空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)①

姜磊 梁琦

（1：浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000；2：長春工業(yè)大學(xué) 吉林 長春 130012）

1 前言

預(yù)冷系統(tǒng)是空分設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，它串接于空氣壓縮系統(tǒng)和分子篩吸附系統(tǒng)之間，用來降低進(jìn)分子篩吸附器空氣的溫度與含水量。主要由空冷塔、氨冰機(jī)、水泵、過濾器、管道閥門和儀表電控部分等組成。合理地使用預(yù)冷系統(tǒng)有利于空分設(shè)備長期安全運(yùn)行［1］。預(yù)冷空氣在空冷塔內(nèi)經(jīng)常溫水和冷凍水兩次冷卻，對空冷塔冷卻水流量有一定要求，浪費(fèi)能源太大，能引起空冷塔液位超高，造成分子篩帶水事故發(fā)生，水流太小冷卻效果不佳，不能滿足工藝要求。當(dāng)前的流量調(diào)節(jié)根據(jù)工況需要通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給水量其輸入功率大，大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。因此采用變速調(diào)節(jié)的方法，不僅能改變泵的特性，在較大范圍內(nèi)改變排量和壓頭，而且能保持較高的效率，節(jié)約大量能源。除了其明顯的節(jié)能效果外，也從根本上解決了起動(dòng)沖擊問題，對改善電網(wǎng)電壓、延長設(shè)備壽命等有很大好處［2］。本文通過對流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及采用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源目的。

2 電能損耗與冷卻水關(guān)系分析

根據(jù)冷水機(jī)組特性，在不同負(fù)荷下運(yùn)行的節(jié)能情況來看，負(fù)荷率越低，制冷量越少，耗電量必然也就越小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析負(fù)荷在100% ～40%之間，隨著負(fù)荷的下降，每產(chǎn)生1kW冷量的耗電比滿負(fù)荷時(shí)少，而負(fù)荷在100% ～40%時(shí)，隨著負(fù)荷的下降每產(chǎn)生1kW冷量的耗電均比滿負(fù)荷大。因此，為了“節(jié)能”必須將冷水機(jī)組控制在100%～40%之間運(yùn)行；另外若使用離心機(jī)的話，它采用進(jìn)氣口導(dǎo)向器葉片開度的變化來調(diào)節(jié)制冷量的大小，制冷量過小也會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

在定頻運(yùn)行情況下，冷卻水泵開啟就會(huì)滿負(fù)荷運(yùn)行，考慮系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)，若采用了變流量系統(tǒng)，這種運(yùn)行方式的冷卻水流量、冷水機(jī)組容量都可以和各種負(fù)荷情況有效配合，能起到節(jié)能的目的。

3 優(yōu)化控制設(shè)計(jì)原理

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)一年中氣溫變化較大，制冷主機(jī)冷負(fù)荷變化較大，水系統(tǒng)大部分時(shí)間在大流量、小溫差狀態(tài)下運(yùn)行的特點(diǎn)，將冷卻水系統(tǒng)與變頻器有機(jī)結(jié)合，形成環(huán)狀系統(tǒng)，通過負(fù)荷的變化而改變電源頻率，達(dá)到通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制冷卻水流量目的。這樣既提高了水泵電機(jī)輸出效率，又在滿足制冷主機(jī)對冷卻水流量要求的同時(shí)，降低了水泵電機(jī)軸功率，減少了電能消耗。變頻技術(shù)在預(yù)冷系統(tǒng)的應(yīng)用改變了以往預(yù)冷系統(tǒng)低d效、高耗能狀態(tài)，大大節(jié)省能源，特別是電力消耗。如果將循環(huán)水泵與變頻器形成環(huán)狀系統(tǒng)，通過空調(diào)負(fù)荷的變化而改變頻率，水泵電機(jī)輸出效率，流量的減少將帶來能耗的降低。水泵流量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，電機(jī)輸出功率與流量的三次方成正比，即當(dāng)流量稍有減小時(shí)，電機(jī)所需輸出的功率會(huì)大幅下降，從而達(dá)到顯著的節(jié)能目的。

由此可見，變頻調(diào)速在預(yù)冷系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅使其工作效率提高，同時(shí)能減少設(shè)備故障發(fā)生，在節(jié)能降耗節(jié)省開支的同時(shí)為系統(tǒng)減少安全隱患［3］。

3.2 變頻基本原理

預(yù)冷系統(tǒng)中的水泵在運(yùn)行中改變運(yùn)行工況點(diǎn)的位置、流量、揚(yáng)程等運(yùn)行參數(shù)，就能適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵的工況點(diǎn)是由泵性能曲線和管道阻力曲線的交點(diǎn)確定的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置改變，工況點(diǎn)的位置也就隨之改變［4］。所以水泵的調(diào)節(jié)，從原理上講是通過改變泵的性能曲線或者管道阻力曲線來改變泵工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。

預(yù)冷水泵的特性曲線如圖1所示，曲線Ⅰ是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下水泵的揚(yáng)程特性，曲線Ⅳ是電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后水泵的揚(yáng)程特性，曲線Ⅲ是水泵的出口閥門關(guān)小時(shí)管路的管阻特性，曲線Ⅱ是水泵的出口閥門全開后管路的管阻特性。假設(shè)工藝要求流量為QA，水泵工作在揚(yáng)程特性曲線Ⅰ和管路管阻特性曲線Ⅲ的交點(diǎn)A上；如把水泵轉(zhuǎn)速降低，閥門全開，水泵工作在揚(yáng)程特性曲線Ⅳ和管路管阻特性曲線Ⅱ的交點(diǎn)C上。可見通過降低水泵轉(zhuǎn)速，全開閥門也能達(dá)到目標(biāo)流量，而實(shí)際水泵的揚(yáng)程降低了［5］。水泵的供水功率公式如下：

式中：P—功率，kW；

CP—比例常數(shù)；

Q—水泵流量，m3／h；

H—揚(yáng)程，m。

由圖1可見電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后水泵的供水功率也降低了，降低的功率為：P降=CPQA（HTA-HTC）

圖1 預(yù)冷水泵的特性曲線

可以看出，用閥門控制流量時(shí)，有ΔpA-C功率被浪費(fèi)，并且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗要繼續(xù)增加。如果不用減小出口閥門開度的方法控制流量，而是調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，隨著水泵輸出壓力的降低，消耗在閥門上的功率完全可以避免，所以在經(jīng)常改變工況運(yùn)行的水泵中通過，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速來改變工況的節(jié)能方法是非常有效的。

通過水泵的流量Q、揚(yáng)程H、軸功率P和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系來說明變頻調(diào)速控制的節(jié)能原理。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可用下式表示［6］：

式中：n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；

f1—定子供電頻率，Hz；

p—極對數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。

由于p、s在電機(jī)生產(chǎn)時(shí)已確定，因此n正比于f1。所以改變頻率f1就可以改變轉(zhuǎn)速n而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

由電力拖動(dòng)原理［7］可知，水泵類負(fù)載屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比即：

式中：T1，T2—電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；

K—常數(shù)；

n1，n2—電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

按照液體機(jī)械相似規(guī)律，當(dāng)水泵的揚(yáng)程等于零時(shí)，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比如公式（4），其出口壓強(qiáng)與轉(zhuǎn)速的平方成正比如公式（5），而時(shí)機(jī)軸功率則與轉(zhuǎn)速的立方成正比如公式（6）：

式中：Q—水泵流量，m3／h；

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

式中：H—壓強(qiáng)，bar；

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

式中：P—功率，bar；

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

按照公式（3）-（6）分析：如果流量下降到額定流量的80%，電動(dòng)機(jī)軸功率將下降到額定值的51.2%；如果流量下降到60%，則軸功率將下降到額定值的21.6%。即使考慮到調(diào)速裝置本身的損耗等因素，其節(jié)電效果也是十分可觀的?？梢?，水泵采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，是一種非常有效的節(jié)能方法。經(jīng)試驗(yàn)證明，對于水泵等類負(fù)載采用變頻調(diào)速并根據(jù)負(fù)荷給定轉(zhuǎn)速輸出，可以節(jié)電20%～30%。

4 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

4.1 硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，硬件主要由dsPIC30F40l2型微處理器、信號(hào)檢測電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等組成。主要完成逆變橋SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)檢測及故障處理、故障顯示、操縱盒按鍵檢測及邏輯控制、及時(shí)顯示變頻器頻率等，軟件流程圖如圖3所示［8］。

圖2 硬件系統(tǒng)組成圖

圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊根據(jù)交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)矩方程式，進(jìn)行3／2變換，得到其電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方程式為：

式中：np—電機(jī)極對數(shù)；

Lm—定、轉(zhuǎn)子間互感；

Ln—轉(zhuǎn)子繞組電感；

?rd和?rq—d、q兩相轉(zhuǎn)子繞組磁鏈；

isd和isq—d、q兩相相電流。

建立如圖4所示的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊，模塊輸入為兩相相電流isd和isq轉(zhuǎn)子繞組磁鏈?rd和?rq，通過加減模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩。利用電磁轉(zhuǎn)矩Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl，通過加減積分環(huán)節(jié)，可以得到轉(zhuǎn)速信號(hào)ωr，求得的轉(zhuǎn)速經(jīng)過積分就可以得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

系統(tǒng)基于Matlab／Simulink建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型并對該模型進(jìn)行了仿真測試。電機(jī)參數(shù)如下：相電壓U=220V，Rs=0.435Ω，Rr=0.816Ω，Ls=0.071H，Lr=0.071H，

Lm=0.069H，J=0.1kg·m2，np=2。交流調(diào)速系統(tǒng)首先須檢測啟動(dòng)性能，觀察轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及啟動(dòng)電流是否滿足要求。在t=0.2s時(shí)突加負(fù)載時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

由仿真波形可以看出，在參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速，在t=0.2s突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突變，但又能恢復(fù)到平衡狀態(tài)。仿真結(jié)果說明仿真模型建模方法的合理性和有效性。

5 結(jié)論

本文結(jié)合空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)能耗問題，采用變頻調(diào)速對其進(jìn)行改良?；赿sPIC30F40l2型微處理器在交流變頻調(diào)速中的應(yīng)用，提出一種感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案提高了系統(tǒng)控制的可靠性和穩(wěn)定性。利用此方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有集成度高、適用性強(qiáng)、構(gòu)成電路簡單、體積小巧、成本低廉等特點(diǎn)，可長時(shí)間在低功耗環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作。電能消耗是制氧成本最主要的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，變頻技術(shù)在空氣預(yù)冷系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)能潛力巨大。