纺织空调喷淋系统恒压变频控制设计运行探讨

2020-03-17张晓静王仕元周义德多文新

棉纺织技术 2020年3期

张晓静王仕元周义德多文新

（1.郑州科技学院，河南郑州，450064；2.中原工学院，河南郑州，450007；3.无锡市安享空调科技有限公司，江苏无锡，214000）

纺织厂空调由于车间工艺生产的需要，处于常年不间断运行状态。纺织空调在纺织生产过程中总能耗所占比例达到20%以上[1]。空调喷淋系统是空调室的核心，起着对喷淋室空气进行热湿处理，降低空气含尘浓度，维持车间温湿度和车间卫生标准的作用。喷淋系统能耗约占空调总能耗的1/5。有效地降低喷淋系统的能耗，确保空调室热湿处理效果，对降低纺织车间总能耗有着积极的作用。长期以来，由于对纺织空调喷淋水泵的性能研究较少，设计仅采用按喷水量和喷水压力直接选用水泵的方法。目前多数纺织企业的空调喷淋系统在实际运行中常采用工频运行或手动变频的控制方法[2]，其运行调节不及时，热湿交换效率较差，造成水泵运行效率不高，节能效果差。部分企业虽采用了空调自动控制，对喷淋水泵进行变频控制，但由于控制手段单纯，没有充分考虑喷淋系统的工作特性，系统虽有一定的节能性，但喷淋系统的整体性能和节能效果没有达到最佳。本文从纺织喷淋水泵性能、管网运行特性规律分析，提出纺织空调喷淋系统采用恒压变频控制方案，以达到提高喷淋系统热湿交换效果，降低喷淋水泵能耗，实现纺织空调喷淋系统精细化调节的目的，适应纺织生产向智能化方向发展的要求。

1 纺织空调喷淋系统组成及运行规律

纺织空调喷淋系统由水池、水泵、管路组件、喷淋排管、喷嘴和水过滤装置组成。工作时，喷淋水通过水泵加压，由管路组件送入喷淋排管，通过安装在喷淋排管上的喷嘴雾化喷淋，实现对喷淋室的空气进行热湿交换，达到送风要求的机器露点状态，由主风机送入车间，维持车间的温湿度标准。图1是水泵和管网联合运行性能曲线示意图，图中横坐标为水泵流量，纵坐标分别为水泵扬程、功率、效率、管网阻力。H、N、η、R曲线分别表示水泵性能曲线、功率曲线、效率曲线、管网阻力曲线。M点表示喷淋水泵在管网中的实际工况点。水泵工作时，实际工况点为水泵性能曲线和管网阻力曲线的交点处，应处于水泵的高效工作区。由流体力学分析可知，水泵的流量与转速的一次方呈正比，扬程与转速的二次方呈正比，功率与转速的三次方呈正比。

图1 水泵管网联合运行性能曲线示意图

纺织喷淋水泵选型时，应详细计算喷淋系统的流量和管网系统的阻力，按照水泵性能曲线选择水泵，使水泵的工作点位于高效工作区。纺织厂喷淋室的喷水量随着室内发热量和室外空气参数变化而变化，需要及时调节喷水量，以适应喷淋室热湿处理的要求，降低喷淋水泵的能耗。

2 喷淋水泵运行调节

纺织喷淋水泵需要根据喷淋室热湿处理的要求及时调节喷水量。研究证明，水泵运行调节的有效节能方式是变频调速，但是目前纺织厂空调喷淋室的实际状况是多数企业仍采用恒工频运行，或者分季节采用人工设定频率的方式变频运行，难以实现喷水量的及时调节，从而降低水泵能耗。少数企业虽采用了自动控制系统，变频控制水泵的运行方式，实现了水泵降压降流量调节。但由于纺织厂喷淋室的特点，喷淋系统的压力主要为保持喷嘴雾化需要的喷水压力（约占水泵扬程的85%），而喷水压力又和喷嘴喷水量密切相关，喷嘴在一个时期型号固定[3]。喷淋水泵在降压调节流量的同时，压力呈二次方速率下降，而一定型号的喷嘴需要固定的压力，才能保证其雾化效果。这种控制方式的实际结果是喷淋水泵的频率反复间歇变化振荡，以适应喷淋室热湿处理的要求，实际增加了自动控制系统的内部干扰因素，降低了水泵的节能效果。克服这种弊病的方法是对喷淋水泵采用恒压变流量控制方式，这也是提高喷淋系统响应速度和效果，实现喷淋水泵变频节能的彻底解决方案。对变压变流量调节和恒压变流量调节的分析如下。

2.1 变压变流量调节

在管网性能不变的条件下，对水泵直接进行变频调节，水泵速度下降，系统流量和扬程同时下降，工作点沿管网性能曲线变化，实现了流量的调节。这种方法称为水泵变压变流量调节，如图2所示。当水泵转速由n1变化到n2时，由于原来管网性能曲线没有改变，水泵性能曲线呈平行状态向左下方移动，工况点由M1沿原来管网性能曲线变化至M2，随着系统流量的减少，水泵扬程呈二次方速率下降。水泵功率与水泵的流量和扬程呈正比，呈三次方下降，节能效果较好。这种方法由于水泵扬程随流量调节下降很快，对末端没有固定压力要求的系统较为合适，如城市采暖热水供热管网、中央空调冷热水供应等。但对末端需要固定压力的系统，如空调喷淋水系统、城市自来水系统等，会出现压力不足，满足不了末端压力要求的问题。

图2 水泵变频运行示意图

纺织厂喷淋室设计需根据一定的水气比和热湿处理要求确定喷淋系统的喷水量，喷淋管网和喷嘴个数及口径在某个季节固定，喷嘴对喷水压力有严格的要求。因此，采用这种变压变流量调节方式在满足喷水量调节的同时，喷水压力显著下降，喷嘴雾化效果降低，喷水室热湿交换效果下降[4]。空调系统采用自动调节的控制方法时，如系统采用定露点控制方案，系统会自动提高喷淋水泵转速和压力以满足机器露点的设定。若系统采用浮动露点控制方案，则系统会提高空调风机转速，以增大送风量，满足车间温湿度的要求。而且控制系统由于送风的滞后性和反馈的延时性会引发反复振荡调节，虽然能够满足温湿度的控制要求，但是不仅增加了风机、水泵等机械损耗，而且对室内空气的洁净度和气流也会产生影响，降低了空调自动控制系统的敏感性，节能效果也达不到最佳。若采用人工手动控制变频，降低喷淋水泵转速，则势必会降低喷淋室热湿处理效果。

2.2 恒压变流量调节

针对上述分析，纺织厂空调喷淋室对喷淋水泵进行变频调节时，宜采用水泵出口压力恒定的控制方案，如图3所示。水泵速度下降，由n1变化到n2′时，流量由Q1变化至Q2时，适当改变原来管网性能曲线由R1至R2，水泵工况点由M1点沿等压线变化至M2′点，实现了对水泵流量调节的同时保持压力不变的特性。这种方法称为水泵恒压变流量调节。利用这种调节方法，可以保证喷淋水泵出口压力处于恒压状态，在调节喷水量的同时，保证喷嘴的雾化效果，维持喷淋室的热湿处理效果。并且系统运行稳定，不会出现由于系统本身的原因而反复调节的现象，从而维持空调系统自动控制系统的稳定性。

图3 水泵恒压变流量运行示意图

比较两种喷淋水泵调节方式，变压变流量调节方法在流量变化的同时压力下降，能同时改善给水管网对流量变化的适应性，提高了管网的供水安全可靠性，并且管道和设备的保养、维修费用减少。但这种控制方式对纺织厂喷淋系统的最大影响是压力降低较快，喷淋室雾化效果下降，热湿处理效果下降，还会产生系统的反复调节，影响自动控制系统的灵敏性。并且这种系统控制信号的采集和传感比较复杂，逻辑计算量大，设计时必须有一定的管网基本技术资料和喷嘴性能资料，现场调试工作量大，应用有一定困难[5]。而恒压变流量喷淋水泵控制可以实现在调节喷水量的同时保持喷水压力不变，保证了喷嘴的雾化效果，系统可以通过调节工作喷嘴个数和喷淋水泵变频实现精准调节。不会产生水泵频率的反复变化，调节精度高。而且自动控制系统比较简单，容易实现，运行调试工作量较少。在一定程度上解决了恒速水泵系统运行中的能源浪费问题，在纺织工业制造向智能化制造，纺织空调向精细化调节发展过程中，其应用前景广泛。

从图3可以看出，在调节喷水量时，需要改变喷淋系统的管网特性至R2才能达到喷淋系统恒压变流量的控制效果。这时需要对喷淋排管立管进行控制，改变工作喷嘴数量，使管网阻力系数变大，性能曲线变陡，就可达到要求。如图4所示，喷淋立管采用上进水，喷淋支管安装在喷淋室上部。在喷淋立管上安装电磁通断阀，由控制系统根据需要控制开关喷淋立管阀门数量，通过工作喷嘴数量的变化达到管网性能变化的目的，实现恒压变流量的调节方式。这种方法控制原件简单可靠，维护方便，控制方法简单，便于实现喷水量精细化控制。为不影响喷淋室的热湿处理效果，控制喷淋支管时，应采用双向间隔顺序控制立管阀门的方法。

图4 喷淋立管控制示意图

2.3 喷淋水泵恒压变频调节注意事项

为达到喷淋水泵恒压变流量调节的效果，除需要对工作喷嘴数量进行调节外，还需要注意如下事项。

（1）水泵选择。水泵制造精度严重影响水泵性能，研究证明对水泵叶轮间隙和硬度的影响很大。间隙每降低0.1 mm，可以提高水泵性能1%。其中半开式叶轮存在间隙泄漏流动，对主流形成冲击，造成损失增加，半开式叶轮的二次流漩涡强度稍大于闭式叶轮，这是半开式叶轮效率下降的主要原因之一[6]。较高的硬度是防止叶轮磨损的主要保证。因此应选择制造精度高的闭式结构叶轮离心水泵。以18.5 kW水泵为例，设备费不足2万元，每年耗电约7.696万元。在整个寿命周期内，水泵初投资占5%，维修费用占10%，能耗占85%，设备初投资费用很低。不能只求价格便宜而无视水泵的效率和性能。由于水泵在变频调速时，水泵的性能曲线、效率曲线、功率曲线都会相应发生变化，水泵选择应严格核对水泵性能参数，并对水泵技术性能参数及其变化规律进行分析，选择变频性能优良，变频时具有比例压差性能的水泵。一般应通过水泵制造单位的专用选泵程序进行水泵选择，不能简单地依据需要喷水量和扬程来选择水泵。

（2）电机选择。为保证喷淋水泵的效率，水泵配备电机应采用调频性能好的YE3系列高效节能宽频电动机，或YP系列变频专用电机，使水泵的调频性能适应范围更宽，综合效率更高。

（3）喷淋排管。在进行喷淋水泵恒压变流量调节时，喷淋排管需要具有对工作喷嘴数量进行调节的能力。这也形成了管网特性曲线阻力系数变大，阻力曲线变陡，以适应水泵恒压变流量调节的要求，需要在每个喷淋立管上安装电磁通断阀。

（4）控制方法。为了保证调节控制的可靠性，喷淋水泵频率由喷淋室机器露点信号进行控制，喷淋排管工作喷嘴数量和喷淋水泵变频应同时调节。采用节能优先的控制方案，不论喷淋水泵是降速运行还是增速运行，都应优先调节喷淋水泵频率，再通过喷淋主管道压力和设定压力之差来控制喷淋排管立管的阀门，即可保证系统节能和控制灵活性要求，又满足喷淋系统雾化效果，使空气得到最大程度的水洗净化。

（5）水泵调速范围。从水泵变速运行调节规律可知，虽然当水泵变频运行时，水泵转速变化对效率的影响较小。但由于异步电机的阻抗不尽理想，当电源频率较低时，电源中高次谐波所引起的损耗较大；其次普通异步电机在转速降低时，冷却效果与转速的三次方呈比例减小，致使电机的低速冷却状况变差，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。因此，为保证变频水泵的节能效果和运行安全，通常水泵的最小转速应不低于额定转速的50%，喷淋水泵调速范围不宜过大，最好控制在70%～100%之间[7]。