變頻技術(shù)在核島冷凍水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉小源

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

在民用、工業(yè)等領(lǐng)域中，空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能改造已成為降低能耗的主要措施之一。目前變頻技術(shù)在國內(nèi)外已相當(dāng)成熟，變頻技術(shù)對于負(fù)荷變化較大的系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用價值。但對于核電廠來說，變頻技術(shù)在冷凍水系統(tǒng)的應(yīng)用尚屬空白。

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

然而，定流量調(diào)節(jié)帶來的缺點(diǎn)是能耗顯著增大，尤其在冬季低負(fù)荷運(yùn)行工況下，冷凍水系統(tǒng)的制冷能力被白白浪費(fèi)，對核電廠的經(jīng)濟(jì)性造成不利影響。

由于核島工況復(fù)雜，較公用設(shè)施廠房冷凍水系統(tǒng)及民用冷凍機(jī)組而言，核島冷凍水系統(tǒng)需要適應(yīng)的負(fù)荷變化范圍更廣。因此本文以核島冷凍水系統(tǒng)為例，研究其應(yīng)用變頻技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

1 可行性分析

1.1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1.1 核島冷凍水系統(tǒng)用戶特點(diǎn)

核島冷凍水系統(tǒng)用戶包括核島四大廠房、核島各公用設(shè)施廠房內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的盤管和就地空調(diào)機(jī)組，以及核島前沿工藝系統(tǒng)的換熱器等。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)多采用直流通風(fēng)系統(tǒng)，受室外氣象參數(shù)影響加大，一年中負(fù)荷變化幅度較大。

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

以防城港二期項(xiàng)目部分典型冷凍水系統(tǒng)用戶為例，冷負(fù)荷需求工況統(tǒng)計見表1。

表1 典型冷凍水系統(tǒng)用戶冷負(fù)荷需求

根據(jù)核島冷凍水系統(tǒng)用戶特點(diǎn)可知，相比于民用冷凍水系統(tǒng)，核島冷凍水系統(tǒng)的用戶較多，應(yīng)對工況復(fù)雜，全年均需正常運(yùn)行，除夏季工況可以滿負(fù)荷運(yùn)行外，絕大多數(shù)工況是在低負(fù)荷工況下運(yùn)行。故如采用節(jié)能措施，節(jié)能效果會更為明顯。本文即圍繞應(yīng)對低負(fù)荷工況有較強(qiáng)節(jié)能效果的變頻技術(shù)進(jìn)行討論。

1.1.2 核島冷凍水系統(tǒng)配置

由于不同用戶系統(tǒng)對不同工況有不同的運(yùn)行要求，故核島冷凍水系統(tǒng)需保證在冬季工況、夏季工況、過渡季節(jié)工況、冷停堆工況以及事故工況等不同工況下均能正常運(yùn)行。根據(jù)用戶冷負(fù)荷需求，構(gòu)建核島冷凍水系統(tǒng)模型。

核島冷凍水系統(tǒng)模型選用閉式冷凍水回路，由冷凍機(jī)組、冷凍水泵、末端設(shè)備及管路系統(tǒng)等組成，原理圖如圖1所示。

圖1 核島冷凍水系統(tǒng)原理圖

1.2 變頻技術(shù)應(yīng)用方案

根據(jù)目前已有的變頻技術(shù)應(yīng)用方式，可能應(yīng)用于核島冷凍水系統(tǒng)的變頻技術(shù)有如下幾種。

1.2.1 冷水機(jī)組優(yōu)化設(shè)計方案

變頻技術(shù)一直是提高運(yùn)行靈活性、降低運(yùn)行能耗的熱門解決方案之一，但由于早期變頻器的技術(shù)限制和高昂的成本，一直未廣泛應(yīng)用于冷水機(jī)組中。近期，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能的變頻調(diào)速器的技術(shù)越來越成熟，調(diào)速器的成本也開始降低，變頻調(diào)速的驅(qū)動裝置在冷水機(jī)組中的應(yīng)用已成為現(xiàn)實(shí)。

核島冷凍水系統(tǒng)可考慮通過冷水機(jī)組壓縮機(jī)的變頻，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行。根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述，在負(fù)荷為90%以上時，變頻機(jī)比常規(guī)機(jī)的單位制冷量耗功量大，這是因?yàn)槭覂?nèi)溫度高時，變頻機(jī)與常規(guī)機(jī)都處于滿負(fù)荷情況下運(yùn)行，而變頻機(jī)比常規(guī)機(jī)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(fù)荷為90% 以上(接近滿負(fù)荷)時，變頻機(jī)比常規(guī)機(jī)的單位制冷量耗功量大。在90% 負(fù)荷以下變頻機(jī)均比常規(guī)機(jī)節(jié)能。由于設(shè)計考慮冷負(fù)荷時附加了一個安全系數(shù)，所以大部分冷水機(jī)組在多數(shù)的使用時間內(nèi)負(fù)荷都是在90% 以下，所以使用變頻機(jī)在大多數(shù)情況下是節(jié)能的。

在負(fù)荷為80% 左右時，單位制冷量耗功量最小，隨著負(fù)荷的進(jìn)一步下降，機(jī)組的效率也有所下降，耗功量增加，這主要受離心式冷水機(jī)組的效率與負(fù)荷關(guān)系的影響。可見在相同的外界條件下運(yùn)行，在80% 負(fù)荷左右變頻機(jī)與常規(guī)機(jī)單位制冷量耗功量相差最大，因此如果變頻機(jī)組與常規(guī)機(jī)組若長期維持在80% 左右的負(fù)荷下運(yùn)行，將得到最佳的節(jié)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(jī)組代替常規(guī)機(jī)組后，一年的運(yùn)行費(fèi)用平均可減少15%。

冷水機(jī)組進(jìn)行壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)可以有效的提高制冷壓縮機(jī)性能和能效比，但由于壓縮機(jī)低速限制，低負(fù)荷條件下運(yùn)行會導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁啟停，壓縮機(jī)變頻運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍窄，壓縮機(jī)性能和效率顯著下降[2]。如將壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用于核島冷水機(jī)組，需驗(yàn)證和優(yōu)化變頻機(jī)組壓縮機(jī)的可靠性，性能預(yù)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(jī)組為核級設(shè)備，設(shè)備的抗震和鑒定費(fèi)用和難度也需要在初期研發(fā)過程中考慮。

由于制冷機(jī)的變頻影響因素較多，技術(shù)相對復(fù)雜，且應(yīng)用變頻技術(shù)首次投入成本較高，降低了冷水機(jī)組優(yōu)化變頻技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢，故關(guān)于制冷變頻應(yīng)用后續(xù)再進(jìn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述，針對我國內(nèi)地和香港特別行政區(qū)共39座建筑進(jìn)行的調(diào)研，其中冷凍泵全年能耗與中央空調(diào)制冷站全年能耗之比大多集中在10%～20%。通過實(shí)地調(diào)研，部分建筑的冷凍水泵能耗組成比例甚至可以達(dá)到空調(diào)總能耗的37%，因此，冷凍水泵的能耗是空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分。

節(jié)能改造中通常采用的策略是進(jìn)行水泵的變頻改造。目前，國內(nèi)外有多篇文獻(xiàn)對變頻技術(shù)進(jìn)行理論研究，并已進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。通過對申請重慶市節(jié)能改造重點(diǎn)城市建設(shè)示范的68個項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計，其中31%的建筑節(jié)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(yè)等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

核島冷凍水系統(tǒng)相對于常規(guī)民用、工業(yè)等領(lǐng)域主要差異為運(yùn)行工況及安全分級，在設(shè)備技術(shù)層面沒有限制因素，因此，在民用及工業(yè)冷凍水系統(tǒng)變頻改造廣泛的理論分析和示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)的支持下，將冷凍水泵變頻控制方案應(yīng)用于核島冷凍水系統(tǒng)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(shù)的關(guān)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(dāng)空調(diào)負(fù)荷減小時，供回水溫差減小，系統(tǒng)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(yùn)行，減小水流量，使溫差增大到傳感器的溫差設(shè)定值，反之控制水泵增速運(yùn)行，使溫差減小到傳感器的溫差設(shè)定值。

文獻(xiàn)[4]分析了變頻控制方式對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及節(jié)能量的影響，指出溫差控制存在反應(yīng)慢、易受干擾、不能根據(jù)負(fù)荷變化準(zhǔn)確分配各用戶所需的冷凍水量、不能提供適當(dāng)?shù)乃畨呵曳€(wěn)定性和可靠性較差的缺點(diǎn)。

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

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

以上文獻(xiàn)較一致地表明了溫度控制方式適應(yīng)范圍較窄，而核島冷凍水系統(tǒng)末端支路調(diào)節(jié)閥隨不同工況有大幅調(diào)整，不是按室外參數(shù)規(guī)律性同步變化，故溫差控制方式更適合常規(guī)工業(yè)廠房冷凍水系統(tǒng)，對于應(yīng)對事故工況的核島冷凍水系統(tǒng)來說適用性不強(qiáng)。

(2)壓差控制方式

壓差控制方式的原理為部分負(fù)荷下，室內(nèi)溫控器根據(jù)室內(nèi)溫度的變化來改變電動調(diào)節(jié)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(shè)定值進(jìn)行比較，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速[7]。

文獻(xiàn)[4]分析了各種變頻控制方式的特點(diǎn)及適用場合，指出壓差控制方式的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)靈敏，一旦系統(tǒng)中某處壓力發(fā)生變化，系統(tǒng)能及時感知并采取動作，這種控制方式已廣泛應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目。

空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行時水系統(tǒng)流量在很大范圍內(nèi)變化，實(shí)際最不利環(huán)路可能從一個支路變?yōu)榱硪粋€支路，靠唯一的壓差設(shè)定值，有可能會出現(xiàn)部分用戶空調(diào)效果差或失效的現(xiàn)象，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，通常可以在幾個有可能是最不利環(huán)路的供回水管上安裝壓差傳感器，實(shí)際運(yùn)行時根據(jù)其最小的壓差控制水泵轉(zhuǎn)速。

變壓差控制方式需要設(shè)置較多的傳感器，且控制過程較為復(fù)雜，日后的維護(hù)保養(yǎng)工作較重，適用于各空調(diào)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(diào)系統(tǒng)當(dāng)中的初投資比例較小的場合。

以防城港二期項(xiàng)目核島冷凍水系統(tǒng)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(tǒng)用戶支路壓降

由表2可知，核島冷凍水系統(tǒng)不同支路間壓差差異較大，且管線上已設(shè)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(yīng)用于核島冷凍水系統(tǒng)。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 計算公式

根據(jù)流體力學(xué)原理，流量Q(m3/h)與負(fù)荷G(kW)關(guān)系為：

G1/G2=Q1/Q2

(1)

根據(jù)水泵相似定律，流量Q(m3/h)、揚(yáng)程H(m)、軸功率P(kW)和轉(zhuǎn)速n(r/min)的關(guān)系為：

Q1/Q2=n1/n2

(2)

H1/H2=(n1/n2)2

(3)

P1/P2=(n1/n2)3

(4)

根據(jù)電磁學(xué)原理，三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率s、磁極對數(shù)p、轉(zhuǎn)速n(r/min)和供電電源的頻率f(Hz)關(guān)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(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時水泵所需的軸功率大大減小，節(jié)能效益十分顯著[3]。

但在實(shí)際改造應(yīng)用過程中，變頻之后水泵能耗的影響因素并非只有轉(zhuǎn)速，而是與其所在管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力變化等因素有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的理論分析，變頻水泵的軸功率Nin可進(jìn)行如下的計算分析：

(6)

式中，η1、η2、η3分別為變頻器、電動機(jī)、水泵的運(yùn)行效率；r為水的比重，N/m3；S為管網(wǎng)的阻力系數(shù)，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(yīng)的各個部件設(shè)備的效率、管網(wǎng)的阻力系數(shù)。其中，變頻水泵的流量處于一個變化的狀態(tài)，區(qū)間上限為水泵的額定流量，下限為水泵自動保護(hù)停機(jī)的流量；管網(wǎng)的阻力系數(shù)與管網(wǎng)幾何尺寸、沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、流體密度有關(guān)，本文采用壓差控制方式，受阻力系數(shù)影響較小，可近似認(rèn)為S為常數(shù)。

2.2 實(shí)際工況

以陽江5號機(jī)組參數(shù)為例，代入核島冷凍水系統(tǒng)模型，分析應(yīng)用變頻技術(shù)后的能耗變化。

2.2.1 水泵綜合效率

本文將變頻器、電動機(jī)、水泵的運(yùn)行效率的乘積稱為綜合效率。陽江5號機(jī)核島冷凍水系統(tǒng)冷凍水泵滿負(fù)荷運(yùn)行時參數(shù)為：流量為376 m3/h，揚(yáng)程為55 m。配套的變頻器與電動機(jī)的效率值見表3[10]，根據(jù)各部件不同負(fù)荷率下對應(yīng)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(fù)荷下的綜合效率

由表3可知，負(fù)荷率在70%以上時，綜合效率在0.5以上；負(fù)荷率為50%～70%時，綜合效率為0.4～0.5；負(fù)荷率在50%以下時，綜合效率在0.4以下。因此，負(fù)荷率在50%以下時，綜合效率過低，水泵運(yùn)行效果較差，運(yùn)行中應(yīng)避免這一階段經(jīng)常出現(xiàn)。

2.2.2 負(fù)荷率

陽江5號機(jī)組核島冷凍水系統(tǒng)不同工況負(fù)荷見圖2。

圖2 陽江5號機(jī)組核島冷凍水系統(tǒng)不同工況負(fù)荷

陽江5號機(jī)組核島冷凍水系統(tǒng)不同工況負(fù)荷率見圖3。

圖3 陽江5號機(jī)組核島冷凍水系統(tǒng)不同工況負(fù)荷率

由上圖可知，在冷停堆各工況下，負(fù)荷率為60%～80%，應(yīng)用變頻技術(shù)可較好地降低能耗；在正常運(yùn)行冬季工況下，負(fù)荷率在35%左右，此時應(yīng)用變頻技術(shù)已無節(jié)能優(yōu)勢。

3 結(jié)論

本文通過分析變頻技術(shù)應(yīng)用于核島冷凍水系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，得出的主要結(jié)論有：

1)核島冷凍水系統(tǒng)基本運(yùn)行原理與民用冷凍水系統(tǒng)一致，但核島冷凍水終端用戶空調(diào)系統(tǒng)多采用直流通風(fēng)系統(tǒng)，受室外氣象參數(shù)影響較大，且在復(fù)雜的核電工況下用戶冷負(fù)荷需求差異較大，導(dǎo)致一年中負(fù)荷變化大于民用冷凍水系統(tǒng)。而變頻技術(shù)的應(yīng)用更能適應(yīng)系統(tǒng)的變化，節(jié)能效果更明顯，故核島冷凍水系統(tǒng)更適合采用變頻降耗，變頻技術(shù)應(yīng)用于核島冷凍水系統(tǒng)具有可行性；

2)變頻技術(shù)有空調(diào)主機(jī)優(yōu)化設(shè)計、冷凍水泵變頻控制等應(yīng)用方案。冷水機(jī)組能耗在整個冷凍水系統(tǒng)中占比較高，變頻應(yīng)用節(jié)能效果明顯，但由于設(shè)備的特殊性和復(fù)雜性，需聯(lián)合設(shè)備廠家進(jìn)行設(shè)備進(jìn)一步研發(fā)。水泵變頻控制改造難度較小，根據(jù)核島冷凍水的特點(diǎn)，建議應(yīng)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(yīng)的各個部件設(shè)備的效率、管網(wǎng)的阻力系數(shù)，而不是簡單地與轉(zhuǎn)速的立方成正比的關(guān)系；

4)由于負(fù)荷率在50%以下時，變頻水泵節(jié)能效果較差，而核島冷凍水系統(tǒng)冬季工況下負(fù)荷率處于不利階段，因此建議在冬季工況持續(xù)時間較短的南方項(xiàng)目可應(yīng)用變頻技術(shù)，處于嚴(yán)寒廠址的項(xiàng)目在夏季和過渡季節(jié)適用于變頻技術(shù)，但在冬季應(yīng)輔以其他控制調(diào)節(jié)方式，需待進(jìn)一步研究。