Центробежные холодильные установки с переменной скоростью вращения всех агрегатов  

T.Hartman, руководитель технологического отдела фирмы Hartman Co. (США), член подкомитета по холодильным установкам Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Часто случается, что программы выбора холодильных установок оценивают центробежные охладители с переменной скоростью вращения как малоэффективные по сравнению с установками с постоянной скоростью вращения. Это поставило под сомнение перспективы применения переменной скорости вращения в холодильных установках. Однако такие установки могут быть гораздо более эффективными в эксплуатации, чем охладители на постоянной скорости вращения, но только лишь в том случае, если используются специальные режимы эксплуатации, соответствующие уникальным свойствам этих агрегатов.

В настоящей статье показано, как эффективно использовать центробежные охладители с переменной скоростью вращения в холодильных установках центральных систем кондиционирования и каким образом можно улучшить их производительность. Кроме того, показано, что холодильные станции с переменной скоростью вращения всех агрегатов (холодильных машин, насосов охлаждающей воды, вентиляторов градирен) могут стать значительно эффективнее без дополнительных капиталовложений.

Рисунок 1. Сравнение графиков производительности центробежных холодильных машин с постоянной и переменной скоростью вращения   Переменная скорость при следующих температурах воды на входе в конденсатор: 29,4°С 23,9°С  18,3°С  12,8°С   Постоянная скорость при следующих температурах воды на входе в конденсатор:  29,4°С  23,9°С  18,3°С  12,8°С

Рисунок 2. «Естественный график» охладителя с переменной скоростью вращения   Температура воды на выходе из конденсатора:  35,0°С  29,4°С  23,9°С  18,3°С  «Естественный график» охладителя

Показатели производительности

Охладители с переменной скоростью вращения часто вообще не включаются в проекты холодильных станций, т. к. они до сих пор рассматриваются как дополнение к стандартной холодильной станции с постоянной скоростью вращения агрегатов. Если переменная скорость вращения все же используется, то только применительно к собственно охладителю (компрессорно-конденсаторному агрегату). В остальном холодильная станция эксплуатируется так же, как установки с постоянной скоростью. Однако обычная технология эксплуатации не может полностью использовать все возможности, предоставляемые переменной скоростью вращения, из-за различий в показателях производительности холодильных установок с постоянной и переменной скоростью вращения.

На рис. 1 показаны энергетические характеристики типовой холодильной установки с постоянной скоростью вращения в сравнении с такими же кривыми для установки аналогичной комплектации с переменной скоростью вращения ротора при различной холодильной нагрузке и различных температурах воды на входе в конденсатор. Графики на рис. 1 подразумевают тепловой поток, отведенный от воды к поверхности испарителя. Данное представление отображает удельное энергопотребление – полные затраты энергии на привод и механические потери, отнесенные к единице холодопроизводительности («тонна холода»)*, кВт/т. При построении графиков принято, что температура охлажденной воды на выходе из холодильной машины во всех случаях остается постоянной.

Рисунок 1 иллюстрирует два важных отличия в показателях производительности холодильных установок с переменной и постоянной частотой вращения:

1. При одной и той же температуре воды на входе в конденсатор центробежный охладитель с постоянной скоростью вращения характеризуется постоянными удельными энергозатратами в диапазоне нагрузки 50–100%, в то время как для установки с переменной скоростью вращения при нагрузке <100% эффективность возрастает (удельные энергозатраты снижаются).

2. Повышение эффективности холодильной установки при снижении температуры воды на входе в конденсатор для установки с переменной скоростью вращения более заметно.

Эти два фактора заставляют переосмыслить способ наиболее эффективной эксплуатации холодильной станции, если в ее состав входит охладитель с переменной скоростью вращения. Указанные различия помогают объяснить, каким образом можно конфигурировать холодильную станцию с охладителем переменной скорости, чтобы добиться большей эффективности, чем при использовании охладителей с постоянной частотой вращения, практически без дополнительных затрат. Вопросы стоимости будут отдельно рассмотрены ниже.

Эксплуатация охладителей

Инженеры и эксплуатационный персонал лучше знают холодильные установки с постоянной скоростью вращения. Поскольку эти установки имеют сравнительно гладкую характеристику удельного энергопотребления в широком диапазоне нагрузок (рис. 1), то специалисты обычно стараются снизить удельный вес дополнительного оборудования. Это приводит к эксплуатации холодильных установок при нагрузке, близкой к максимально возможной, т. к. при этом снижается доля в энергопотреблении насосов охлаждающей воды и вентиляторов градирен, которыми обычно комплектуются холодильные станции. Однако, как следует из рис. 1, охладители переменной скорости вращения более эффективно работают при нагрузках ниже 100%. При этом увеличение эффективности может быть значительным.

Чтобы определить, как обеспечить наиболее эффективную работу охладителей с переменной скоростью вращения, введем новую характеристику производительности – так называемый «естественный график» [1]. Рисунок 2 служит иллюстрацией концепции «естественного графика». Подобно кривым на рис. 1, «естественный график» подразумевает постоянную температуру охлажденной воды во всем диапазоне нагрузок. Однако кривые на рис. 2 сгруппированы по температуре воды на выходе из конденсатора, а не на входе, как в предыдущем случае. Использование значения температуры воды на выходе из конденсатора (так же, как и температуры охлажденной воды после испарителя) удобнее для оценки эффективности установки, т. к. позволяет не учитывать отдельно изменение расхода воды через конденсатор.

Например, если расход воды через конденсатор изменяется, то холодопроизводительность установки можно поддерживать постоянной только в том случае, если отслеживать температуру воды на выходе из конденсатора. Когда расход воды через конденсатор уменьшается, для поддержания постоянной температуры воды на выходе надо снижать температуру воды на входе. Вследствие этого увеличивается среднелогарифмическая разность температур в конденсаторе между хладагентом и охлаждающей водой, что компенсирует снижение теплообмена, вызванное уменьшением расхода воды. Наоборот, при увеличении расхода воды среднелогарифмическая разность температур снижается и компенсирует увеличение расхода охлаждающей среды. Этот показатель был использован для регулирования режима работы испарителей холодильных машин при различных нагрузках [2]. Хотя направление теплового потока в конденсаторе – противоположное, характеристики процесса теплообмена те же, поэтому оценка эффективности холодильной установки, основанная на температуре воды после конденсатора, позволяет не вносить поправку на изменение расхода охлаждающей воды через конденсатор.

Как видно из рис. 2, концепция «естественного графика» для охладителя с переменной скоростью вращения, работающего при определенной температуре воды на выходе из конденсатора, очень проста. Это геометрическое место точек, соответствующих максимальной эффективности холодильной установки для различных режимов по нагрузке и по температуре охлаждающей воды на выходе из конденсатора. Заметим, что наивысшая эффективность (минимальное значение кВт/т) для охладителя с переменной скоростью вращения при конечной температуре охлаждающей воды 29°C соответствует уровню нагрузки 63%. Эта точка лежит на кривой, соответствующей указанному значению температуры воды. «Естественный график» построен путем соединения аналогичных точек на кривых для каждой из рассмотренных температур.

Таким же образом «естественный график» может быть построен для условий применения с изменением температуры холодной воды. Поскольку «естественный график» представляет максимальную эффективность холодильной установки, становится понятно, что оптимальный режим эксплуатации должен быть как можно ближе к этому графику. Рисунок 2 показывает, что «естественный график, а следовательно, и нагрузка, соответствующая максимальной эффективности охладителей с переменной скоростью вращения, не совпадает с максимальной мощностью холодильной установки при любых значениях температуры воды, охлаждающей конденсатор.

Графики рис. 2 имеют тот же вид для разных типов охладителей с переменной скоростью вращения. Таким образом, методика эксплуатации этого оборудования должна отличаться от обычно применяемой для холодильных установок с постоянной скоростью вращения. Это одна из причин, по которой охладители с переменной скоростью вращения не работают с максимальной эффективностью, если используются стандартные приемы проектирования и эксплуатации холодильных установок.

Градирни и насосы охлаждающей воды

Другой способ повышения эффективности охладителей с переменной скоростью вращения – это использование того факта, что производительность таких охладителей в большей степени зависит от температуры воды, охлаждающей конденсатор (рис. 1). Оптимизации градирен было посвящено большое число исследований и разработок [3, 4, 5]. Однако при этом не уделялось должного внимания повышению эффективности работы насосов и вентиляторов градирен для холодильных установок с несколькими градирнями. Это происходило потому, что холодильные машины с постоянной скоростью вращения не столь чувствительны к снижению температуры охлаждающей воды, как установки с переменной скоростью.

В настоящее время, как правило, используются режимы эксплуатации с поддержанием постоянной скорости охлаждающей воды в конденсаторах. До того как стали применяться сетевые цифровые регуляторы холодильных установок, поддержание постоянной скорости воды в конденсаторах было обоснованным, т. к. имел место реактивный принцип регулирования холодильных машин: изменение температурного режима конденсатора вызывало изменение температуры охлажденной воды, контролировавшейся отдельным регулятором.

Управление вентиляторами градирен проектируется по-разному. Во многих случаях вентиляторы регулируются исходя из поддержания заданной температуры воды после градирни. Когда используются холодильные установки с переменной скоростью вращения, повышение производительности, достигаемое благодаря снижению температуры воды для охлаждения конденсатора, дает основание некоторым авторам рекомендовать указанное снижение температуры как принцип оптимизации. В других случаях предлагается увязывать температуру воды на выходе из градирни с температурой наружного воздуха по мокрому термометру или с другими параметрами. Однако почти всегда принципы оптимальной эксплуатации при снижении нагрузки холодильной станции предусматривают отключение насосов охлаждающей воды и вентиляторов градирен параллельно с отключением холодильных машин. Если используются охладители с переменной скоростью вращения, такой подход неэффективен, т. к. не позволяет при частичной нагрузке оптимально использовать все компоненты теплоотвода холодильных станций с несколькими градирнями.

Последовательное отключение градирен при уменьшении холодильной нагрузки происходит в условиях увеличения перепада температуры воды в градирне из-за снижения температуры окружающего воздуха. Соотношение между нагрузкой холодильной станции, температурой по мокрому термометру и перепадом температур охлаждающей воды в градирне показано на рис. 3. Данные рис. 3 получены на градирне с перекрестным течением в составе холодильной станции для системы центрального кондиционирования в районе г. Детройта (США). Холодильная станция состоит из трех холодильных машин с градирнями и насосами с постоянной скоростью вращения, которые регулируются по заданной температуре воды на выходе из градирни, при этом каждый охладитель обслуживается своей градирней. Расчетные параметры градирен: расход воды 0,05 мл/Дж, температура воды на входе 35oC. В обычном режиме эксплуатации охладители с градирнями отключаются по мере снижения нагрузки. При 100%-й нагрузке работают все охладители и градирни. При нагрузке 2/3 расчетной одна из групп «охладитель-градирня» отключается и нагрузка распределяется между двумя оставшимися. При снижении нагрузки до 1/3 остается одна холодильная машина с градирней. Ожидаемые температуры воздуха по мокрому термометру для указанных уровней нагрузки (рис. 3) соответствуют климату Детройта. Хотя расчетные значения максимальной температуры воздуха по мокрому термометру различаются, темп изменения холодильной нагрузки на системы комфортного кондиционирования в зависимости от этого показателя одинаков для большинства внутренних районов страны.

Принцип регулирования, основанный на поддержании максимально низкой температуры воды на выходе из градирни, подразумевает, что вентиляторы градирни работают с полной нагрузкой на каждой ступени регулирования холодопроизводительности (рис. 3). Перепад температур воды в градирне для каждого уровня нагрузки определен исходя из значений температуры охлаждающей воды на входе (после конденсатора). Исходя из значений перепада температур воды в градирне и температур воздуха по мокрому термометру, приведенных на графике, можно определить эффективность охлаждения для каждого уровня нагрузки. При таком режиме эксплуатации холодильной установки перепад температур охлаждающей воды возрастает при уменьшении холодильной нагрузки из-за снижения температуры окружающего воздуха. Это обстоятельство благоприятно для применения охладителей с переменной скоростью вращения, т. к. их эффективность также зависит от температуры охлаждающей воды.

Рисунок 3. Влияние температуры окружающего воздуха по мокрому термометру на перепад температур вградирне

Рисунок 4. Сравнение работы насоса и вентилятора градирни в обычном режиме и при переменной скорости вращения

Когда регуляторы холодильных машин и насосов включены в общую сеть, необходимость в поддержании постоянного расхода охлаждающей воды в конденсаторе отпадает, т. к. при таком регулировании обеспечивается согласованный отклик всех компонентов системы на изменение режима. При использовании сетевых цифровых регуляторов расход воды в испарителе и конденсаторе может изменяться в широких пределах без нарушения стабильности работы холодильной машины.

Если используется такой способ регулирования производительности холодильной установки, когда градирни все время остаются в работе, а производительность насосов и вентиляторов уменьшается при снижении холодильной нагрузки, можно добиться более существенного понижения температуры конденсации по сравнению с предыдущей схемой при тех же или меньших затратах энергии. Рисунок 4 иллюстрирует эффект изменения температуры воды на выходе из конденсатора для условий рис. 3 (последовательное отключение градирен). Там же показан вариант, когда используются насосы и вентиляторы переменной производительности при тех же энергозатратах для всех трех уровней нагрузки. В расчет энергозатрат для того и другого варианта включены затраты энергии на привод и потери энергии при переменной скорости вращения.

Как видно по рис. 4, при одних и тех же энергозатратах температура воды на выходе из конденсатора при использовании согласованного переменного режима работы вентиляторов и насосов оказывается ниже, чем при последовательном отключении градирен в соответствии со снижением нагрузки. Поскольку на рис. 4 сравниваются температуры воды на выходе из конденсатора, обеспечивается корректное сравнение двух режимов регулирования холодильной установки безотносительно к количеству воды, охлаждающей конденсатор. Расход воды через градирни изменяется при изменении производительности насосов, хотя градирни остаются в работе. Для того чтобы реализовать режим регулирования в соответствии с рис. 4, необходимы устройства, обеспечивающие надлежащее распределение воды при изменении производительности.

Рисунок 4 показывает, что уменьшение производительности насосов охлаждающей воды и вентиляторов без отключения градирен позволяет при снижении нагрузки на холодильную установку получить более низкую температуру конденсатора по сравнению с режимом ступенчатого отключения градирен без дополнительных затрат энергии. Были рассмотрены также другие методы регулирования насосов и вентиляторов. Некоторые из них предусматривают работу вентиляторов и насосов на полной мощности, другие предусматривают сочетание постоянной производительности насосов и переменной производительности вентиляторов градирен. Однако использование на стороне теплоотвода всех агрегатов с переменной производительностью, регулируемой в зависимости от нагрузки охладителя (также с переменной частотой вращения), позволяет получить наиболее высокие показатели эффективности всей холодильной установки при неполной нагрузке [6].

Холодильные установки с переменной скоростью вращения всех агрегатов

Существует тесная связь между режимом работы холодильной машины и системой отвода тепла. На этом основываются следующие правила, существенные для эксплуатации охладителей с переменной скоростью:

1. При использовании охладителей с переменной скоростью вращения наибольшая эффективность и простота обслуживания достигаются в том случае, если все холодильные машины обладают переменной скоростью вращения и одинаковой производительностью.

2. Чтобы одновременно использовать преимущества снижения температуры конденсации и снизить потребление энергии насосами и вентиляторами градирни, это оборудование также должно эксплуатироваться при переменной скорости вращения.

3. Следует стремиться к эксплуатации холодильных установок с равномерно распределенной нагрузкой между агрегатами при максимально возможном приближении к «естественному графику» и при координированном регулировании холодильных машин, насосов и вентиляторов на минимум энергопотребления. Такая координация проще всего достигается путем настройки производительности (т. е. частоты вращения) насосов и вентиляторов в зависимости от нагрузки по холоду без использования настройки на заданную температуру охлаждающей воды в конденсаторе или в градирне.

Эксплуатация холодильных установок с переменной скоростью вращения всех агрегатов: охладителей, насосов, вентиляторов – в режиме неполной загрузки может быть очень эффективной. Однако существует предельный уровень снижения нагрузки, которого можно достигнуть путем изменения частоты вращения. Как показано на рис. 2, эффективность охладителя возрастает при снижении нагрузки до некоторого пикового значения (естественный режим), а затем падает. То же самое имеет место и для агрегатов системы отвода тепла, однако точки максимальной эффективности не совпадают.

Нами разработана несложная технология эксплуатации, основанная на кривой естественного режима, устанавливающая порядок регулирования охладителей с переменной скоростью вращения и координированного управления насосами и вентиляторами в зависимости от изменения нагрузки. Применение указанной технологии обеспечивает эксплуатацию всего оборудования с максимально возможной эффективностью. Рассмотренный здесь естественный график охладителей и принцип регулирования в зависимости от нагрузки запатентованы.

Потребление энергии холодильными установками с переменной скоростью вращения всех агрегатов

Располагаемая экономия энергии при переходе на холодильные установки с переменной скоростью вращения взамен традиционных зависит от правильного проектирования и условий применения. Кроме того, это зависит от климатических условий. На рис. 5 представлена диаграмма сравнения среднегодовых энергозатрат, кВт/т, для центробежных холодильных установок с различными типами оборудования. Для оптимизированных систем с переменной скоростью вращения ожидаемый уровень энергозатрат находится в пределах 0,5–0,7 кВт/т в зависимости от области применения и номинальной эффективности оборудования. Моделирование и анализ, проведенные для 15 представительных климатических районов США, показывают, что среднее энергопотребление холодильных установок с переменной скоростью вращения, эксплуатируемых по «естественному графику» с регулированием частоты вращения в зависимости от нагрузки, может быть в среднем на 28% ниже, чем в полностью оптимизированных традиционных холодильных установках, эксплуатируемых на полной мощности, при условии одинаковой номинальной эффективности основного оборудования.

Рисунок 5. (увеличить) Среднегодовая эффективность холодильной станции, кВт/т (СОР). Потребление энергии включает привод охладителей, насосов охлаждающей воды, вентиляторов градирни; рассчитано для центробежной холодильной установки с электроприводом в системе комфортного кондиционирования при номинальной температуре холодной воды 5,6°С, с атмосферной градирней, типоразмер которой определен из условия максимальной температуры воды на входе в конденсатор 29,4°С. Разброс для климатических зон Северной Америки составляет 0,05 кВт/т

Сравнение капитальных затрат

Обычно принято считать, что холодильные установки с переменной скоростью вращения проигрывают по капитальным затратам, т. к. стоимость электродвигателей с регулированием скорости превышает стоимость стартеров для всех агрегатов: охладителей, насосов, вентиляторов. Однако легко показать, что во многих случаях установка охладителей с переменной скоростью вращения взамен традиционных того же типоразмера стоит примерно столько же. Рассмотрим графики удельной производительности на рис. 1. Эффективность охладителей с переменной скоростью вращения возрастает при падении нагрузки. Если проектная максимальная холодопроизводительность холодильной станции больше, чем пиковая нагрузка, это может служить резервом на аварийные ситуации, но в режиме пиковой нагрузки охладители и градирни будут задействованы не на полную мощность.

Как видно по рис. 1, при падении нагрузки ниже 90% охладитель на переменной скорости вращения работает более эффективно, чем на постоянной, при одинаковых номинальных КПД. Если принять во внимание оборудование для отвода тепла, различие будет еще более существенным. Несмотря на некоторое различие для разных типов холодильного оборудования, можно считать, что при одинаковой стоимости оборудования эффективность охладителей с переменной скоростью вращения выше, чем с постоянной; разница составляет примерно 0,06 кВт/т.

При нагрузке ниже 80% выигрыш в эффективности охладителя с переменной скоростью вращения будет иметь место даже в том случае, если номинальный КПД оборудования ниже, чем в установке той же стоимости с постоянной скоростью вращения. Таким образом, если холодильная установка проектируется с запасом по холодопроизводительности 20% и более, охладители с переменной скоростью вращения даже при пиковой нагрузке будут более эффективны в эксплуатации, чем обычные установки с постоянной скоростью, поскольку последние теряют эффективность при неполной нагрузке [7].

Во всех случаях, когда холодильная станция проектируется с запасом по холодопроизводительности (на случай аварии или с резервом мощности), номинальная эффективность оборудования должна определяться по фактической пиковой нагрузке обслуживаемого объекта, а не по полной холодопроизводительности установки. При таком подходе требования к номинальной эффективности охладителей с переменной скоростью вращения могут быть снижены, что приведет к уменьшению их стоимости. Эта экономия, вкупе с дополнительным выигрышем за счет эффективного сетевого регулирования, компенсирует дополнительные затраты на регулируемые электродвигатели, что позволяет использовать охладители с переменной скоростью вращения всех агрегатов как оптимальное альтернативное решение взамен установок с постоянной скоростью при одинаковой холодопроизводительности. Однако проектировщики проявляют осторожность при выборе оборудования, т. к. необходимо соблюдать требования стандартов, предписывающих определять номинальный КПД при полной нагрузке.

В перспективе применение охладителей с переменной скоростью вращения открывает новые возможности повышения эффективности оборудования. Многие холодильные машины, применяемые в режиме переменной скорости, не были специально спроектированы для этого режима. Просто на агрегатах постоянной скорости вращения производилась замена электродвигателей. Изготовители, поставляющие оборудование для холодильных станций с переменной скоростью вращения всех агрегатов, могут усовершенствовать холодильные агрегаты для режимов работы с неполной нагрузкой, значительно повысив их эффективность по сравнению с существующим уровнем. В то же время существует возможность значительного снижения капитальных затрат путем специализированной комплектации холодильных станций для использования в переменном режиме.

Охладители с переменной скоростью вращения могут быть проще по конструкции, лучше скомпонованы; количество типоразмеров потребуется меньше, чем для установок с постоянной скоростью вращения. Для малых холодильных станций затраты могут быть снижены благодаря использованию единого типоразмера в широком диапазоне нагрузок. Для крупных станций с несколькими холодильными машинами могут использоваться холодильные турбокомпрессоры более простой конструкции – без направляющих аппаратов.

Проектирование, приемка и эксплуатация

Компоновка холодильных станций с переменной скоростью вращения во многом такая же, как и для установок на постоянной скорости. Как обычно принято, водяные контуры испарителей и конденсаторов могут быть едиными для всей установки с водосборными коллекторами либо могут подразделяться на отдельные контуры для каждого холодильного агрегата со своей градирней и насосом (в зависимости от предпочтения владельцев, удобства размещения на месте и др.). Для холодильных станций с переменной скоростью вращения всех агрегатов желательно, чтобы все охладители были одного типоразмера с одинаковыми характеристиками, т. к. в этом случае легче осуществлять регулирование. Кроме того, поскольку такие установки эффективно работают при частичной нагрузке, нет необходимости компоновать холодильную станцию из агрегатов различной производительности. Однако при любой конфигурации холодильных станций должны, как обычно, соблюдаться рекомендации заводов-изготовителей по максимальным и минимальным значениям температур и расходов теплоносителей.

Для эффективной эксплуатации холодильных станций переменной скорости вращения с использованием «естественного графика» и регуляторов скорости вращения в зависимости от нагрузки необходима специальная методика управления. По сравнению с регулированием оптимизированных холодильных станций на постоянной скорости указанная методика часто оказывается более простой. Контроль температуры наружного воздуха по сухому и мокрому термометрам или температуры воды в градирне не является необходимым в случае использования охладителей переменной скорости вращения для систем комфортного кондиционирования.

Рисунок 6.(увеличить) Схема холодильной станции с переменной скоростью вращения всех агрегатов

Рассмотрим типовую схему с тремя охладителями (рис. 6). Хотя полная оптимизация холодильной станции должна включать и систему распределения холодной воды, для простоты обсуждения примем, что нагрузка и, соответственно, скорость вращения холодильных агрегатов определяются заданной температурой холодной воды. Помимо согласования работы всех включенных охладителей с целью равномерного распределения нагрузки между ними, должны соблюдаться правила, специфичные для установок с переменной скоростью вращения:

1. Регулирование охладителей/насосов/вентиляторов градирни производится с максимально возможным приближением к «естественному графику» охладителей.

2. Скорость вращения для насосов и вентиляторов градирни также по возможности оптимизируется при условии, что эти агрегаты постоянно находятся в работе.

Принципы настройки остальных регуляторов практически те же, что и для холодильных станций на постоянной скорости при аналогичной конфигурации. Регулирование по естественному графику означает, что контроллер должен каждый раз проверять соответствие эффективности охладителей максимальному значению, а также определять, способствует ли приближению всей станции к естественному графику отключение (или включение) одного из охладителей.

Был разработан обобщенный алгоритм для оценки текущего состояния путем измерения потребляемой мощности (кВт) и температур воды на выходе из конденсатора и испарителя. (Если на пульт управления холодильной станции выведены датчики холодильной машины, удобнее пользоваться не температурами воды, а значениями температур и давлений хладагента, в этом случае алгоритм регулирования холодильной машины будет более точным.) В формулах для определения рабочей точки на графике производительности охладителей используются значения потребляемой мощности и температур воды на выходе из испарителя и конденсатора. Ниже приводится формула, по которой можно производить достаточно точный расчет производительности охладителя с использованием этих показателей:

Q=C1 • [CPF^C2 • [DDT/ADT]^C3-1]-1,

где:

Q – фактическая производительность как доля от расчетной для каждого из работающих охладителей;

CPF – фактическое энергопотребление как доля от расчетного максимального для каждого из работающих охладителей;

DDT – расчетная разность температур воды на выходе из испарителя и конденсатора;

ADT – фактическая разность температур воды на выходе из испарителя и конденсатора;

С1–С3 – константы, определяемые по характеристикам установленного оборудования, которые имеются в документации поставщика.

Подобным же образом – как функция потребляемой мощности и разности температур воды после испарителя и конденсатора (фактической и расчетной) – может быть аппроксимирован «естественный график»:

QNC=f(DDT, ADT).

Для некоторых типов охладителей этот график может быть представлен линейной зависимостью (как на рис. 2):

QNC=C4•ADT+C5,

где:

QNC – производительность по «естественному графику» как доля от максимальной для текущих условий работы конденсатора и испарителя;

С4 и С5 – константы, значения которых определяются по рабочим характеристикам оборудования.

С учетом предыдущего, дополнительный охладитель должен включаться в работу каждый раз, когда при этом показатели всей работающей группы установок приближаются к «естественному графику». Таким образом, условие включения дополнительного охладителя формулируется следующим образом:

IF[Q-QNC]>[Q•n/(n+1)-QNC]

– включить охладитель.

Аналогично определяется ситуация, когда отключение одного из работающих охладителей позволяет приблизить оставшуюся группу к «естественному графику»:

IF[Q-QNC]<[Q•n/(n-1)-QNC]

– отключить охладитель,

где n – число работающих охладителей (если типоразмеры агрегатов различны, подразумевается число условных единиц оборудования).

Для практического применения этих обобщенных формул надо принимать в расчет еще некоторые факторы. Например, графики производительности охладителей на участке выше «естественного графика» более пологие, а ниже – более крутые. Поэтому обычно не рекомендуется эксплуатировать охладители с переменной скоростью вращения при производительности ниже «естественного графика». Это еще больше упрощает алгоритм управления включением/выключением охладителей. Кроме того, комплексное рассмотрение характеристик охладителей и теплоотводящего оборудования может вызвать необходимость некоторой корректировки «естественного графика». После того как это будет сделано, внесение поправок в формулы также не вызовет затруднений.

Вторым специфическим элементом регулирования режима работы холодильных установок с переменной скоростью вращения всех агрегатов является оптимизация режима насосов и вентиляторов градирни в зависимости от нагрузки обслуживаемых охладителей. Оптимальная производительность всей холодильной станции достигается в том случае, когда соотношение предельных значений производительности и потребляемой энергии одно и то же для всех вспомогательных агрегатов в ее составе. Это можно назвать «принципом эквивалентной предельной производительности». С использованием этого принципа была получена обобщенная формула для определения скорости вращения насосов и вентиляторов градирни, которая успешно применяется при эксплуатации многих холодильных станций систем кондиционирования воздуха:

RPM=[(CPF^C5-C6)/(1-C6)]^0,25 ,

где:

RPM – скорость вращения насоса или вентилятора как доля от максимальной;

CPF – мощность, потребляемая обслуживаемым охладителем как доля от максимальной;

С5 – константа, определяемая в зависимости от относительной максимальной проектной производительности насоса или вентилятора. Обычно при максимальном расчетном расходе охлаждающей воды 3 гал/мин/т (0,05 мл/Дж) и перепаде температур воды в градирне 4–7°C значение С5 для насосов и вентиляторов принимается равным 1 (базовое значение). Если использован меньший типоразмер оборудования, значение С5 уменьшается пропорционально снижению максимальной проектной производительности. Например, если расход охлаждающей воды составляет 0,04 мл/Дж, С5 примет значение 0,67 (2/3 базового значения). При использовании оборудования большего типоразмера показатель степени в уравнении алгоритма регулирования станет, соответственно, больше единицы.

С6 – отношение мощности, потребляемой насосом или вентилятором при 20%-й скорости вращения, к максимальной мощности привода.

При регулировании холодильных станций переменной скорости вращения по «принципу эквивалентной предельной производительности» не используются датчики температуры охлаждающей воды в градирне или в конденсаторе.

Рассмотренные выше обобщенные алгоритмы используются для управления загрузкой охладителей и скоростью вращения вентиляторов и насосов холодильных станций переменной скорости. Применение этих алгоритмов не вызывает затруднений. В дополнение к ним можно использовать предельные значения некоторых параметров, ограничивающие снижение производительности насосов. При этом расход воды через конденсатор поддерживается в пределах, рекомендуемых для уноса загрязнений. Кроме того, использование предельных значений температуры воды, охлаждающей конденсатор, поможет во всех случаях обеспечить соблюдение требований заводов-изготовителей. Эти предельные значения легко могут быть добавлены в программу управления, они надежно обеспечивают мягкий стартовый режим. Наличие граничных значений также помогает обслуживающему персоналу своевременно обнаружить перебои в работе оборудования. Регулирование по «естественному графику» и управление скоростью вращения насосов и вентиляторов в зависимости от текущей производительности охладителей может быть использовано практически для любых типов центробежных холодильных компрессоров, в том числе с воздушным охлаждением конденсаторов.

Для обеспечения энергоэффективной эксплуатации холодильных установок с переменной скоростью вращения всех агрегатов необходимо уделять внимание порядку их доставки, приемке и обслуживанию. Для этого были разработаны и опубликованы соответствующие регламентирующие документы [9], соблюдение которых важно для любых типов холодильных установок. Перечисленные ниже положения имеют особое значение при использовании холодильных установок с переменной скоростью вращения всех агрегатов:

1. Поставщики холодильного оборудования должны в своих контрактных предложениях указывать холодопроизводительность испарителя во всем рабочем диапазоне.

2. В документации поставщиков должны быть приведены результаты заводских испытаний, по крайней мере, одного из партии охладителей одинакового типа, свидетельствующие о соответствии производительности паспортным данным, а также описание мероприятий по устранению несоответствий, если они имели место.

3. Необходим легко реализуемый план приемки на монтажной площадке, предусматривающий проверку максимальной и минимальной скорости вращения агрегатов и расходов теплоносителей, а также работоспособность системы управления.

4. Необходим контроль производительности установки с целью предоставления обслуживающему персоналу текущей и статистической информации по показателю эффективности (кВт/т или СОР), подтверждающей долговременную устойчивость эксплуатационных характеристик.

Такой организованный и ответственный подход к эксплуатации холодильных установок с переменной скоростью вращения гарантирует их работу в заданном режиме и получение ожидаемых результатов – существенной годовой экономии энергии в течение всего срока службы.

Заключение

Разработан новый принцип управления холодильными установками с переменной скоростью вращения всех агрегатов, основанный на специфических особенностях указанного режима работы холодильных машин, а также регулируемой производительности насосов охлаждающей воды и вентиляторов градирни. Оптимизированные холодильные станции переменной скорости вращения позволяют получить существенную годовую экономию энергопотребления по сравнению с холодильными установками на постоянной скорости вращения при тех же капитальных затратах.

Технология регулируемой скорости вращения может быть применена к любому холодильному оборудованию этого типа с соответствующим результатом в части энергосбережения. Поскольку согласно оценке потребление энергии холодильным оборудованием в США составляет 20% от всего объема выработки электроэнергии [10], то потенциальная возможность экономии в этой области, зачастую без дополнительных инвестиций, побуждает стремиться к широкомасштабному внедрению рассмотренных систем. Применение оптимизированных холодильных установок с переменной скоростью вращения будет способствовать сокращению разрыва между технологическими уровнями производства и потребления электроэнергии. n

Литература

1. The Hartman Company. The Hartman LOOP Chiller Plant Design and Operating Technologies: Frequently Asked Questions. March, 2001.

2. Redden G. H. Effect of variable flow on centrifugal chiller performance. ASHRAE Transactions 102(2). 1996.

3. Braun J. E., Diderrich G. T. Near optimal control or cooling towers for chilled-water systems. ASHRAE Transactions 96(2). 1990.

4. Cascia M. A. Implementation of a near-optimal global set point control method in a DDC controller. ASHRAE Transactions. 2000.

5. Schwedler M. Take it to the limit… or just halfway? ASHRAE Journal. July, 1998.

6. Hartman T. B. LOOP’Chiller plant dramatically lowers chilled water costs. Renewable and Advanced Energy Systems fot the 21st Century. Lahaina, Hawaii. 1999.

7. Guven H., Flynn J. Commissioning TES systems. Heating, Piping, Air Conditioning Magazine. January, 1992.

8. Hartman T. Chiller plant control using gateway technologies. Heating, Piping, Air Conditioning Magazine. January, 2000.

9. Pacific Gas and Electric Company. Chilled water plant design guide. A report of the CoolTools Project. 2000.

10. Sartor D., Chen A. Green cooling: improving chiller efficiency. Center for Building Science Newsletter. Spring, 1996.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского О. П. Булычевой.