PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用

PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行……
关键词：PLC 变频器 中央空调 节能改造

一、前言

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却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。

随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件。

二、问题的提出

1、原系统简介

我酒店的中央空调系统的主要设备和控制方式：100冷吨冷气主机2台，型号为三洋溴化锂蒸汽机组，平时一备一用,高峰时两台并联运行；冷却水泵2台,扬程28米,配用功率45 KW,冷水泵有3台，由于经过几次调整，型号较乱,一台为扬程32米，配用功率37KW, 一台为扬程32米，配用功率55KW, 一台为扬程50米，配用功率45KW。冷却塔6台，风扇电机5.5KW，并联运行。

2、原系统的运行及存在问题

我酒店是一间三星级酒店。因酒店是一个比较特殊的场所，对客人的舒适度要求比较高，且酒店大部分空间自然通风效果不好，所以对夏季冷气质量的要求较高。

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。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，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，造成了能量的极大浪费。

为了解决以上问题，我们打算利用变频器、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、冷却塔进行改造，以节约电能。

三、节能改造的可行性分析

改造方案是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，同时根据冷却水温度的高低，自动切投冷却塔散热风机，以达到节能效果。以下是分析过程：

1、 中央空调系统简介

中央空调系统结构图

在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计系数。根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%—30%，冷却塔的用电占8%—10%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。

2、泵的转速调节

根据异步电动机原理

n=60f/p(1-s)

式中：n:转速 f:频率p:电机磁极对数 s: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、冷却塔的控制

以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，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28℃为基数，温度每上升2℃，开启两台散热风机，每下降2℃，延时5分钟后停止2台风机，以达到节能效果。

四、节能改造的具体方案

1、主电路的控制设计

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。冷冻水泵及冷却水泵均采用一用一备的方式运行，使用一台变频器控制拖动两台水泵交替运行。将一台扬程较高的冷水泵作为备用。

以下为冷冻水泵与冷却水泵一次接线图：

2、功能控制方式

工作流程：

开机：开启冷水及冷却水泵，由PLC控制冷水及冷却水泵的启停，由冷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，同时PLC控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数。

停机：关闭制冷机，冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十分钟后自动关闭。
保护：由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护，压力偏低时自动开启补水泵补水。

五、变频节能技术框图及改造原理分析

下图为变频节能系统示意图

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。

六、实际调试注意事项

1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，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。

七、技术改造后的运行效果比较

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。改造后投入运行一年即可收回成本，以后每年可为酒店节约用电约12万元。

2、对系统的正面影响

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；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 ；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。

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。

八、结论

虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。这里我们也借鉴了其它一些酒店改造的经验和实际效果，进一步验正了利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造是可行的。可以达到我们当初设计的预期效果。

九、结束语

在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义