淺談磁懸浮冷水機組在制藥企業(yè)中的應(yīng)用

蘇德華 曹嚴亮 李鴻琪 王 震

（蘭州生物制品研究所有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

1 磁懸浮技術(shù)的原理及特點

磁懸浮技術(shù)（Electromagnetic Levitation或Electromagnetic Suspension，簡稱EML技術(shù)或EMS技術(shù)）是指利用磁力克服重力使物體懸浮的一種技術(shù)。

磁懸浮系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器四部分組成，假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測到的位移變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原平衡位置。因此，不論受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

2 磁懸浮技術(shù)在冷水機組領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

1842年，英國物理學(xué)家Earnshow提出了“磁懸浮”的概念，此后麥克維爾在2003年向全球正式發(fā)布了第一臺磁懸浮冷水機組，這標志著磁懸浮冷水機組的時代正式開始，磁懸浮技術(shù)開始真正應(yīng)用于冷水機組。隨后海爾聯(lián)合丹佛斯于2006年推出了第一臺國產(chǎn)品牌的磁懸浮冷水機組，但磁懸浮冷水機組單機頭冷量段過于狹窄，且機組安裝的機頭數(shù)量有限，這就制約了磁懸浮冷水機組在行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用。

2018年以來，許多具備技術(shù)實力的廠家正不遺余力地進行大冷量壓縮機的研發(fā)，截至目前，100～1 600 RT的磁懸浮離心式壓縮機已相繼問世，并持續(xù)刷新磁懸浮單機頭制冷量的極限，冷量段的上下延伸使離心機可適用的項目范圍進一步擴大。就形式而言，歷次制冷展期間展示了風(fēng)冷、水冷、蒸發(fā)冷、直接制冷式磁懸浮機組以及磁懸浮熱泵、氣懸浮機組；就范疇而言，涉及供冷、供暖和冷凍冷藏，標志著磁懸浮機組已進入多元化的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

3 磁懸浮冷水機組優(yōu)勢分析

相較于其他形式的冷水機組（螺桿式、往復(fù)式、普通離心式等），磁懸浮冷水機組由于沒有冷凍油系統(tǒng)，故具有以下特點。

3.1 可靠性提高

由于沒有潤滑油系統(tǒng)，不需要建立油壓差或用專門的回油裝置來確保回油，所以磁懸浮冷水機組可以在較寬的冷卻水溫區(qū)間運行（普通螺桿式冷水機組冷卻水溫度適用范圍為15.5～33℃，磁懸浮冷水機組冷卻水溫度適用范圍為2.8～40℃），同時也解決了冬季及過渡季冷卻水溫低難以建立起合適的油壓差從而導(dǎo)致開機困難的問題。此外，低水溫運行時，冷卻水的蒸發(fā)量和補充量減少，從而減緩了冷凝器的結(jié)垢速率，提高了機組能效[2]。

3.2 性能得到改善

在制冷系統(tǒng)里沒有了潤滑油，換熱器的表面不會形成阻礙傳熱的油膜，由此在蒸發(fā)器里蒸發(fā)溫度提高，在冷凝器里冷凝溫度降低；同時，沒有油路系統(tǒng)的功率消耗，機組效率也會因此而提高。

3.3 運行維護費用減少

由于沒有了復(fù)雜的油系統(tǒng)，不需要進行油路系統(tǒng)的維護保養(yǎng)和維修，在日常運行中磁懸浮機組只需要做蒸發(fā)器、冷凝器水垢處理清洗，所以維護保養(yǎng)費用將大大減少[3]。

3.4 振動和運行噪聲小

磁懸浮壓縮機的電動機、驅(qū)動軸以及離心葉輪都處于沒有直接接觸的懸浮狀態(tài)，沒有了機械摩擦，就不會產(chǎn)生一般壓縮機常有的機械振動，因此，壓縮機運行極為安靜，其聲音甚至遠遠低于水泵的聲音。

3.5 啟動電流低

磁懸浮機組采用變頻啟動與內(nèi)置軟啟動相結(jié)合的啟動方式，啟動電流遠遠小于星三角等普通的啟動方式，啟動過程對電網(wǎng)的沖擊極小，對配電容量要求低，能節(jié)省投資。

3.6 能夠反置運行

當(dāng)冷凍水出水溫度高于冷卻水進水溫度時，機組進入反置運行。反置運行時，冷水機組功耗極低，與水泵的功耗在一個量級，同時水系統(tǒng)可省去水側(cè)經(jīng)濟器，實現(xiàn)“自由冷卻”。相較于傳統(tǒng)的自由冷卻方案，反置運行不僅可以簡化水路系統(tǒng)，減少初投資，而且能維持恒定的冷凍水出水溫度，使機組能在更廣的運行范圍內(nèi)輸出冷量[4]。

4 磁懸浮冷水機組在某制藥企業(yè)應(yīng)用情況

某制藥企業(yè)中，螺桿式冷水機組與磁懸浮冷水機組在同一車間運行，互為備用機。經(jīng)過對螺桿式冷水機組及磁懸浮冷水機組在相同的運行條件下進行觀察及運行參數(shù)的測量，可以得出以下結(jié)論：

（1）磁懸浮冷水機組在加減載運行時聲音遠遠小于螺桿式機型。磁懸浮冷水機組在加載時，在壓縮機1.5 m范圍內(nèi)，壓縮機的運行聲音僅為65 dB，更適用于制藥公司這種輕工業(yè)類型的企業(yè)。

（2）在相同的運行條件下，磁懸浮冷水機組輸入電流小于螺桿式機型。在冷卻水進水溫度21.5～24.4℃、輸入電壓400～405 V的工況下，在冷凍水溫差近似相等的條件下，經(jīng)過三組數(shù)據(jù)的計算，磁懸浮冷水機組與單螺桿機型輸入電流的比率分別為76.48%、72.28%、88.73%，平均值為79.16%。分析該數(shù)據(jù)可得，在負載、運行工況極度相似的條件下，兩臺機組運行相同的時間，磁懸浮冷水機組相比螺桿式冷水機組節(jié)能表現(xiàn)更為顯著，在制藥企業(yè)中降能增效的表現(xiàn)更為突出。

（3）通過對數(shù)據(jù)的觀察可知，磁懸浮冷水機組對冷凍水出水溫度控制較好（偏差0.2℃以內(nèi)），出水溫度漂移不大，能夠自由高效地根據(jù)熱負荷調(diào)整壓縮機功率，提供溫度恒定的冷凍水，更好地服務(wù)于末端，更適用于制藥公司這種對冷凍水溫度控制要求較高的企業(yè)。

（4）由于采用無油設(shè)計，磁懸浮冷水機組在北方冬季運行時，避免了傳統(tǒng)的螺桿式冷水機組因冷卻水溫度過低而無法建立起合適的油壓差，導(dǎo)致開機困難的情況，磁懸浮冷水機組可以在冷卻水溫度較低的工況下運行，從而保證機組的正?？煽窟\行，保障生產(chǎn)任務(wù)的安全持續(xù)進行，更適用于制藥公司這種冷水機組全年運行的企業(yè)。

具體運行數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 單螺桿冷水機組運行參數(shù)測量表

表2 磁懸浮冷水機組運行參數(shù)測量表

5 磁懸浮冷水機組在制藥企業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及現(xiàn)有解決辦法

相較于其他類型的企業(yè)，制藥企業(yè)的冷水機組運行具有以下特點：全年365天運行，不能隨意停機，對冷凍水溫度控制要求較高，要求冷水機組能夠持續(xù)、穩(wěn)定地提供溫度符合要求的冷凍水。

根據(jù)企業(yè)性質(zhì)，筆者發(fā)現(xiàn)磁懸浮冷水機組在實際使用中存在以下問題：

（1）由于磁懸浮冷水機組屬于離心式冷水機組，因此喘振是其必須面對的一個問題。磁懸浮冷水機組在低負荷運行時會發(fā)生喘振現(xiàn)象，可通過增載的方式來抑制機組喘振，但這樣可能會造成機組異常增載，從而報警停機，影響生產(chǎn)。很多廠家為了避免機組發(fā)生喘振，會采用在出口位置增設(shè)自動防喘振閥或在運行系統(tǒng)中設(shè)置獨立運行的回流旁路的措施，但從實際體驗來看，這種方式也不能完全避免機組喘振。因此，要避免喘振，在機組選型時就要十分注意，冷量選擇要合理，保證機組時刻在較高的負載下運行，在保證機組發(fā)揮出更高的效率的同時仍能穩(wěn)定運行。

（2）磁懸浮壓縮機屬于離心式壓縮機，離心式壓縮機屬于速度型，在高低壓壓差大的工況下能力不足，所以在日常運行中，需保證冷卻塔散熱能力良好、冷卻水流量充足、冷凝器換熱效果良好，才能保證磁懸浮冷水機組穩(wěn)定、高效、節(jié)能運行。相比于南方城市，北方城市水質(zhì)較差，易結(jié)水垢，容易堵塞冷凝器，所以建議在機組冷卻水進水口加裝過濾器并做到及時清洗，以免冷卻水流量不足，機組高低壓壓差過大，發(fā)生異常增載，導(dǎo)致報警停機。另外，在機組日常運行過程中，需時刻注意冷卻水流量是否能夠滿足要求。

（3）磁懸浮控制系統(tǒng)的可靠與否直接關(guān)系到磁懸浮冷水機組能否正常運行，作為磁懸浮軸承的“大腦”，控制中心在磁懸浮冷水機組中承擔(dān)著重要作用。由于磁懸浮軸承的精密性，軸承位置傳感器每分鐘將和控制中心進行數(shù)千次的數(shù)據(jù)傳輸，因此控制系統(tǒng)的控制精度和控制邏輯直接決定了磁懸浮冷水機組的生產(chǎn)水平，這就是各廠家生產(chǎn)的磁懸浮冷水機組的差異之處，也是決定了磁懸浮冷水機組是否可以被制藥企業(yè)接受的一個重要考量標準。

能否完美解決上述問題將直接影響到制藥企業(yè)對磁懸浮冷水機組的選擇。

6 磁懸浮冷水機組在制藥企業(yè)應(yīng)用中的注意事項

由于制藥企業(yè)的特殊性質(zhì)和對冷凍水系統(tǒng)的特殊要求，磁懸浮冷水機組在制藥企業(yè)應(yīng)用時需注意以下問題：

（1）磁懸浮軸承是磁懸浮冷水機組的核心部件，斷電停機時，如何確保轉(zhuǎn)子安全平穩(wěn)“著地”是磁懸浮冷水機組需要重點解決的問題之一?，F(xiàn)在普遍采取的方式是使用電容器供電，在突然斷電時，電容器中的電可以保證軸承轉(zhuǎn)速逐漸減慢直至停止，從而使軸承安全“著地”，因此電容器在磁懸浮冷水機組中有著不可替代的作用。但在實際使用中，電容器組因為質(zhì)量、使用條件等原因，存在損壞的現(xiàn)象，電容器組的損壞會直接導(dǎo)致機組超速報警，為保證機組安全穩(wěn)定運行，需定時檢查電容器組并做好相應(yīng)備件的儲備，以便發(fā)現(xiàn)問題及時更換。

（2）在日常運行過程中，機組控制柜也是需要注意的重點，因為磁懸浮冷水機組的傳感器與控制柜在運行過程中每分鐘需要進行數(shù)千次數(shù)據(jù)傳輸，故機組最好不要安裝在電磁場較強的地方，以免造成電磁干擾，最好再在數(shù)據(jù)傳輸線上加裝磁環(huán)以減少電磁干擾。在日常巡檢過程中，要多注意各項運行數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，可以觀察出機組控制是否正常。

（3）磁懸浮冷水機組運行過程中采用變頻控制算法、智能化自適應(yīng)控制系統(tǒng)，對運動狀態(tài)變化的響應(yīng)更及時，壓縮機可更快達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，最大限度實現(xiàn)節(jié)能潛力，但這也意味著機組的電氣控制部分承擔(dān)了更重要的任務(wù)。電氣部分負荷更大，需要良好散熱，若散熱不及時，會導(dǎo)致機組控制部分溫度過高，機組報警。目前電氣控制部分采用水冷式散熱，使用冷卻水與廠家的冷卻液進行換熱，因此在日常運行中需根據(jù)廠家要求及時更換冷卻液，避免散熱不良；若條件允許，也可采用機組冷凍水進行換熱，但需注意水管結(jié)露問題，以免冷凝水進入機組電氣柜。

7 結(jié)語

基于目前市場對磁懸浮冷水機組的整體認可與了解程度不高，磁懸浮冷水機組在市場上的占有率不高。隨著磁懸浮技術(shù)的不斷發(fā)展與人們對磁懸浮冷水機組的不斷深入了解，磁懸浮冷水機組將會逐步進入各行各業(yè)，也會因為其IPLV值高、高效節(jié)能，噪聲低、安靜舒適，運行過程穩(wěn)定可靠，冷卻水溫度區(qū)間較寬等諸多優(yōu)點，成為冷水機組領(lǐng)域的新寵。本文從發(fā)展歷程、技術(shù)特點、應(yīng)用情況等方面對磁懸浮冷水機組進行了仔細分析，相信本文可對磁懸浮冷水機組進入制藥類企業(yè)應(yīng)用起到一定的推動作用。