空分裝置預冷系統優化節能設計①

姜磊 梁琦

（1：浙江工業職業技術學院 浙江 紹興 312000；2：長春工業大學 吉林 長春 130012）

1 前言

預冷系統是空分設備的一個重要組成部分，它串接于空氣壓縮系統和分子篩吸附系統之間，用來降低進分子篩吸附器空氣的溫度與含水量。主要由空冷塔、氨冰機、水泵、過濾器、管道閥門和儀表電控部分等組成。合理地使用預冷系統有利于空分設備長期安全運行［1］。預冷空氣在空冷塔內經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，浪費能源太大，能引起空冷塔液位超高，造成分子篩帶水事故發生，水流太小冷卻效果不佳，不能滿足工藝要求。當前的流量調節根據工況需要通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節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。因此采用變速調節的方法，不僅能改變泵的特性，在較大范圍內改變排量和壓頭，而且能保持較高的效率，節約大量能源。除了其明顯的節能效果外，也從根本上解決了起動沖擊問題，對改善電網電壓、延長設備壽命等有很大好處［2］。本文通過對流量的自動調節以及采用交流電動機變頻調速技術進行電機的轉速調節，進而達到節約能源目的。

2 電能損耗與冷卻水關系分析

根據冷水機組特性，在不同負荷下運行的節能情況來看，負荷率越低，制冷量越少，耗電量必然也就越小。根據數據分析負荷在100% ～40%之間，隨著負荷的下降，每產生1kW冷量的耗電比滿負荷時少，而負荷在100% ～40%時，隨著負荷的下降每產生1kW冷量的耗電均比滿負荷大。因此，為了“節能”必須將冷水機組控制在100%～40%之間運行；另外若使用離心機的話，它采用進氣口導向器葉片開度的變化來調節制冷量的大小，制冷量過小也會產生喘振現象。

在定頻運行情況下，冷卻水泵開啟就會滿負荷運行，考慮系統的節能特點，若采用了變流量系統，這種運行方式的冷卻水流量、冷水機組容量都可以和各種負荷情況有效配合，能起到節能的目的。

3 優化控制設計原理

3.1 優化方案

根據一年中氣溫變化較大，制冷主機冷負荷變化較大，水系統大部分時間在大流量、小溫差狀態下運行的特點，將冷卻水系統與變頻器有機結合，形成環狀系統，通過負荷的變化而改變電源頻率，達到通過調節電機轉速自動控制冷卻水流量目的。這樣既提高了水泵電機輸出效率，又在滿足制冷主機對冷卻水流量要求的同時，降低了水泵電機軸功率，減少了電能消耗。變頻技術在預冷系統的應用改變了以往預冷系統低d效、高耗能狀態，大大節省能源，特別是電力消耗。如果將循環水泵與變頻器形成環狀系統，通過空調負荷的變化而改變頻率，水泵電機輸出效率，流量的減少將帶來能耗的降低。水泵流量與轉速成正比，轉速與頻率成正比，電機輸出功率與流量的三次方成正比，即當流量稍有減小時，電機所需輸出的功率會大幅下降，從而達到顯著的節能目的。

由此可見，變頻調速在預冷系統中的應用不僅使其工作效率提高，同時能減少設備故障發生，在節能降耗節省開支的同時為系統減少安全隱患［3］。

3.2 變頻基本原理

預冷系統中的水泵在運行中改變運行工況點的位置、流量、揚程等運行參數，就能適應新的工作狀況的需要。水泵的工況點是由泵性能曲線和管道阻力曲線的交點確定的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置改變，工況點的位置也就隨之改變［4］。所以水泵的調節，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實現的。

預冷水泵的特性曲線如圖1所示，曲線Ⅰ是電機額定轉速下水泵的揚程特性，曲線Ⅳ是電機轉速降低后水泵的揚程特性，曲線Ⅲ是水泵的出口閥門關小時管路的管阻特性，曲線Ⅱ是水泵的出口閥門全開后管路的管阻特性。假設工藝要求流量為QA，水泵工作在揚程特性曲線Ⅰ和管路管阻特性曲線Ⅲ的交點A上；如把水泵轉速降低，閥門全開，水泵工作在揚程特性曲線Ⅳ和管路管阻特性曲線Ⅱ的交點C上?？梢娡ㄟ^降低水泵轉速，全開閥門也能達到目標流量，而實際水泵的揚程降低了［5］。水泵的供水功率公式如下：

式中：P—功率，kW；

CP—比例常數；

Q—水泵流量，m3／h；

H—揚程，m。

由圖1可見電機轉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 預冷水泵的特性曲線

可以看出，用閥門控制流量時，有ΔpA-C功率被浪費，并且隨著閥門不斷關小，這個損耗要繼續增加。如果不用減小出口閥門開度的方法控制流量，而是調節泵的轉速，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，所以在經常改變工況運行的水泵中通過，調節其轉速來改變工況的節能方法是非常有效的。

通過水泵的流量Q、揚程H、軸功率P和轉速n之間的關系來說明變頻調速控制的節能原理。交流電動機的轉速可用下式表示［6］：

式中：n—電動機轉速，r／min；

f1—定子供電頻率，Hz；

p—極對數；

s—轉差率。

由于p、s在電機生產時已確定，因此n正比于f1。所以改變頻率f1就可以改變轉速n而實現調速。

由電力拖動原理［7］可知，水泵類負載屬平方轉矩負載，即電動機軸上的轉矩與其轉速的平方成正比即：

式中：T1，T2—電機轉矩，N·m；

K—常數；

n1，n2—電機轉速，r／min。

按照液體機械相似規律，當水泵的揚程等于零時，水泵的流量與轉速成正比如公式（4），其出口壓強與轉速的平方成正比如公式（5），而時機軸功率則與轉速的立方成正比如公式（6）：

式中：Q—水泵流量，m3／h；

n—電動機轉速，r／min。

式中：H—壓強，bar；

n—電動機轉速，r／min。

式中：P—功率，bar；

n—電動機轉速，r／min。

按照公式（3）-（6）分析：如果流量下降到額定流量的80%，電動機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%。即使考慮到調速裝置本身的損耗等因素，其節電效果也是十分可觀的?？梢?，水泵采用變頻調速驅動，是一種非常有效的節能方法。經試驗證明，對于水泵等類負載采用變頻調速并根據負荷給定轉速輸出，可以節電20%～30%。

4 系統仿真設計

4.1 硬件結構及軟件設計流程

系統組成框圖如圖2所示，硬件主要由dsPIC30F40l2型微處理器、信號檢測電路、驅動與保護電路等組成。主要完成逆變橋SPWM驅動信號的產生、信號檢測及故障處理、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 硬件系統組成圖

圖3 軟件系統設計流程圖

4.2 仿真實驗結果

轉矩計算模塊根據交流電機數學模型的轉矩方程式，進行3／2變換，得到其電磁轉矩計算方程式為：

式中：np—電機極對數；

Lm—定、轉子間互感；

Ln—轉子繞組電感；

?rd和?rq—d、q兩相轉子繞組磁鏈；

isd和isq—d、q兩相相電流。

建立如圖4所示的轉矩計算模塊，模塊輸入為兩相相電流isd和isq轉子繞組磁鏈?rd和?rq，通過加減模塊即可求得電磁轉矩。利用電磁轉矩Te和負載轉矩Tl，通過加減積分環節，可以得到轉速信號ωr，求得的轉速經過積分就可以得到轉子位置信號。

系統基于Matlab／Simulink建立了交流異步電機控制系統的仿真模型并對該模型進行了仿真測試。電機參數如下：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。交流調速系統首先須檢測啟動性能，觀察轉速、轉矩以及啟動電流是否滿足要求。在t=0.2s時突加負載時系統轉速如圖5所示。

圖5 轉速響應波形

由仿真波形可以看出，在參考轉速下，系統響應快速，在t=0.2s突加負載，轉速發生突變，但又能恢復到平衡狀態。仿真結果說明仿真模型建模方法的合理性和有效性。

5 結論

本文結合空分裝置預冷系統能耗問題，采用變頻調速對其進行改良?；赿sPIC30F40l2型微處理器在交流變頻調速中的應用，提出一種感應電機變頻調速系統設計方案。該方案提高了系統控制的可靠性和穩定性。利用此方案設計的系統具有集成度高、適用性強、構成電路簡單、體積小巧、成本低廉等特點，可長時間在低功耗環境下穩定可靠工作。電能消耗是制氧成本最主要的一項經濟指標，變頻技術在空氣預冷系統的應用，節能潛力巨大。