空分装置预冷系统优化节能设计①

姜磊 梁琦

（1：浙江工业职业技术学院 浙江 绍兴 312000；2：长春工业大学 吉林 长春 130012）

1 前言

预冷系统是空分设备的一个重要组成部分，它串接于空气压缩系统和分子筛吸附系统之间，用来降低进分子筛吸附器空气的温度与含水量。主要由空冷塔、氨冰机、水泵、过滤器、管道阀门和仪表电控部分等组成。合理地使用预冷系统有利于空分设备长期安全运行［1］。预冷空气在空冷塔内经常温水和冷冻水两次冷却，对空冷塔冷却水流量有一定要求，浪费能源太大，能引起空冷塔液位超高，造成分子筛带水事故发生，水流太小冷却效果不佳，不能满足工艺要求。当前的流量调节根据工况需要通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给水量其输入功率大，大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。因此采用变速调节的方法，不仅能改变泵的特性，在较大范围内改变排量和压头，而且能保持较高的效率，节约大量能源。除了其明显的节能效果外，也从根本上解决了起动冲击问题，对改善电网电压、延长设备寿命等有很大好处［2］。本文通过对流量的自动调节以及采用交流电动机变频调速技术进行电机的转速调节，进而达到节约能源目的。

2 电能损耗与冷却水关系分析

根据冷水机组特性，在不同负荷下运行的节能情况来看，负荷率越低，制冷量越少，耗电量必然也就越小。根据数据分析负荷在100% ～40%之间，随着负荷的下降，每产生1kW冷量的耗电比满负荷时少，而负荷在100% ～40%时，随着负荷的下降每产生1kW冷量的耗电均比满负荷大。因此，为了“节能”必须将冷水机组控制在100%～40%之间运行；另外若使用离心机的话，它采用进气口导向器叶片开度的变化来调节制冷量的大小，制冷量过小也会产生喘振现象。

在定频运行情况下，冷却水泵开启就会满负荷运行，考虑系统的节能特点，若采用了变流量系统，这种运行方式的冷却水流量、冷水机组容量都可以和各种负荷情况有效配合，能起到节能的目的。

3 优化控制设计原理

3.1 优化方案

根据一年中气温变化较大，制冷主机冷负荷变化较大，水系统大部分时间在大流量、小温差状态下运行的特点，将冷却水系统与变频器有机结合，形成环状系统，通过负荷的变化而改变电源频率，达到通过调节电机转速自动控制冷却水流量目的。这样既提高了水泵电机输出效率，又在满足制冷主机对冷却水流量要求的同时，降低了水泵电机轴功率，减少了电能消耗。变频技术在预冷系统的应用改变了以往预冷系统低d效、高耗能状态，大大节省能源，特别是电力消耗。如果将循环水泵与变频器形成环状系统，通过空调负荷的变化而改变频率，水泵电机输出效率，流量的减少将带来能耗的降低。水泵流量与转速成正比，转速与频率成正比，电机输出功率与流量的三次方成正比，即当流量稍有减小时，电机所需输出的功率会大幅下降，从而达到显著的节能目的。

由此可见，变频调速在预冷系统中的应用不仅使其工作效率提高，同时能减少设备故障发生，在节能降耗节省开支的同时为系统减少安全隐患［3］。

3.2 变频基本原理

预冷系统中的水泵在运行中改变运行工况点的位置、流量、扬程等运行参数，就能适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由泵性能曲线和管道阻力曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置改变，工况点的位置也就随之改变［4］。所以水泵的调节，从原理上讲是通过改变泵的性能曲线或者管道阻力曲线来改变泵工况点实现的。

预冷水泵的特性曲线如图1所示，曲线Ⅰ是电机额定转速下水泵的扬程特性，曲线Ⅳ是电机转速降低后水泵的扬程特性，曲线Ⅲ是水泵的出口阀门关小时管路的管阻特性，曲线Ⅱ是水泵的出口阀门全开后管路的管阻特性。假设工艺要求流量为QA，水泵工作在扬程特性曲线Ⅰ和管路管阻特性曲线Ⅲ的交点A上；如把水泵转速降低，阀门全开，水泵工作在扬程特性曲线Ⅳ和管路管阻特性曲线Ⅱ的交点C上。可见通过降低水泵转速，全开阀门也能达到目标流量，而实际水泵的扬程降低了［5］。水泵的供水功率公式如下：

式中：P—功率，kW；

CP—比例常数；

Q—水泵流量，m3／h；

H—扬程，m。

由图1可见电机转速降低后水泵的供水功率也降低了，降低的功率为：P降=CPQA（HTA-HTC）

图1 预冷水泵的特性曲线

可以看出，用阀门控制流量时，有ΔpA-C功率被浪费，并且随着阀门不断关小，这个损耗要继续增加。如果不用减小出口阀门开度的方法控制流量，而是调节泵的转速，随着水泵输出压力的降低，消耗在阀门上的功率完全可以避免，所以在经常改变工况运行的水泵中通过，调节其转速来改变工况的节能方法是非常有效的。

通过水泵的流量Q、扬程H、轴功率P和转速n之间的关系来说明变频调速控制的节能原理。交流电动机的转速可用下式表示［6］：

式中：n—电动机转速，r／min；

f1—定子供电频率，Hz；

p—极对数；

s—转差率。

由于p、s在电机生产时已确定，因此n正比于f1。所以改变频率f1就可以改变转速n而实现调速。

由电力拖动原理［7］可知，水泵类负载属平方转矩负载，即电动机轴上的转矩与其转速的平方成正比即：

式中：T1，T2—电机转矩，N·m；

K—常数；

n1，n2—电机转速，r／min。

按照液体机械相似规律，当水泵的扬程等于零时，水泵的流量与转速成正比如公式（4），其出口压强与转速的平方成正比如公式（5），而时机轴功率则与转速的立方成正比如公式（6）：

式中：Q—水泵流量，m3／h；

n—电动机转速，r／min。

式中：H—压强，bar；

n—电动机转速，r／min。

式中：P—功率，bar；

n—电动机转速，r／min。

按照公式（3）-（6）分析：如果流量下降到额定流量的80%，电动机轴功率将下降到额定值的51.2%；如果流量下降到60%，则轴功率将下降到额定值的21.6%。即使考虑到调速装置本身的损耗等因素，其节电效果也是十分可观的。可见，水泵采用变频调速驱动，是一种非常有效的节能方法。经试验证明，对于水泵等类负载采用变频调速并根据负荷给定转速输出，可以节电20%～30%。

4 系统仿真设计

4.1 硬件结构及软件设计流程

系统组成框图如图2所示，硬件主要由dsPIC30F40l2型微处理器、信号检测电路、驱动与保护电路等组成。主要完成逆变桥SPWM驱动信号的产生、信号检测及故障处理、故障显示、操纵盒按键检测及逻辑控制、及时显示变频器频率等，软件流程图如图3所示［8］。

图2 硬件系统组成图

图3 软件系统设计流程图

4.2 仿真实验结果

转矩计算模块根据交流电机数学模型的转矩方程式，进行3／2变换，得到其电磁转矩计算方程式为：

式中：np—电机极对数；

Lm—定、转子间互感；

Ln—转子绕组电感；

ϕrd和ϕrq—d、q两相转子绕组磁链；

isd和isq—d、q两相相电流。

建立如图4所示的转矩计算模块，模块输入为两相相电流isd和isq转子绕组磁链ϕrd和ϕrq，通过加减模块即可求得电磁转矩。利用电磁转矩Te和负载转矩Tl，通过加减积分环节，可以得到转速信号ωr，求得的转速经过积分就可以得到转子位置信号。

系统基于Matlab／Simulink建立了交流异步电机控制系统的仿真模型并对该模型进行了仿真测试。电机参数如下：相电压U=220V，Rs=0.435Ω，Rr=0.816Ω，Ls=0.071H，Lr=0.071H，

Lm=0.069H，J=0.1kg·m2，np=2。交流调速系统首先须检测启动性能，观察转速、转矩以及启动电流是否满足要求。在t=0.2s时突加负载时系统转速如图5所示。

图5 转速响应波形

由仿真波形可以看出，在参考转速下，系统响应快速，在t=0.2s突加负载，转速发生突变，但又能恢复到平衡状态。仿真结果说明仿真模型建模方法的合理性和有效性。

5 结论

本文结合空分装置预冷系统能耗问题，采用变频调速对其进行改良。基于dsPIC30F40l2型微处理器在交流变频调速中的应用，提出一种感应电机变频调速系统设计方案。该方案提高了系统控制的可靠性和稳定性。利用此方案设计的系统具有集成度高、适用性强、构成电路简单、体积小巧、成本低廉等特点，可长时间在低功耗环境下稳定可靠工作。电能消耗是制氧成本最主要的一项经济指标，变频技术在空气预冷系统的应用，节能潜力巨大。