国家绿色低碳先进技术成果丨高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组设计制造技术
- 2024/3/21 8:58:24
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- 来源：中国环保产业协会
- 关键词:压缩机永磁同步电机
为更好推动科技成果转化和产业化应用，落实《关于构建市场导向的绿色技术创新体系的指导意见》，加速绿色低碳技术升级，科技部社发司委托中国环境保护产业协会组织编制了《国家绿色低碳先进技术成果目录》，并于2023年9月11日正式公布。为持续宣传推广《国家绿色低碳先进技术成果目录》成果，引导绿色低碳技术发展，中国环保产业协会将陆续在官微推送目录成果信息，敬请关注。
节能减排与低碳领域
01.技术名称
高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组设计制造技术
02.适用范围
以水为介质，夜间谷段电力(低电价)以低温冷冻冰形式储存冷量，白天用电高峰时段(高电价时)使用储存的低温冷冻水来作为冷源的冰蓄冷中央空调系统。特别适用于有峰谷电价差的大型制冷系统。
03.技术内容
技术原理
通过研制高效率、高转速、大功率的中高压变频系统，实现了大功率高速永磁电机变频调速，提升变频双工况机组的单机制冷量。通过“双工况多点气动设计方法”，均衡压缩机制冷和制冰双工况气动设计效率，满足机组制冷和制冰双工况压比高、变化大的要求，提高机组工况适应性，保证了机组制冷和制冰工况高能效。对于大冷量机组采用独立双系统串联逆流设计，满足了冰蓄冷大冷量和变负荷稳定运行的要求，提升可靠性。
主要创新点
(1)创新高压大功率变频系统。研制了一种通过对10kV等中高压电压的调节设计，将720V以下的电压作为变频装置的输入，0-720V输出作为变频装置的输出至压缩机电机端，实现高效率、高转速、大功率的中高压变频系统。解决了低压380V电机受导线承受能力限制、功率难以做大、生产时嵌线复杂，以及采用10kV等中高压直接输入变频器需要采用移相变压器和多模块级联、变频装置体积庞大且转速低的问题。
(2)高效双工况多点气动设计。针对机组制冷和制冰双工况压比高、变化大的特点，发明一种“双工况多点气动设计方法”，均衡压缩机制冷和制冰双工况气动设计效率。根据双工况多点气动设计方法，优化压缩机气动部件设计。研制了三元闭式全长叶片叶轮、 “低稠度”叶片扩压器和串列叶片回流器，保证机组双工况高能效，提高喘振隔离裕度，扩展运行范围。
(3)研制新型大功率高转速的永磁同步电机，采用低压成型绕组，满足660V额定电压输入，兆瓦级轴功率输出，并通过定转子冲片设计、冷却流道设计和主轴强度设计等，解决大功率电机冷却、轴承腐蚀、转子重和长所引起的刚性不足等一系列技术难题，成功实现了电机在10kV配电、兆瓦级轴功率输出条件下的高速运行。电机全工况运行效率在94%以上，最高可达97%。
(4)采用分段优化的智能模糊PID控制和逐级逼近目标的控制，保证机组启动过程水温平稳且控制精确，杜绝水温波动，延长制冰时间，提升制冰效率。采用了“四级”防喘措施，通过扩宽压缩机喘振裕量设计、变频调节防喘振控制、设置辅助热气旁通措施以及设置喘振保护使得机组在正常使用条件内无喘振运行。同时，关键部件采用冗余设计等措施，保证机组可靠。
(5)独立双系统串联逆流设计。既可均衡两压缩机的压缩比和负荷，提升效率，又可通过双压缩机联合运行，满足冰蓄冷大冷量和变负荷稳定运行的要求，提升机组可靠性。
图 双工况多点启动设计的自由曲面叶轮
04.节能与温室气体减排效果
以1台2400RT冰蓄冷双工况离心式冷水机组为例，对传统定频机组与高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组运行能耗进行简单对比。制冷按AHRI标准部分负荷时间权重，制冰按满负荷进行能耗计算。结果表明，高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组比传统定频离心式冰蓄冷双工况机组节约能耗约172万kW·h，节能26%。折算节约标准煤211.39t，减少二氧化碳排放量980.92t，减少二氧化硫排放量13.4t，减少氮氧化物排放量3.92t。
05.技术示范情况
项目已在29项工程中应用，如中国尊、北京大兴国际机场等大型集中供冷项目。
以珠海横琴冷站为例，其属于横琴多联供燃气能源站项目构成之一，与其配套管网负责横琴供冷项目。现阶段划分五大供冷片区，拟建9个冷站，总装机规模达30万冷吨，总投资近30亿元。其中的3号冷站已采用一台本项目2400冷吨机组LSBLX2400SVI，2017年7月投入使用至今，运行情况良好。
2017年9月，经合肥通用机电产品检测院进行委托检验，测得机组制冷工况(冷冻出水温度1.5℃～冷却进水温度32℃)制冷量7519.553kW，性能系数5.04；蓄冰工况(-5.6℃～30℃)制冰量6787.688kW，性能系数4.30，满足标称量。
06.投资估算
项目技术集成于高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组。设备设计寿命25年，制冷量2400RT的机组采购费用480万元/台。使用期间还需投资维护保养费用。
一台2400RT双工况机组年运行耗电量490万kW·h，按高峰时段电价1.1元/kW·h，峰谷电价比4:1，则低谷时段电价0.275元/kW·h，年运行电费约302万元。
07.投资回收期
假定使用定频单冷机组计算年运行费用570万元；而一台2400RT该技术机组年运行电费约302万元，相比全部采用定频单冷机组运行方案节约电费268万元。设备初投资480万元/台，则投资回收期为1.8年。
08. 技术成果转化推广前景
高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组具有突出的节能优势和对冰蓄冷系统的适应性，具有广泛的推广应用价值。目前我国每年公共建筑新增面积约3亿m2，如其中30%采用高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组，每年可节约电费11.5亿元，节煤96万t，减少二氧化碳排放260万t，减少二氧化硫排放3.5万t。
原标题：国家绿色低碳先进技术成果 |(七十五)高效永磁同步变频离心式冰蓄冷双工况机组设计制造技术
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