投入工频运行时,电动机的过载由热继电器保护,并有报警信号指示;

9)每台泵的变频接触器和工频接触器外部电气互锁及机械联锁;

10)变频与工频切换的过程:

首先MRS接通(变频器输出停止)→延时0.2秒后断开变频接触器

→延时0.5秒后合工频接触器,→再延时0.5秒合下一台变频接触器→断开M R S触点,实现从变频到工频的切换;

11)变频与工频切换的条件:

由变频器的上限切换频率(F U)和下限切换频率(SU)控制。

2.2.3 PLC输入、输出分配表(见表1)

2.2.4 控制综合接线图:(见图2)

2.2.5 变频器参数设置:

Pr.42=48HZ(上限切换频率FU信号);

Pr.50=48HZ(下限切换频率FU2信号);

Pr.191=5(标记为SU端子的功能为FU2信号);

Pr.76=2(报警代码选择);

Pr.79=2(操作模式为外部操作)

2.2.6 软件设计[3](见图3、4)

根据控制要求进行软件编程,下面给出参考程序顺控图。

程序补充说明:

在程序设计中为避免变频器在启动过程中S U信号动作,使T10、T11、T12的定时时间大于变频器加速时间。

3 结束语

采用变频器、P L C对中央空调冷却水泵的改造,使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行,从而达到节能的目的,其节电效率可达4 0%左右。

由于冷却水泵采用变频器软启动、软制动,大大降低了起动电流、避免了对电机和电网的冲击,使用电环境得到改善。

由于水泵大多数时间运行在额定转速以下,电机运行噪音减小、温升降低、震动减少、负载运行顺滑平衡,电气故障比原来降低,电机的使用寿命也相应延长。

利用PLC、变频器实现各种逻辑控制、变频器启动控制及手动/自动,工频/变频转换和故障自动切换等功能,使系统控制灵活方便,功能更加完善。

摘要：中央空调系统是大型建筑物不可缺少的配套设施之一,其电能的消耗非常大。由变频器、PLC构成的控制系统应用在中央空调的冷却水泵的节能改造中,使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行,达到显著节能效果。

关键词：中央空调,冷却水泵,变频器,PLC,节能

参考文献

[1]吴启红.《变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书》[M].2007,163-175.

[2]梁光武.PLC和变频器在中央空调教学系统中的应用[J].广东技工教育研究,2009,(2):27-34.

中央空调循环水泵系统论文 篇3

随着我国国民经济的的飞速发展、人民生活水平的不断提高以及制造企业的不断增加, 中央空调系统得到了较广泛的应用。但它的运行需消耗非常大的电能, 约占建筑物总电能消耗的50%。而在中央空调系统中, 冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据建筑物最大设计热负荷选定的, 且留有一定的设计余量。由于四季的变化, 阴晴雨雪及白天与黑夜时, 外界温度不断变化, 使得中央空调的热负荷在绝大部分时间里远比设计负荷低。实际上在一年中, 满负荷下运行最多只有十多天, 几乎绝大部分时间负荷都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷随季节气温变化而自动调节负载, 而与冷冻主机相匹配的冷冻水泵、冷却水泵却不能自动调节负载, 几乎长期在100%负载下运行, 造成了能量的极大浪费, 也恶化了中央空调的运行环境和运行质量, 不符合我国经济可持续发展、建设节约型社会的发展要求。本文从中央空调系统中水系统管路的优化设计、水泵的科学选型及对现有工频工况下运行的水泵的节能改造等几个方面, 对中央空调系统中水泵的节能应用进行理论与效益分析。

2 水系统管路的优化设计与水泵的科学选型

水泵作为一种多点多区间可连续无间断调节运行的机械设备, 其运行工况不仅由水泵本身特性确定, 还受到与之相对应的系统管路特性影响。众所周知, 一般情况下, 水泵的设计点通常是泵的最佳工况点, 前后有一段最佳工作高效区, 水泵只有在高效区运转, 才能使水泵的运行效率高、运行可靠性好。通过对很多中央空调机组中水泵使用单位的广泛调研, 发现这种系统管路与泵特性不相匹配的现象十分突出。大多数是因为当初系统设计者, 没能优化设计水系统的管路, 也有是因为安全余量选的过大, 使得水泵选型时选得过大, 使得水泵不能在其高效区运转, 水泵的实际运转运转效率远低于水泵的最高效率, 造成着大马拉小车的现象。这种现象不仅仅只会在以前的水系统设计中出现, 今后在此类水系统管路设计中可能还会出现。

通过调研发现, 有的不合理的系统设计中的能量浪费多达40%, 有的甚至更多, 少的也有20%左右。如此是一个多么巨大的能量浪费。因此, 中央空调系统中水系统管路的优化设计与水泵的科学选型对水泵的节能运行起到至关重要的作用。

3 工频工况下运行的水泵的节能改造分析

我国有很多已经投入使用的中央空调系统中的水泵都是采用的工频水泵, 造成能量不必要的浪费。下面为苏州固锝电子股份公司中央空调系统中水泵的节能改造情况分析:

3.1 原系统简介

苏州固锝电子股份公司是一家专业生产硅整流二极管的生产企业, 常年24H运行, 由于生产设备的发热量比较大, 且生产环境对温度的要求比较高, 所以冷水机组常年运行, 即便在冬季也是制冷状况运行。公司有3套中央空调冷冻水系统, 其主要设备有:系统一 (7#楼) :700KW冷气主机1台, 型号为ES200麦克维尔冷水机组, 备用机型号为ES100麦克维尔冷水机组一台, 冷却水泵1台, 扬程28米, 配用功率15KW, 冷水泵有1台, 扬程32米, 配用功率15KW。系统二 (GPP) :754KW冷气主机1台, 型号为TSD220天加冷水机组, 冷却水泵1台, 扬程28米, 配用功率22KW, 冷水泵有1台, 扬程32米, 配用功率18.5KW。系统三 (6#楼) :920KW冷气主机1台, 型号为CUW280B5Y冷水机组, 冷却水泵1台, 扬程28米, 配用功率22KW, 冷水泵有1台, 扬程32米, 配用功率18.5KW。

3.2 原系统运行中存在的水泵节能问题

由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计, 且留有10%-20%左右的设计余量。其中螺杆冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载来实现冷量平衡, 而冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样, 冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行, 特别是在负荷较轻的冬季尤为突出, 造成了能量的极大浪费。

为了解决以上问题, 公司利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵进行改造, 以节约电能。

3.3 节能改造的可行性分析

由流体传输设备水泵的工作原理可知:水泵的流量与其转速成正比;水泵的压力 (扬程) 与其转速的平方成正比, 而水泵的轴功率等于流量与压力的乘积, 故水泵的轴功率与其转速的三次方成正比 (即与电源频率的三次方成正比) 。

根据上述原理可知:降低水泵的转速, 水泵的功率可以下降得更多。用变频器进行流量控制时, 可节约大量电能。中央空调系统中的冷却泵, 冷冻泵, 在实际使用中有90%多的时间都工作在非满载状态下。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失, 而且由于对空调的调节是阶段性的, 造成整个空调系统工作在波动状态, 而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题, 还可实现自动控制, 并可通过变频节能收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节, 使系统工作状态稳定, 并延长机组及网管的使用寿命。因此, 随热负荷而改变水量的变流量空调水系统显示了巨大的优越性, 因而得到越来越广泛的应用, 采用E-SAVER变频器调节泵的转速, 可以方便地调节水的流量, 根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统, 使泵的转速随负荷变化, 这样就可以实现节能, 其节能率通常都在20%以上。改造的节电率与用户的使用情况密切相关, 一般情况下, 春、秋两季运行节电率较高, 可达40%以上, 夏季由于利用率相对较高, 可节省的空间有限, 一般在20%左右。以下是分析过程:

(1) 改造原理简介。在中央空调系统设计中, 设计者为保证自己方案的有效性, 冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%-20%余量作为设计保险系数。根据统计, 中央空调系统中冷冻水、冷却水循环用电约占中央空调总用电的20%左右, 实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造的重要组成部分。

(2) 水泵的转速调节。根据交流电动机工作原理中的转速关系:

n=60f (1-s) /p

式中:n——电机转速;

f——电源频率;

p——电机极对数;

s——电机转差率。

由上式可见, 调节转速有3种方法, 改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中, 变频调速性能最好, 调速范围大, 静态稳定性好, 运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。

3.4 节能改造的具体方案

(1) 电路的控制设计以及安装。

根据具体情况, 同时考虑到成本控制, 原有的电器设备尽可能的利用。在原有的冷冻水泵及冷却水泵回路中串入E-SAVER变频器 (包含数摸转换和温度模块) , 在冷冻水及冷却水供回水管道上安装温度传感器

(2) 功能控制方式。

开机:开启冷冻水及冷却水泵, 由PLC控制冷水及冷却水泵的启停, 由冷冻水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号, 开启制冷机, 由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量。

停机:关闭制冷机, 冷冻水及冷却水泵延时十分钟后自动关闭。

保护:由压力传感器控制冷冻水及冷却水的缺水保护。

3.5 变频节能示意图及改造原理分析变频节能示意图 (见图1所示)

(1) 对冷冻泵进行变频改造。

控制原理说明如下:PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存, 并计算出温差值;然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率, 以控制电机转速, 调节出水的流量, 控制热交换的速度;温差大, 说明室内温度高系统负荷大, 应提高冷冻泵的转速, 加快冷冻水的循环速度和流量, 加快热交换的速度;反之温差小, 则说明室内温度低, 系统负荷小, 可降低冷冻泵的转速, 减缓冷冻水的循环速度和流量, 减缓热交换的速度以节约电能。

(2) 对冷却泵进行变频改造。

由于冷冻机组运行时, 其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温, 再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大, 说明冷冻机负荷大, 需冷却水带走的热量大, 应提高冷却泵的转速, 加大冷却水的循环量;温差小, 则说明, 冷冻机负荷小, 需带走的热量小, 可降低冷却泵的转速, 减小冷却水的循环量, 以节约电能。

3.6 开机调试注意事项

(1) 整改设备安装完毕后, 设定变频器参数, 检查电器部分并逐级通电调试。

(2) 投入试运行时, 人为地减少负荷, 观察流量是否因频率的降低而减小, 并找到制冷机报警时的最低变频器频率, 以及流量降低后管道末端的循环情况, 使变频器工作在一个最低的稳定工作点。

(3) 用温度计及时检测各点温度, 以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。

3.7 技术改造后的运行效果比较

3.7.1 节能效果及投资回报

进行技术改造后, 系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。根据以往运行参数的统计与改造后的节能预测, 平均节能应在20-30%以上。经济效益十分显著, 设备投资40万元, 改造后投入15个月即可收回成本, 以后每年可为公司节约用电约32万元。详见表1所示。 (以每度电费为1元计算)

3.7.2 对系统的正面影响

(1) 由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停, 消除了原来启动时大电流对电网的冲击, 用电环境得到了改善;

(2) 消除了启停水泵产生的水锤现象对管道、阀门、压力表等的损害, 消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击, 电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少, 机械部件的使用寿命得到延长;

(3) 由于水泵大多数时间运行在额定转速以下, 电机的噪声、温升及震动都大大减少, 电气故障也比原来降低, 电机使用寿命也相应延长;

(4) 由于采用了温差闭环变频调速, 提高了冷冻机组的工作效率, 提高了自动化水平。减少了人为因数的影响, 大大优化了系统的运行环境、运行质量。

4 结语

通过前面的分析得知, 对于新建的中央空调系统, 通过对水系统管路的优化设计、变频技术的利用和水泵的科学选型, 完全可以实现中央空调系统水泵的节能运行。而对于多数仍然工作在工频工况下的中央空调系统中的水泵, 通过改造, 将变频技术应用到其中, 也能实现水泵的节能运行。虽然这两种状况下的中央空调系统的投资增大了, 但从长远的经济利益来看是很值得的, 对中央空调系统的节能运行是完全可行的, 也符合国家的节能政策。

参考文献

[1]孙志高, 虞林堂.空调循环水系统泵的选择与节能分析[J].能源工程, 2000, (2) :25-26.

[2]秦伦, 胡茂朝.中央空调系统循环水泵扬程的合理选择[J].煤炭工程, 2002, (10) :44-46.

[3]尹贞勤.某旅馆空调水系统设计缺陷及解决方法[J].安徽建筑, 1999, (3) :81.

中央空调循环水泵系统论文 篇4

文章以中国人民银行某支行为工程案例:该处中央空调控制室紧靠办公室, 噪声污染严重。针对这种现象, 我们以水泵电机为被控对象, 以冷却水和冷冻水温度为被控参数, 以变频器频率为控制参数, 以PLC为控制器, 组成中央空调水泵温度控制系统, 研发一套可行的PID算法进行PLC程序设计。通过变频改造水泵系统后, 实现空调主机水温的定值控制, 噪声也大大减少。

1 中央空调控制系统理论

中央空调控制系统具有时变、非线性和大滞后等特点, 一般控制通过检测负荷末端水温来确定室内温度, 实际上不同季节、不同时间段用户需要室内温度是不一样的。通过实时检测冷却出水温度和冷冻回水温度控制水泵转速进而控制水流量[5], 最后系统稳定在设定的温度, 从而保证室内温度在舒适合理的范围。

如图1所示为中央空调系统变频供水原理, 将各管道的水温度通过温度传感器转换成4-20m A电流信号, 并将此信号反馈到PLC中, 通过PLC内部运算, 将温度反馈信号与给定值相比较, 经过比例、积分、微分等环节调节输出到变频器, 控制水泵的转速, 进而改变水泵转速来改变管道中水流量。执行机构为变频器控制的水泵, 对象为管道中水流量, 反馈信号 (测量值) 是冷却水和冷冻水温度。

PID调节[6]输入和输出的关系为:

式中:KP-比例系数;TI-积分时间常数;TD-微分时间常数;e (t) -偏差信号;u (t) -输出控制信号

2 系统硬件设计

2.1 I/O口分配表

经过详细分析系统工艺要求, 本系统的主要输入输出点数为:开关量输入点数为32个, 开关量输出点数为20个, 模拟量输入点数为8个, 其地址分配表如表1所示。

2.2 主要硬件组成

该系统硬件部分主要由西门子CPU226和6AV6 648-0BC11-3AX0触摸屏, 外部扩展模块EM223、EM221和EM231, 施耐德LC1-D3201交流接触器和C65D断路器, 欧姆龙MY-4J中间继电器, 易能EDS1000-4T-0150P变频器, 广州北泽DN100电动开关法兰蝶阀等电气元件组成, 全部装配到一个电气控制柜中。考虑到现场控制环境恶劣, 开关量输入输出的数量、模拟量输入精度互锁等方面情况, 选用西门子CPU226作为控制器[7], 输出端主要控制各个中间继电器和接触器。编程用个人PC, 方便现场编制程序和调试。

3 系统软件设计

PID控制参数的整定不是唯一的, 从中央空调实际应用角度, 只需被控对象符合实际要求即可。该系统采用经验法试凑出三个参数值[8];结合对过程曲线的观察, 确定软件设计方案:考虑首次开机室内热量较大, 首先水泵系统在工频50Hz运行25分钟后直接进入PID调节, P=1, I=5, D=0, 经实际运行后符合要求。

3.1 PLC主程序设计

如图2所示, 系统开始时初始化50ms定时器, 配置好PID参数和初始化变频器基准频率, 若选择进入时间设置子程序, 则可设置当前时间, 定时开启时间等, 否则判断系统是否自动运行, 若进入手动子程序, 则可手动控制电动阀, 手动设置变频器频率驱动电机等, 当系统进入自动运行, 电动阀开启和读取各管道温度传感器后CPU与变频器通讯进行PID自动调节, 系统有故障产生则停机报警, 否则稳定运行。

3.2 上位机监控系统设计

监控系统是利用西门子Win CC (Windows Control Center) 编写的。在主界面中, 可以监控冷却水泵和冷冻水泵的运行状态, 电动阀的开启状态和各个温度测试点的温度值。设计了停止/启动按钮, 一键式启停整个中央空调系统。另外消音按键可保证不会频繁发出报警声音, 整套系统无需设置过多复杂界面, 仅需设置与PLC中寄存器链接, 界面简单友好, 使用便捷。

4 控制系统调试

4.1 水泵频率测试

系统开机由于工况最大需要25分钟工频运行后进入PID自动调节, 变频器测试数据如图3所示, 冷却泵从自动调节到稳定的时间为16分钟, 冷冻泵稳定需要5分钟, 最后分别稳定在基准频率35Hz和39Hz上。与原来整天运行在工频电机相比, 实现了电能节约和降低电机噪音功能。

4.2 中央空调温度测试

从图4可以看出, 当主机开启后, 系统工频运行25分钟后进入PID自动调节, 冷却出水温度设定37℃, 调节时间为31分钟, 超调量为6.23%, 误差为0.2℃;冷冻回水温度设定14℃, 调节时间为23分钟, 误差为0.3℃, 两者温度平均误差为0.25℃, 稳定后室内满足人员舒适度。可见整套系统调节过程超调量在合理范围, 调节时间适中, 能让整套中央系统较快进入变频工作状态。

注:①为冷却泵频率与时间关系图;②为冷冻泵频率与时间关系图

注:①为冷却出水温度;②为冷冻回水温度

5 结束语

系统投入使用以来一直能够稳定运行, 用户反应良好最终通过验收。该系统利用变频控制中央空调水泵系统, 实现适当调节室内温度功能和解决降低噪音污染等问题, 而且提高了温度控制的稳定性和精确性, 该系统可使温度控制精度达到0.25℃的误差范围, 同时提高设备的自动化程度, 较好减少了工作人员的劳动强度和操作失误, 使用方便, 具有很好的应用前景。

参考文献

[1]高守玮.基于CORTEX-M3ARM的变频调速节能控制器设计[J].仪表技术与传感器, 2010, 1:58-60.

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[5]周洪煜.集中空调水系统的变流量节能改造[J].重庆大学学报, 2006, 12 (29) :41-44.

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[7]王明武.基于Lab VIEW的层压机模糊PID温度测控系统研究[J].仪表技术与传感器, 2013, 11:75-77.

火电厂循环水泵变频驱动控制系统 篇5

1.1 汽轮机的最有利真空度

目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道, 运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件, 于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度, 但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时, 循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性, 由于真空度提高汽轮机功率的增量△N1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率△N2。显然, 汽轮机的最有利真空Peco (又称为经济真空) , 应位于净增功率△N=△N1-△N2的最大值处, 此时汽轮机工作在经济运行方式[3]。Dw为冷却水流量, p为汽轮机的凝汽器真空, ΔN为功率差值, ΔN在冷却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加, 到点a达到最大, 如果再进一步增大冷却水水流量, ΔN反而开始减小, 直至为零。但当到达c点时, 汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达到极限, 汽轮机功率不会再增加, 故c点所对应的真空称为极限真空。由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值peco就是最有利真空, a点所对应的冷却水水量Deco就是最佳冷却水水量。

1.2 最有利真空度的计算

由上述分析可以看出, 改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益△N, 确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中, 利用工控机 (IPC) 调用各种参数数据, 可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用, 本文根据工程实际经验, 采用以下计算原则。

1.2.1 根据循环水量增加以前的测试数据, 计算出凝汽器的传热系数和冷却水速修正系数φν1。

1.2.2 根据循环水量增加以后的测试数据, 计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。

由公式:

求出增加循环水量后的传热系数k2。

1.2.3 假设一个排汽压力Pn, 计算出传热等效平均温差△tm2。

由公式:

式中A为凝冷器换热面积, r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量Dn2。

如果Dn2的值满足下式:

(式中Dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量) 则认为Pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式, 应重新设定排汽压力值进行计算, 直至满足为止。

1.2.4 根据排汽压力Pn, 计算出相对真空和提高的真空度。

1.2.5 根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费, 就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益△N。

1.2.6 按照以上步骤重复计算不同流量下增加的经济效益△N, 可以确定最有利真空的位置peco。

由以上计算分析的原则, 控制系统可以通过上位机 (IPC) 实时计算最有利真空的数值, 由此作为依据 (PID调节器的设定值) , 来调节循环水泵的运行台数和运行转速, 控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置, 保证机组的经济运行。

1.3 循环水流量的调速控制方式原理

水泵的管阻特性曲线可用公式 (4) 表示:

式中Sf为管网阻力系数, HST为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压力差之和, 它是个定值。SfQ2为总的水阻力损失, 它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与H~Q曲线的交点即为水泵运行的工况点[5]。

当汽轮机的蒸汽负荷改变时, 循环水泵的流量要随之变动 (假设流量从QA降为QB) 。有两种方法可以改变流量:一种是通过改变给水调节阀的开度 (节流调节方式) , 使管网阻力系数Sf改变, 从而改变管阻特性曲线, 这时水泵运行的工况点变为B, 对应的流量是QB, 扬程是HB。另-种方法是通过改变水泵的转速, 改变水泵的特性曲线, 这时水泵运行的工况点为A’, 转速由n A降到n A’, 流量也为QB, 而扬程为HA’。

可以看出, 与调速方式相比, 调节阀门流量的控制方式中有HB-HA’的扬程浪费在管网中;当在低负荷等工况运行时, 冷却水的流量由于只能靠调节阀门控制, 造成阀门两端压差很大, 很大的能量消耗在阀门上, 长期运行能耗十分严重。并且当这个差值很大的时候, 有可能导致管网破裂, 造成重大经济损失。因而循环水泵采用调速运行, 节能效果是很显著的。

2 汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计

2.1 系统的控制原理

该系统主要由由3台水泵、1台变频器、IPC、PLC、PID以及线性压力传感器等组成。

工控机 (IPC) 作为上位机, 主要负责火电厂的运行检测和监控, 并在线计算最有利真空值, 为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统, 用来控制循环冷却水流量。

2.2 循环水泵的调速控制

由2.1和2.2的分析可知, 最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用PLC和PID设计了一个反馈控制系统。其中, PLC控制着各台水泵的运行状态 (工频、变频、停止) , 从而控制水泵的运行台数, 在大范围上控制循环水的流量;PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节, 在小范围上控制循环水的流量, 从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。

参考文献

[1]糜若虚, 宋元明.大型电动调速给水泵[M].北京:水利电力出版社, 1990

中央空调循环水泵系统论文 篇6

在传统供热系统设计中, 通常仅在热源处设置循环水泵, 其扬程根据最不利环路的阻力确定, 各用户通过调节阀门消耗多余的资用压头来进行流量分配, 这样会在运行时存在过多的无效电能。

为解决这一问题, 采用分布式循环水泵的设计, 取消了独立的热网循环泵, 热源处设置循环泵的功能是承担热源内部的水循环, 而换热站内循环泵既有承担热网循环泵的热媒输送功能, 又有在热用户建立必要的资用压头的功能, 并能通过变频装置实现变流量调节。

该设计基本消除了无效电耗, 且不用安装电动调节阀。该系统不但降低了能耗, 而且有利于热网水力平衡, 给热用户提供了非常好的保障。

1 工程概况

该工程为沈阳市长白新城区域集中供热工程, 规划总供热面积1136.25万m2, 综合热指标为50W/m2, 最终建设70座换热站, 供、回水设计温度为130℃/70℃, 设计压力1.6MPa。热源建设与热负荷相对应, 最终规模为4台70MW热水锅炉和4台90MW热水锅炉, 供热能力为640MW。

2 系统设计

2.1 分布式循环系统

分布式循环系统的构造如图1所示。

系统与传统供热系统的最大不同之处在于增加了均压管和换热站一级网循环泵。均压管的作用是使其管内的压降接近为0, 即均压管内为同一压力值, 从而起到稳压的作用, 借以减少管路间水力工况的相互干扰。在热源循环泵的出口处至均压管之间, 安装定压旁通管 (管径为DN25～DN40, 视母管管经而定) , 其上装设压力传感器和手动平衡阀, 压力传感器反映均压管的压力, 手动平衡阀可调整均压管 (即压力传感器) 的压力值。

安装定压旁通管的指导思想是将均压管的压力值调节控制为系统恒压点压力值, 其目的一是为了让均压管更好地发挥解耦作用, 提高系统的工况稳定性;二是使均压管按相邻管段同直径设计, 不再增大管径, 有利于系统的施工安装。

2.2 热源循环泵设计

热源循环泵的选择, 重点是确定设计扬程, 即热源内部水循环系统的总压力损失, 一般取12～15m。而设计流量的确定与传统设计方法相同, 即为供热系统的总设计流量, 其值取决于供热系统总热负荷和供、回水设计温度。循环水泵扬程、流量一般不需要增加余量系数。

2.3 换热站一级网循环泵设计

换热站内的一级网变频循环泵设置在回水管上, 这样可以不需要采用高温水泵, 减少投资。选择2台循环泵同时使用 (不设备用) , 均为变频, 单台泵的流量按设计流量的60%考虑, 扬程按设计扬程100%选型, 设计扬程为从热源至该换热站的供、回水沿程阻力损失与站内损失之和, 应根据水力计算确定。运行初期和末期只启动一台泵, 最冷月时同时启动2台并保证同频运行, 若此时1台泵发生事故, 根据水泵特性曲线, 另一台泵的流量和扬程仍可满足事故状态下的供热量保证率。

现以最不利用户编号为4#的换热站为例, 供热面积40000m2, 则采暖热负荷undefinedMW。

设置2台循环水泵, 均为变频, 单台泵流量为设计流量的60%, 扬程为设计扬程的100%。

单台一级网循环泵设计流量undefined。

一级网循环泵扬程为:

H=Hw+Hy (1)

式中:H—一级网循环泵的扬程, m;

Hw—网络主干线供、回水管的压力损失;

Hy—换热站站内阻力损失, 取Hy=10m。

根据水力计算得Hw=32.73×2=65.46m, 则H=65.46+10=75.46m。则单台一级网循环泵选型参数为:流量18t/h, 扬程76m, 满足设计要求。

3 系统水压图的绘制

该工程共建设70个换热站, 绘制其系统水压图首先确定系统的静压线, 静压线的确定需保证系统不汽化、不倒空、不超压。该工程采用分布式回水加压设计, 静压线分为控制静压线和实际静压线。

控制静压线的确定:以热源标高为基准标高±0.0m, 考虑到热源供热参数为130℃/70℃运行, 130℃水汽化压力为17.6m, 最高处换热站比热源循环水泵出口高10m, 换热站充水高度4m, 另外考虑3～5m的裕度, 可以确定该工程控制静压线为37m。

实际静压线的确定:控制静压线与最不利环路供水管压力损失及换热站内的压力损失之和, 为实际静压线高度。

表1给出了由水力计算得到的各站沿程阻力损失及流量, 其中最不利环路供水管压力损失为32.73m, 换热站内的压力损失为10m, 可以确定该工程实际静压线为79.73m。

取热源内部水循环系统的总压力损失为15m, 结合传图水压图绘制方法即可画出该系统主干线水压图, 如图2所示。

4 节能分析

对该系统的节能分析的主要方法是与传统的设计方法做对比, 为此需要分别计算传统供热系统热源循环泵轴功率Pn和分布式系统的循环泵轴功率Pm。

假设系统供回水管道完全对称, 共有j个用户, 第j个热用户为最不利热用户, 各热用户的资用压头相等, 根据特兰根定律, 则传统供热系统热源循环泵轴功率Pn的计算式为:

undefined

式中:Pn—传统供热系统热源循环泵的轴功率, kW;

q—热源循环泵的流量, m3/h;

H—热源循环泵的扬程, m;

η—热源循环泵的效率, 取η=70%;

Δhs—热源内的压力损失, 取Δhs=15m;

Δhu—换热站内的压力损失, 取Δhu=10m;

HA—最不利环路总沿程阻力损失, m。

由表1可知, q=8143.13m3/h, H=15+32.73×2+10=90.46m, 代入式 (2) , 计算得Pn≈2873kW。

当采用分布式系统设计时, 零压差点位于热源出口处。此时热源循环泵提供的扬程只用于克服热源内部压头损失, 此时循环泵总的轴功率为热源循环泵及各站一级网循环泵的轴功率Pm的总和。

undefinedundefined

式中:Pm—分布式系统循环泵的轴功率, kW;

q—热源循环泵的流量, m3/h;

qi—第i个换热站循环泵的流量, m3/h;

Hi—第i个换热站与热源之间的总沿程阻力损失, m;

η—循环泵的效率, 取η=70%;

n—热用户的总数;

Δhs—热源内的压力损失, 取Δhs=15m;

Δhu—换热站内的压力损失, 取Δhu=10m。

根据表1中数据, 计算得Pm≈1353kW, 节能1520kW, 节电率undefined。

以上分析中计算流量是按供/回水温度为130℃/70℃时取值, 但是实际运行时需要进行运行调节, 各站的流量会发生变化。因此整个采暖期中计算循环水泵的实际轴功率时, 计算流量还要在设计流量上乘以平均系数k。

undefined

式中:tn—采暖室内设计温度, 取tn=18℃;

tpj—采暖期室外平均温度, 取tpj=-5.7℃;tw—采暖期室外计算温度, 取tw=-19℃。

代入数据, 得k=0.64。又根据式 (2) 、式 (3) 及表1中数据, 得:

传统供热系统热源循环泵的实际轴功率Pm′≈1839kW。

分布式系统循环泵的实际轴功率Pm′≈866kW。节能973kW, 节电率undefined, 数值不变。

5 结语

1) 对于分布式循环水泵系统, 换热站越多、流量越大、供热距离越长, 节能效果越好, 节能率越大。

该系统运行时实际静压线较高, 造成热源补水泵扬程较大, 耗电量增加, 但是只占总耗电量的很小一部分, 影响不大。

2) 零压差点位于热源出口处时, 系统的节能率最高, 与供热系统的供热规模、热负荷分布、系统形式都是无关的。

3) 分布式循环水泵的方案基本消除了无效电耗, 没有多余的资用压头需要节流, 不需要采用电动调节阀。

各换热站一级网流量通过各换热站内分布式回水加压泵的变频装置调节, 可是实际工程中不可能完全消除无效电耗, 因此在站内可以设置手动调节阀作为变频水泵调节能力的补充, 有利于热网的水力稳定性。

参考文献

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中央空调循环水泵系统论文 篇7

关键词：火电厂,循环水泵,汽轮机

一、汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制

(一) 汽轮机的最有利真空度。

目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道, 运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件, 于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度, 但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时, 循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性, 由于真空度提高汽轮机功率的增量△N1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率△N2。显然, 汽轮机的最有利真空Peco (又称为经济真空) , 应位于净增功率△N=△N1-△N2的最大值处, 此时汽轮机工作在经济运行方式。因此, 我们应经过计算分析确定出对汽轮机的最有利真空, 并以此为依据来控制冷却水的流量, 使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置, 以保证机组在经济运行方式下工作。

(二) 最有利真空度的计算。

由上述分析可以看出, 改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益△N, 确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中, 利用工控机 (IPC) 调用各种参数数据, 可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用, 本文根据工程实际经验, 采用以下计算原则。

1.根据循环水量增加以前的测试数据, 计算出凝汽器的传热系数和冷却水速修正系数φν1。

2.根据循环水量增加以后的测试数据, 计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。由公式:

求出增加循环水量后的传热系数k2。

3.假设一个排汽压力Pn, 计算出传热等效平均温差△tm2。由公式:

式中A为凝冷器换热面积, r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量Dn2。如果Dn2的值满足下式:

式中Dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量, 则认为Pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式, 应重新设定排汽压力值进行计算, 直至满足为止。

4.根据排汽压力Pn, 计算出相对真空和提高的真空度。

5.根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费, 就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益△N。

由以上计算分析的原则, 控制系统可以通过上位机 (IPC) 实时计算最有利真空的数值, 由此作为依据 (PID调节器的设定值) , 来调节循环水泵的运行台数和运行转速, 控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置, 保证机组的经济运行。

二、汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计

(一) 系统的控制原理。

该系统主要由3台水泵、1台变频器、IPC、PLC、PID以及线性压力传感器等组成。工控机 (IPC) 作为上位机, 主要负责火电厂的运行检测和监控, 并在线计算最有利真空值, 为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统, 用来控制循环冷却水流量。

(二) 循环水泵的调速控制。

由上文的分析可知, 最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用PLC和PID设计了一个反馈控制系统。其中, PLC控制着各台水泵的运行状态 (工频、变频、停止) , 从而控制水泵的运行台数, 在大范围上控制循环水的流量;PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节, 在小范围上控制循环水的流量, 从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。系统采用的REX-CD901 PID调节器, 内嵌模糊控制技术和参数自整定技术, 调节品质优良。它的输入设定值来自上位机根据蒸汽负荷和冷却水温度等参数计算出的最有利真空值, 反馈值为由压力传感器检测的汽轮机的实际运行的真空值。根据设定值和反馈值, PID自动调整变频器的频率给定输入, 从而控制变频器的输出电压, 进而控制循环水泵的转速, 实现循环水流量的稳定控制。

(三) 控制系统的硬件设计。

系统选用的PLC为Siemens S7-200 CPU226, 用来控制三台水泵的运行逻辑 (加减泵、切换、热备、故障处理) , 并检测系统的状态 (电机运行方式、变频器频率上/下限、各种故障等) , 实现系统的全自动运行。由此, 系统可根据最有利真空的位置, 实时调节循环水泵的冷却水流量, 实现最有利真空经济运行。此外, 为了在故障或检修时保证循环水泵可靠运行和设备安全, 该系统还具有自动/手动切换功能和指定运行功能。三、应用优点循环水泵变频控制系统具有以下优点:一是与节流调节方式相比, 调速方式提高了真空度的控制精度, 改善了汽轮机机组运行的经济性能。二是适应主机调频的需要。定速泵已不能适应这大中型机组的启停和低负荷运行。调速给水泵的出口压力是可变的, 因此能满足调频机组给水压力的需要。三是提高机组的安全可靠性。当系统发生故障时, 调速水泵可降低转速运行, 降低给水压力和流量, 在排除事故以后, 机组即可重新启动参与运行。

四、结语

本文通过分析汽轮机的经济运行方式, 设计了一种汽轮机最有利真空控制系统。该系统能够根据最有利真空的计算值, 通过控制循环水泵的运行台数和转速来调整循环水流量, 使电机组汽轮机工作在最有利真空位置, 实现经济运行的目的。其控制技术先进, 精度高、稳定可靠。另外, 本文给出了一种计算最有利真空值的简便方法。该系统对于改变目前大多数热电厂循环泵控制精度差、自动化程度低、能源浪费严重的状况, 具有重要的现实意义。可广泛地应用于供水、供暖、油田等其他行业领域, 将会产生巨大的经济效益, 应用前景广阔。

参考文献

[1].糜若虚, 宋元明.大型电动调速给水泵[M].北京:水利电力出版社, 1990