变频技术在核岛冷冻水系统中的应用研究

刘小源

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

在民用、工业等领域中，空调系统的变频节能改造已成为降低能耗的主要措施之一。目前变频技术在国内外已相当成熟，变频技术对于负荷变化较大的系统具有良好的应用价值。但对于核电厂来说，变频技术在冷冻水系统的应用尚属空白。

由于核电工艺的特殊性以及环境条件的复杂性，要求冷冻水系统具有对宽范围负荷变化的适应能力，在冬季工况、夏季工况、过渡季节工况、冷停堆工况以及事故工况等不同工况下均能正常运行，冷水机组和水泵的配置必须满足夏季最大负荷要求。为适应负荷变化，核岛冷冻水系统采用的调节方式为定流量调节。核岛冷冻水系统用户盘管下游设置二通调节阀，供回水总管设置旁通管线，或直接采用三通调节阀，非满负荷工况时通过阀门调节流量，剩余流量通过旁通回流。

然而，定流量调节带来的缺点是能耗显著增大，尤其在冬季低负荷运行工况下，冷冻水系统的制冷能力被白白浪费，对核电厂的经济性造成不利影响。

由于核岛工况复杂，较公用设施厂房冷冻水系统及民用冷冻机组而言，核岛冷冻水系统需要适应的负荷变化范围更广。因此本文以核岛冷冻水系统为例，研究其应用变频技术的可行性和经济性。

1 可行性分析

1.1 系统模型构建

1.1.1 核岛冷冻水系统用户特点

核岛冷冻水系统用户包括核岛四大厂房、核岛各公用设施厂房内通风系统的盘管和就地空调机组，以及核岛前沿工艺系统的换热器等。通风空调系统多采用直流通风系统，受室外气象参数影响加大，一年中负荷变化幅度较大。

用户在不同工况下均有冷负荷需求。对于通风系统来说，正常运行工况下，室外温度高于设计温度(一般为16 ℃)时，即需要冷冻水系统提供冷源，冷负荷在0到最大值之间变化；对于安全级系统来说，系统在应对不同的事故工况时，也需要冷冻水系统提供冷源。

以防城港二期项目部分典型冷冻水系统用户为例，冷负荷需求工况统计见表1。

表1 典型冷冻水系统用户冷负荷需求

根据核岛冷冻水系统用户特点可知，相比于民用冷冻水系统，核岛冷冻水系统的用户较多，应对工况复杂，全年均需正常运行，除夏季工况可以满负荷运行外，绝大多数工况是在低负荷工况下运行。故如采用节能措施，节能效果会更为明显。本文即围绕应对低负荷工况有较强节能效果的变频技术进行讨论。

1.1.2 核岛冷冻水系统配置

由于不同用户系统对不同工况有不同的运行要求，故核岛冷冻水系统需保证在冬季工况、夏季工况、过渡季节工况、冷停堆工况以及事故工况等不同工况下均能正常运行。根据用户冷负荷需求，构建核岛冷冻水系统模型。

核岛冷冻水系统模型选用闭式冷冻水回路，由冷冻机组、冷冻水泵、末端设备及管路系统等组成，原理图如图1所示。

图1 核岛冷冻水系统原理图

1.2 变频技术应用方案

根据目前已有的变频技术应用方式，可能应用于核岛冷冻水系统的变频技术有如下几种。

1.2.1 冷水机组优化设计方案

变频技术一直是提高运行灵活性、降低运行能耗的热门解决方案之一，但由于早期变频器的技术限制和高昂的成本，一直未广泛应用于冷水机组中。近期，随着电力电子技术、微电子技术的发展，高性能的变频调速器的技术越来越成熟，调速器的成本也开始降低，变频调速的驱动装置在冷水机组中的应用已成为现实。

核岛冷冻水系统可考虑通过冷水机组压缩机的变频，实现制冷机组变负荷运行。根据文献[1]所述，在负荷为90%以上时，变频机比常规机的单位制冷量耗功量大，这是因为室内温度高时，变频机与常规机都处于满负荷情况下运行，而变频机比常规机多了一个变频器，而变频器的功率为357.6 kW(400 V/894 A)，因此在负荷为90% 以上(接近满负荷)时，变频机比常规机的单位制冷量耗功量大。在90% 负荷以下变频机均比常规机节能。由于设计考虑冷负荷时附加了一个安全系数，所以大部分冷水机组在多数的使用时间内负荷都是在90% 以下，所以使用变频机在大多数情况下是节能的。

在负荷为80% 左右时，单位制冷量耗功量最小，随着负荷的进一步下降，机组的效率也有所下降，耗功量增加，这主要受离心式冷水机组的效率与负荷关系的影响。可见在相同的外界条件下运行，在80% 负荷左右变频机与常规机单位制冷量耗功量相差最大，因此如果变频机组与常规机组若长期维持在80% 左右的负荷下运行，将得到最佳的节能效果。此时单位制冷量功耗可减少33%。平均单位制冷量耗电量可减少15%。由此可估算一台变频机组代替常规机组后，一年的运行费用平均可减少15%。

冷水机组进行压缩机变频调节可以有效的提高制冷压缩机性能和能效比，但由于压缩机低速限制，低负荷条件下运行会导致压缩机频繁启停，压缩机变频运行调节范围窄，压缩机性能和效率显著下降[2]。如将压缩机变频调节应用于核岛冷水机组，需验证和优化变频机组压缩机的可靠性，性能预测、加卸载逻辑可靠性，变频器的性能及可靠性等。同时，部分核岛冷水机组为核级设备，设备的抗震和鉴定费用和难度也需要在初期研发过程中考虑。

由于制冷机的变频影响因素较多，技术相对复杂，且应用变频技术首次投入成本较高，降低了冷水机组优化变频技术的节能优势，故关于制冷变频应用后续再进行研究，本文不予深入讨论。

1.2.2 冷冻水泵变频控制方案

通过在冷冻水泵上加装变频器，通过改变泵的转速调节流量，从而达到节能的目的。

根据文献[3]所述，针对我国内地和香港特别行政区共39座建筑进行的调研，其中冷冻泵全年能耗与中央空调制冷站全年能耗之比大多集中在10%～20%。通过实地调研，部分建筑的冷冻水泵能耗组成比例甚至可以达到空调总能耗的37%，因此，冷冻水泵的能耗是空调系统能耗的重要组成部分。

节能改造中通常采用的策略是进行水泵的变频改造。目前，国内外有多篇文献对变频技术进行理论研究，并已进行了实际应用。通过对申请重庆市节能改造重点城市建设示范的68个项目进行统计，其中31%的建筑节能改造措施中包括冷冻水泵变频改造。由此可见，此方法在民用、工业等领域内得到了广泛应用。

核岛冷冻水系统相对于常规民用、工业等领域主要差异为运行工况及安全分级，在设备技术层面没有限制因素，因此，在民用及工业冷冻水系统变频改造广泛的理论分析和示范项目数据的支持下，将冷冻水泵变频控制方案应用于核岛冷冻水系统中是可行的。

1.2.3 冷冻水泵变频控制主要方式

冷冻水泵变频技术的关键是确定合理的变频控制方式。水泵变频控制方式主要有以下两种。

(1)温差控制方式

温差控制的原理为当空调负荷减小时，供回水温差减小，系统通过温差传感器将这一信号传递给变频器，控制水泵减速运行，减小水流量，使温差增大到传感器的温差设定值，反之控制水泵增速运行，使温差减小到传感器的温差设定值。

文献[4]分析了变频控制方式对系统运行的稳定性、可靠性以及节能量的影响，指出温差控制存在反应慢、易受干扰、不能根据负荷变化准确分配各用户所需的冷冻水量、不能提供适当的水压且稳定性和可靠性较差的缺点。

文献[5]通过对不同建筑物的温差控制方式的原理进行分析，指出温差控制方式更适合于水系统水力平衡好、系统较小、房间功能比较简单的情况。

文献[6]指出冷冻水泵采用温差控制在工程中出现的不多，主要原因是这类设计有一定限制，外网各空调用户均需按同一规律性同步变化，否则容易出现管网水力失衡问题。

以上文献较一致地表明了温度控制方式适应范围较窄，而核岛冷冻水系统末端支路调节阀随不同工况有大幅调整，不是按室外参数规律性同步变化，故温差控制方式更适合常规工业厂房冷冻水系统，对于应对事故工况的核岛冷冻水系统来说适用性不强。

(2)压差控制方式

压差控制方式的原理为部分负荷下，室内温控器根据室内温度的变化来改变电动调节阀的开度，从而引起供回水管压差的变化，压差传感器将这一信号传送给变频器，与设定值进行比较，从而控制水泵的转速[7]。

文献[4]分析了各种变频控制方式的特点及适用场合，指出压差控制方式的优点是反应灵敏，一旦系统中某处压力发生变化，系统能及时感知并采取动作，这种控制方式已广泛应用于实际项目。

空调系统在运行时水系统流量在很大范围内变化，实际最不利环路可能从一个支路变为另一个支路，靠唯一的压差设定值，有可能会出现部分用户空调效果差或失效的现象，为保证系统正常运行，通常可以在几个有可能是最不利环路的供回水管上安装压差传感器，实际运行时根据其最小的压差控制水泵转速。

变压差控制方式需要设置较多的传感器，且控制过程较为复杂，日后的维护保养工作较重，适用于各空调支路上压差各不相同且需要精确控制的场合，也适用于传感器以及变频控制装置在整个空调系统当中的初投资比例较小的场合。

以防城港二期项目核岛冷冻水系统部分典型用户支路为例，支路压降如表2所示。

表2 典型冷冻水系统用户支路压降

由表2可知，核岛冷冻水系统不同支路间压差差异较大，且管线上已设有压差测量装置，改造较为简单。因此，压差控制方式更适合应用于核岛冷冻水系统。

2 经济性分析

2.1 计算公式

根据流体力学原理，流量Q(m3/h)与负荷G(kW)关系为：

G1/G2=Q1/Q2

(1)

根据水泵相似定律，流量Q(m3/h)、扬程H(m)、轴功率P(kW)和转速n(r/min)的关系为：

Q1/Q2=n1/n2

(2)

H1/H2=(n1/n2)2

(3)

P1/P2=(n1/n2)3

(4)

根据电磁学原理，三相异步电动机转差率s、磁极对数p、转速n(r/min)和供电电源的频率f(Hz)关系为：

n=60f(1-s)/p

(5)

所以，可以通过改变供电频率来改变电动机的转速，进而达到调节流量的目的。由于水泵的轴功率与转速的三次方成比例，当转速减小时水泵所需的轴功率大大减小，节能效益十分显著[3]。

但在实际改造应用过程中，变频之后水泵能耗的影响因素并非只有转速，而是与其所在管网系统的阻力变化等因素有关。根据文献[10]的理论分析，变频水泵的轴功率Nin可进行如下的计算分析：

(6)

式中，η1、η2、η3分别为变频器、电动机、水泵的运行效率；r为水的比重，N/m3；S为管网的阻力系数，kg/m7。

上式表明，变频水泵的轴功率的影响因素主要有水泵流量、不同流量下对应的各个部件设备的效率、管网的阻力系数。其中，变频水泵的流量处于一个变化的状态，区间上限为水泵的额定流量，下限为水泵自动保护停机的流量；管网的阻力系数与管网几何尺寸、沿程阻力系数、局部阻力系数、流体密度有关，本文采用压差控制方式，受阻力系数影响较小，可近似认为S为常数。

2.2 实际工况

以阳江5号机组参数为例，代入核岛冷冻水系统模型，分析应用变频技术后的能耗变化。

2.2.1 水泵综合效率

本文将变频器、电动机、水泵的运行效率的乘积称为综合效率。阳江5号机核岛冷冻水系统冷冻水泵满负荷运行时参数为：流量为376 m3/h，扬程为55 m。配套的变频器与电动机的效率值见表3[10]，根据各部件不同负荷率下对应的效率值可以计算得到这种配备方式下的综合效率值。

表3 变频水泵部分负荷下的综合效率

由表3可知，负荷率在70%以上时，综合效率在0.5以上；负荷率为50%～70%时，综合效率为0.4～0.5；负荷率在50%以下时，综合效率在0.4以下。因此，负荷率在50%以下时，综合效率过低，水泵运行效果较差，运行中应避免这一阶段经常出现。

2.2.2 负荷率

阳江5号机组核岛冷冻水系统不同工况负荷见图2。

图2 阳江5号机组核岛冷冻水系统不同工况负荷

阳江5号机组核岛冷冻水系统不同工况负荷率见图3。

图3 阳江5号机组核岛冷冻水系统不同工况负荷率

由上图可知，在冷停堆各工况下，负荷率为60%～80%，应用变频技术可较好地降低能耗；在正常运行冬季工况下，负荷率在35%左右，此时应用变频技术已无节能优势。

3 结论

本文通过分析变频技术应用于核岛冷冻水系统的可行性和经济性，得出的主要结论有：

1)核岛冷冻水系统基本运行原理与民用冷冻水系统一致，但核岛冷冻水终端用户空调系统多采用直流通风系统，受室外气象参数影响较大，且在复杂的核电工况下用户冷负荷需求差异较大，导致一年中负荷变化大于民用冷冻水系统。而变频技术的应用更能适应系统的变化，节能效果更明显，故核岛冷冻水系统更适合采用变频降耗，变频技术应用于核岛冷冻水系统具有可行性；

2)变频技术有空调主机优化设计、冷冻水泵变频控制等应用方案。冷水机组能耗在整个冷冻水系统中占比较高，变频应用节能效果明显，但由于设备的特殊性和复杂性，需联合设备厂家进行设备进一步研发。水泵变频控制改造难度较小，根据核岛冷冻水的特点，建议应用冷冻水泵压差变频控制方案；

3)影响变频水泵能耗的主要因素有水泵流量、不同流量下对应的各个部件设备的效率、管网的阻力系数，而不是简单地与转速的立方成正比的关系；

4)由于负荷率在50%以下时，变频水泵节能效果较差，而核岛冷冻水系统冬季工况下负荷率处于不利阶段，因此建议在冬季工况持续时间较短的南方项目可应用变频技术，处于严寒厂址的项目在夏季和过渡季节适用于变频技术，但在冬季应辅以其他控制调节方式，需待进一步研究。