高速列车空调冷凝风机的变频应用研究

2014-11-22崔明璐龙时丹

上海理工大学学报 2014年6期

崔明璐，余敏，龙时丹，陈彪

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海法维莱交通车辆设备有限公司，上海 201906）

伴随着经济社会的进步，我国的高速列车得到了迅速的发展，列车在高速运行时表面产生的负压不容忽视.高速列车采用单元式空调系统，冷凝风机置于列车顶部，冷凝风机通过强制通风将冷凝器的热量带走.高速运行列车表面产生的负压会使冷凝风量减小，影响空调机组的安全运行.随着电力电子和自动控制技术的发展，变频节能技术得到了广泛的应用，但列车空调系统变频技术应用研究较少.因此，高速列车冷凝风机的变频技术研究对于保证空调机组的安全、高效运行，促进其在列车空调系统上的应用具有重要意义.

1 高速列车空调冷凝风机表面压力模拟和分析

由于空气具有粘性，列车在高速运行时会在列车的表面形成附面层，附面层里为负压，且列车速度越高，表面的负压越大［1］.冷凝风机表面负压值影响其工作状态，而列车运行时表面负压的测量难度较大，因此使用Fluent软件对冷凝风机表面压力进行模拟计算，从而得出不同速度下冷凝风机压力的分布情况和负压值.

1.1 计算模型和方法

高速列车由数节客车组成，但距离车头一段距离后流动稳定.为简化运算，采用3 节车厢进行模拟，如图1所示.用一节头车、一节客车、一节尾车代表整列车，头车、尾车具有相同的外形，此类简化方法在列车模拟中被广泛地采用［2］.冷凝风机位于列车中间客车顶部的中央，取0.5m×0.5m 的正方形作为冷凝风机进风口.同时将列车表面视为平滑曲面，忽略车门把手、窗户等微小部件和周围设施的影响.列车流场相对于车身中央平面左右对称［3］，为减小计算量，只计算半车身的流场，计算域为150m×12m×10m.

图1 高速列车物理模型Fig.1 Physical model of high－speed train

由于高速列车运行速度相对较低（马赫数Ma＜0.3），其外部流体可视作不可压缩定常流体，故列车表面空气流动视为黏性、不可压缩、定常流动.目前在列车表面气流组织的模拟中，主要采用κ－ε两方程湍流模型［4］，并取得了较好的结果.本文也选用该湍流模型对冷凝风机表面压力进行模拟.控制微分方程包括：连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程和湍流耗散率方程，具体控制方程见文献［4］.计算时方程的对流项采用一阶迎风差分格式，压力速度的耦合采用SIMPLE算法.

对具有复杂外形的列车头部，采用四面体非结构网格；车身形状规则，采用六面体结构网格.头部的非结构网格和车身的结构网格组成的混合网格，使计算具有良好的精度和较快的速度.为提高列车表面流场的准确性，对列车壁面和尾流的网格进行加密处理.列车车头和车身的网格如图2所示.假设列车静止，气体以相对列车的运行速度流经列车，入口采用速度边界条件，出口采用压力出口边界条件，纵剖面为对称面.采用Fluent软件模拟车速分别为50，100，150，200，250，300，350km／h 时，冷凝风机表面压力场的分布情况.

图2 列车车头和车身网格Fig.2 Grid of train head and train body

1.2 冷凝风机表面压力场的模拟结果

图3为车速200km／h时冷凝风机表面的压力分布图.可见，冷凝风机表面压力分布较均匀，呈现较小的负压，压力值在－100～0Pa之间，流动稳定，冷凝风具有良好的气流组织对冷凝器进行冷却；各节列车连接处附近出现较大的压力波动.

图3 冷凝风机表面压力分布图Fig.3 Surface pressure distribution on condenser fan

不同车速下的压力分布规律相同.采用Fluent软件分别计算在不同车速下冷凝风机入口表面负压的平均值.在管道阻力不变的情况下，冷凝风机实际进口压力为管道压阻与表面负压值（绝对值）之和.CRH3高速列车空调冷凝风机采用型号为LKT36No－5.6AV的冷凝风机，其额定风量为8 000 m3／h，全压为200Pa，由进口风压结合冷凝风机性能曲线可得到不同车速下的冷凝风量，计算结果如表1所示.

表1 不同车速下冷凝器工作参数Tab.1 Condenser operating parameters at different speeds

由表1可知，随着列车车速的提高，冷凝风机入口表面负压和冷凝风机实际进口压力逐渐增大，冷凝风量逐渐减少.当列车速度较低时，风机入口负压较小，冷凝风量的减少量不大.随着车速的提高，冷凝风量的减少开始加剧.当列车速度为350km／h时，冷凝风机的入口负压为135.7Pa，达到风机全压的68%，严重影响风机的正常工作，冷凝风量与额定风量相比减少50%以上.冷凝风量的减少使冷凝器换热情况恶化，部分热量不能正常排出，冷凝器换热系数降低，冷凝温度、压力和空气出口温度提高.冷凝压力的提高进一步导致压缩机耗功变大，制冷量和制冷系数下降，从而影响列车空调的正常、高效运行［2］.

定义无量纲的列车表面压力系数cb，表达式为

式中，pb为表面压力差；p 为表面压力；p∞为大气压力；q∞为动压；v∞为空气相对于列车的流速；ρ为空气密度.

列车车速大于100km／h，冷凝风机入口压力系数值保持在－0.02，此时列车表面压力进入自模拟区，即列车的运行速度对压力系数影响不大，与文献［4］中列车外表面空气压力的分布规律相同，验证了冷凝风机入口压力的模拟结果有较高的可信度.

2 列车空调冷凝风机的变频调节

2.1 列车风机的选型方案

针对表面负压使冷凝风量不足的影响，在不改变空调机组结构和冷凝风机位置的前提下，可以通过使用大容量的冷凝风机，以提高风机的全压和冷凝风量，保证在表面负压较大时冷凝风机能正常运行.

取列车运行速度最高、冷凝风机入口负压最大的恶劣工况进行冷凝风机选型.所选风机在列车高速运行时位于额定工况附近，但是在离额定工况较远的车速下，经济性较差，即出现“大马拉小车”的情况.为此，采用变频调节技术，在保证高速工况列车空调正常运行的前提下，提高列车空调系统低速和变工况运行的经济性.

2.2 变频调节原理和应用

异步电动机的转速n，电源频率f，转差率s，电机磁极对数P 之间的关系为

当转差率基本不变时，转速与电源频率成正比，改变电源频率即可改变电动机的转速，并改变与电动机联接的风机的转速，从而实现对风机运行的调节［5］.

风机的各项性能参数与其转速有着密切关系：风机的风量与风机的转速成正比；风机的风压与其转速的平方成正比；风机的轴功率等于风量与风压的乘积，故风机的功率与风机转速的三次方成正比.因此，变频调节通过调整输入电源的频率调节风机转速，从而达到调节风机的流量、风压等性能参数的目的.与其它调节方式相比，变频调节通过改变自身的性能曲线实现不同工况的调节，在调节过程中没有节流损失，调节效率高，经济性好.

随着电力电子和自动控制技术的发展，变频器的价格不断下降，性能价格比不断提高，促进了变频调节技术的应用.变频调节广泛应用于泵与风机的节能改造中，节能效果明显.变频调节也可以使风机进行软启动，实现连续运行，减少风机的启动次数，既能减少启动电流，又延长了机组寿命.变频调节技术在CRH2动车组分体式空调系统和上海轨道交通5号线中已有应用，具有良好的运行效果，值得在其它列车上推广使用.

2.3 高速列车变频调节的控制方式

高速列车变频调速可采用PID 闭环控制系统，如图4所示.控制系统由PID 控制器、变频器、冷凝风机等组成，以冷凝风量作为被调节量，通过变频器调节冷凝风机的输入频率，实现冷凝风机的高效、节能运行.PID 控制器接受室内温度的测量值，与空调装置的温度设定值比较，控制变频器的输出频率.为了适应高速运行时列车表面的负压，以冷凝器入口负压值为前馈信号，及时地调整不同运行速度时冷凝风机的转速.以冷凝器的冷凝温度为反馈信号，保证稳定的冷凝温度，可以更好地适应列车空调在不同地区和不同空气温度时的良好运行.

图4 变频调节的控制方框图Fig.4 Block diagram of variable frequency regulation control

3 冷凝风机变频运行性能分析

3.1 冷凝风机变频运行的节能分析

根据风机的选型方案选取大容量冷凝风机，其型号为DQ35－11－6.3，参数如表2所示［6］.电动机型号为YT90S－4，其功率为1.10kW.

表2 冷凝风机的型号及参数Tab.2 Condenser fan models and parameters

比较该风机在不同车速下，定频与变频运行时风机的性能参数，如表3 所示.当列车运行速度为350km／h，冷凝风机定频运行时，额定冷凝风量为8 354m3／h，与上述冷凝器散热所需8 000m3／h的额定冷凝风量相比，能够使冷凝器内冷却工质充分散热，表明风机的选型合适，在不同的车速下都能提供足够的冷凝风量，维持空调机组的正常运行.但该风机的定频运行存在两个问题，一是冷凝风量偏大.不同车速下的冷凝风量都大于额定风量，特别是列车低速运行时，冷凝风量过大，如50km／h的车速下冷凝风量达到14 025 m3／h，为额定风量的175%.同时也会加剧风机的磨损，降低风机的使用寿命.二是所耗费的功率偏大.

表3 冷凝风机的性能参数Tab.3 Performance parameters of condenser fan

如图5所示，风机功率在250km／h和300km／h时达到最大.车速为350km／h 时，风机效率较高，冷凝风机的功率略有下降.随着车速的降低，风机功率逐渐降低，但下降的幅度较小.在低速情况下，耗费较大功率，提供过大的冷凝风量，增加冷凝风机的功耗.由此可得，在高速情况下，定频运行冷凝风机效果较好，但速度越低，冷凝风量的过量程度越大，定频运行效果越差.

冷凝风机采用变频运行时，通过PID 控制器控制风机的转速，在不同的车速下保持额定的冷凝风量，避免低速情况下冷凝风量过大，维持冷凝压力和温度的相对稳定.变频运行时，不同车速下的功率如图5所示.变频运行可以显著降低冷凝风机的功率.车速较低时，变频运行冷凝风机的功率较小.车速提高时，冷凝风机的功率逐渐变大，在350km／h的车速下功率达到最大值.

图5 冷凝风机的功率对比图Fig.5 Powers comparison of condenser fan

与定频运行相比，变频运行在不同的车速下都具有节能效果.在50km／h 的车速下，变频运行时的功率仅为0.17 kW，节能率为80.9%；在300km／h的车速下，变频运行时的节能率超过50%；在最高车速350km／h下，变频运行仍有12.6%的节能率.随着列车车速降低，列车入口的负压值变小，冷凝风机所提供的压头变低，在保持冷凝风量不变的情况下，冷凝风机的输入频率降低，风机的功率变小.列车在低速运行时，变频运行时的节能效果较好.由此可得，变频运行的冷凝风机可以在列车高速运行时提供额定的冷凝风量，维持空调机组的正常运行；低速运行时在提供额定冷凝风量的同时，降低冷凝风机的转速，实现节能运行；且列车运行速度越低，变频运行的节能效果越明显.

3.2 变频风机的变工况分析

冷凝风机采用外界空气对冷凝器进行冷却，冷却效果与空气状态相关，因此冷凝风机变工况情况较为复杂.一方面，不同的地区、时间和天气情况导致外界空气温度变化较大，相同流量的空气对冷凝器的冷却效果不同；另一方面，乘客人员的变动造成空调热负荷的变化，通过冷凝器交换的热量不同，因此所需的冷凝风量随热负荷而变化.定频运行的冷凝风机变工况下以额定的转速运行，在热负荷较低、外界空气温度低、冷凝效果好时，仍提供额定的冷凝风量，从而造成冷凝风量偏大，冷凝风机功耗增大.

以冷凝温度为反馈的变频调节冷凝风机对不同的工况有很好的适应能力.PID 控制器接受冷凝温度的反馈信号，通过变频器降低冷凝风机转速和流量，空调热负荷降低或者外界空气温度变低，冷凝效果加强时，冷凝器所需冷凝风量减少，以保证变工况下冷凝温度和压力的稳定，同时降低风机转速，实现变工况下的节能运行.