利用循环水泵变频控制实现冷库制冷节能

冷库制冷系统，是消耗电能较大的制冷设备。此系统都是按最高温、最大负荷来设计的，而冷库满负荷运行的时间不足80％，这样就会造成浪费，对循环水泵实施节能改造，已成当务之急。根据企业的实际情况，拟采用“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，对循环水泵和冷却塔进行控制试验，以节约电能。该研究项目既能满足教学需要，又能应用于冷库企业的生产中。

1  循环水泵变频节能的基本原理

冷库一般采用离心式水泵。经测定，循环水泵、冷却塔用电，约占冷库的总用电分别为25％-30％和8％-10％。因此，对循环水泵系统以及冷却塔的节能自动控制，是冷库制冷系统节能改造及自动控制的重要内容。

1.1  水泵的转速与各参数值的关系

根据流体学原理，有：q=Kq·n；H=KH·n ² ；P=KP·n ³ 。

式中，g-流量；n-转速；H—扬程；P-轴功率；

Kq 、KH和 KP均为比例系数。

由此可见，降低水泵的转速，可不同程支地减少水泵的各参数值。其中，水泵的流量q与转速n成正比；扬程H与转速的平方成正比；轴功率P与转速n的三次方成正比。因此，降低水泵的转速，可明显减少水泵能耗。例如，当频率厂值减少10％时，水泵的转速下降10％，而流量为原来的9O％，下降了1O％；扬程为原来的81％，减少了19％；水泵轴功率为原来的72.9％，节电27.1％，以此类推。

冷库制冷系统大部分时间在不满负荷状态下运行，换热量随之减少，此时若要维持机组的冷却水的进、出口温差不变，可减少冷却水流量，通过降低水泵的转速来实现节能。

1.2  泵的变频调速与节能

根据交流异步电动机的工作原理，转速：n=(60f/p)(1-s)

式中，F—频率；P—电机磁极对数；s—转差率。

可见，“改变电源频率、改变电机磁极对数和转差率”等3种方法，均可实现调节转速。根据交流电机的特性，变频调速的范围大，静态稳定性好，运行效率高。相比之下，其调速性能最好。

因此，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频调速器，将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节。采用变频器进行水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高控制和调节的精度。

2  循环水泵的变频节能控制方式

2.1  水泵转速的控制依据

压缩机组运行时，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。由于冷却塔的水温，是随环境温度而变的，其单侧水温不能准确地反映冷凝器内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，应以冷凝器进、出水的温差，作为控制水泵转速的依据。冷却水进、出水温差大，说明说明库内温度高系统负荷大，制冷压缩机组产生的热量大，需要冷却水带走的热量多，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的速度和流量；反之，温差小，则说明库内温度低，系统负荷小，制冷压缩机组产生的热量小，需要带走的热量少，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。循环水系统冷凝器的进、出水的温差，反映了需要进行热交换的热量的大小。

因此，根据冷凝器的进、出水的温差值，来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。在方案上，可采取采用变频器、PLC等构成的温差闭环自动调速系统，对循环水泵和冷却塔进行控制，以节约电能。

2.2  循环水泵的变频节能控制方式

循环水泵的变频节能控制方式是：PLC控制器通过温度模块及温度传感器，将冷凝器的进、出水温度读人控制器内存，并计算出温差值，然后根据冷凝器的进、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(循环水泵的变频控制原理见图1)。

         

图1 冷库循环水泵的变频控制原理

库温的高低，是由温度控制系统控制压缩机组“开、停”的时间间隔来实现的。冷库满负荷大，库温升高时，应开启压缩机组。为了制冷系统的安全，压缩机组开启前，必须保证循环水泵已经处于运行状态。因此，在设计上，可由PLC控循环水泵的启停，并由循环水泵的接触器向压缩机组的主控制继电器发出联锁信号，开启压缩机组，由“变频器、PLC、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；同时PLC根据温度传感器信号，自动选择冷却塔开启台数。当制冷系统运行一定的时间后，库温降低至设定值，压缩机组应停止运行。压缩机组停机后，循环水泵以及冷却塔应延时3min后自动关闭。

另外，可根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却塔风机依次开启，以30℃为基数，温度每上升3℃，开启两台散热风机，每下降3℃ ，延时5min后停止2台风机，以达到节能效果。在保护设置上，由压力传感器控制冷却水的缺水保护，压力偏低时自动开启补水泵补水。

2.3  循环水泵变频器的调试

相关设备安装完毕后，应将运行程序写入PLC，设定变频器的分级测试电器电路的工作状态，并逐级通电试车。其过程，可人为地改变冷库的负荷和冷凝器的进出水温差，观察泵的转速、流量是否随之变动，通过不断调整工作参数，定出压缩机组运行时，泵的最高和最低流量值，使变频器工作在一个合理的范围。另外系统在日常运行过程中，应注意经常测定、记录冷库各点的温度值，泵的流量和功率值，为及时修正变频器的工作参数，保证系统处于最佳运行状态，提供依据。

总之，经调试，应能确保在冷库的负荷减少和冷凝器的进、出水温差降低时，系统应能自动降低水泵的转速，减少冷却水流量，来实现节能。

3  循环水泵的变频节能效果实例分析

循环水泵采用变频调速后的节能效果，可以根据水泵运行负荷的变化情况进行计算。以一台IS100—80—160型离心泵为例，所配备的电动机额定功率为15 kW。根据运行要求，水泵连续24 h运行，其中每天5 h运行在90％的流量负荷；每天12 h运行在80％的流量负荷；每天7h运行在60％的流量负荷，全年运行时间在290 d左右。根据“水泵的转速与各参数值的关系”，可计算出表1的相关数据，并测算出一台IS1O0—80—160型离心泵每年的节电量。频率与水泵各参数值的对应关系见表1。

         

根据表1，可以计算出1 d(24 h)当中，三个时段分别的节约电量：

W1=15×5×27.1 ％×290=5894.25(kW·h)；

W2=15×12×48.8 ％×290=25473.6(1(kW·h)；

W3=15×7×78.4 ％×290=23872.8(kW·h)。

那么，可以计算出每年的合计节约用电量：

W _总 =W1+W2+W3=55240.65(kW·h)

若商业每度电按0.85元／(kW·h)计算，则每年可节约电费：

55240.65×0.85=46954.55=4.6954 （万元）

循环水泵采用了变频调速后，电机运行的功率因素一般在0.95以上，减少了无功功率的损耗，提高了用电系统的效率；还可实现软件控制起动，起动电流小，不仅改善了电机的起动性能，避免了电机起动时因大电流(一般电机起动电流是额定电流的5～7倍)对电网的干扰，减少了铜耗，还可减少因流体在管路系统中高速流动而产生的流动阻力，获得节能效果。另外，由于水泵多数时间在低于额定转速状态下运行，避免了频繁的起动、停机。因此，电机及水泵的机械冲击减少，且轴承、轴封等部件的机械磨损也减少，可靠性提高，延长了这些易损件的使用寿命；同时，电机运行的噪声、温升及震动都相应减少，电机的故障率也随之降低。

4  结束语

实践证明，冷库循环水泵系统利用变频调速，不但提高了制冷机组的运行效率，优化了系统的运行环境、运行质量，能够获得优良的节能效果，而且又能满足生产工艺的要求，减少设备的维修费用，是一种简单而有效的节能控制方式。从发展的角度来看，计算机集中控制、单板机分级控制，应是水泵变频节能调速系统的主要方向。然而，在具体应用过程中，应根据企业的实际情况，灵活地采取相应的控制方法，才能取得更好的效果。实施教学中，要注意从简单人手，首先使学生掌握变频技术的原理和基本方法，然后再掌握利用变频技术应用于循环水泵控制的基本原理和合理步骤，达到能够举一反三、推广运用的目的。

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