張曉靜 王仕元 周義德 多文新

（1.鄭州科技學(xué)院，河南鄭州，450064；2.中原工學(xué)院，河南鄭州，450007；3.無(wú)錫市安享空調(diào)科技有限公司，江蘇無(wú)錫，214000）

紡織廠空調(diào)由于車間工藝生產(chǎn)的需要，處于常年不間斷運(yùn)行狀態(tài)。紡織空調(diào)在紡織生產(chǎn)過(guò)程中總能耗所占比例達(dá)到20%以上[1]。空調(diào)噴淋系統(tǒng)是空調(diào)室的核心，起著對(duì)噴淋室空氣進(jìn)行熱濕處理，降低空氣含塵濃度，維持車間溫濕度和車間衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的作用。噴淋系統(tǒng)能耗約占空調(diào)總能耗的1/5。有效地降低噴淋系統(tǒng)的能耗，確?？照{(diào)室熱濕處理效果，對(duì)降低紡織車間總能耗有著積極的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，由于對(duì)紡織空調(diào)噴淋水泵的性能研究較少，設(shè)計(jì)僅采用按噴水量和噴水壓力直接選用水泵的方法。目前多數(shù)紡織企業(yè)的空調(diào)噴淋系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中常采用工頻運(yùn)行或手動(dòng)變頻的控制方法[2]，其運(yùn)行調(diào)節(jié)不及時(shí)，熱濕交換效率較差，造成水泵運(yùn)行效率不高，節(jié)能效果差。部分企業(yè)雖采用了空調(diào)自動(dòng)控制，對(duì)噴淋水泵進(jìn)行變頻控制，但由于控制手段單純，沒(méi)有充分考慮噴淋系統(tǒng)的工作特性，系統(tǒng)雖有一定的節(jié)能性，但噴淋系統(tǒng)的整體性能和節(jié)能效果沒(méi)有達(dá)到最佳。本文從紡織噴淋水泵性能、管網(wǎng)運(yùn)行特性規(guī)律分析，提出紡織空調(diào)噴淋系統(tǒng)采用恒壓變頻控制方案，以達(dá)到提高噴淋系統(tǒng)熱濕交換效果，降低噴淋水泵能耗，實(shí)現(xiàn)紡織空調(diào)噴淋系統(tǒng)精細(xì)化調(diào)節(jié)的目的，適應(yīng)紡織生產(chǎn)向智能化方向發(fā)展的要求。

1 紡織空調(diào)噴淋系統(tǒng)組成及運(yùn)行規(guī)律

紡織空調(diào)噴淋系統(tǒng)由水池、水泵、管路組件、噴淋排管、噴嘴和水過(guò)濾裝置組成。工作時(shí)，噴淋水通過(guò)水泵加壓，由管路組件送入噴淋排管，通過(guò)安裝在噴淋排管上的噴嘴霧化噴淋，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴淋室的空氣進(jìn)行熱濕交換，達(dá)到送風(fēng)要求的機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)，由主風(fēng)機(jī)送入車間，維持車間的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)。圖1是水泵和管網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行性能曲線示意圖，圖中橫坐標(biāo)為水泵流量，縱坐標(biāo)分別為水泵揚(yáng)程、功率、效率、管網(wǎng)阻力。H、N、η、R曲線分別表示水泵性能曲線、功率曲線、效率曲線、管網(wǎng)阻力曲線。M點(diǎn)表示噴淋水泵在管網(wǎng)中的實(shí)際工況點(diǎn)。水泵工作時(shí)，實(shí)際工況點(diǎn)為水泵性能曲線和管網(wǎng)阻力曲線的交點(diǎn)處，應(yīng)處于水泵的高效工作區(qū)。由流體力學(xué)分析可知，水泵的流量與轉(zhuǎn)速的一次方呈正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方呈正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方呈正比。

圖1 水泵管網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行性能曲線示意圖

紡織噴淋水泵選型時(shí)，應(yīng)詳細(xì)計(jì)算噴淋系統(tǒng)的流量和管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力，按照水泵性能曲線選擇水泵，使水泵的工作點(diǎn)位于高效工作區(qū)。紡織廠噴淋室的噴水量隨著室內(nèi)發(fā)熱量和室外空氣參數(shù)變化而變化，需要及時(shí)調(diào)節(jié)噴水量，以適應(yīng)噴淋室熱濕處理的要求，降低噴淋水泵的能耗。

2 噴淋水泵運(yùn)行調(diào)節(jié)

紡織噴淋水泵需要根據(jù)噴淋室熱濕處理的要求及時(shí)調(diào)節(jié)噴水量。研究證明，水泵運(yùn)行調(diào)節(jié)的有效節(jié)能方式是變頻調(diào)速，但是目前紡織廠空調(diào)噴淋室的實(shí)際狀況是多數(shù)企業(yè)仍采用恒工頻運(yùn)行，或者分季節(jié)采用人工設(shè)定頻率的方式變頻運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)噴水量的及時(shí)調(diào)節(jié)，從而降低水泵能耗。少數(shù)企業(yè)雖采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)，變頻控制水泵的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了水泵降壓降流量調(diào)節(jié)。但由于紡織廠噴淋室的特點(diǎn)，噴淋系統(tǒng)的壓力主要為保持噴嘴霧化需要的噴水壓力（約占水泵揚(yáng)程的85%），而噴水壓力又和噴嘴噴水量密切相關(guān)，噴嘴在一個(gè)時(shí)期型號(hào)固定[3]。噴淋水泵在降壓調(diào)節(jié)流量的同時(shí)，壓力呈二次方速率下降，而一定型號(hào)的噴嘴需要固定的壓力，才能保證其霧化效果。這種控制方式的實(shí)際結(jié)果是噴淋水泵的頻率反復(fù)間歇變化振蕩，以適應(yīng)噴淋室熱濕處理的要求，實(shí)際增加了自動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)部干擾因素，降低了水泵的節(jié)能效果。克服這種弊病的方法是對(duì)噴淋水泵采用恒壓變流量控制方式，這也是提高噴淋系統(tǒng)響應(yīng)速度和效果，實(shí)現(xiàn)噴淋水泵變頻節(jié)能的徹底解決方案。對(duì)變壓變流量調(diào)節(jié)和恒壓變流量調(diào)節(jié)的分析如下。

2.1 變壓變流量調(diào)節(jié)

在管網(wǎng)性能不變的條件下，對(duì)水泵直接進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，水泵速度下降，系統(tǒng)流量和揚(yáng)程同時(shí)下降，工作點(diǎn)沿管網(wǎng)性能曲線變化，實(shí)現(xiàn)了流量的調(diào)節(jié)。這種方法稱為水泵變壓變流量調(diào)節(jié)，如圖2所示。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時(shí)，由于原來(lái)管網(wǎng)性能曲線沒(méi)有改變，水泵性能曲線呈平行狀態(tài)向左下方移動(dòng)，工況點(diǎn)由M1沿原來(lái)管網(wǎng)性能曲線變化至M2，隨著系統(tǒng)流量的減少，水泵揚(yáng)程呈二次方速率下降。水泵功率與水泵的流量和揚(yáng)程呈正比，呈三次方下降，節(jié)能效果較好。這種方法由于水泵揚(yáng)程隨流量調(diào)節(jié)下降很快，對(duì)末端沒(méi)有固定壓力要求的系統(tǒng)較為合適，如城市采暖熱水供熱管網(wǎng)、中央空調(diào)冷熱水供應(yīng)等。但對(duì)末端需要固定壓力的系統(tǒng)，如空調(diào)噴淋水系統(tǒng)、城市自來(lái)水系統(tǒng)等，會(huì)出現(xiàn)壓力不足，滿足不了末端壓力要求的問(wèn)題。

圖2 水泵變頻運(yùn)行示意圖

紡織廠噴淋室設(shè)計(jì)需根據(jù)一定的水氣比和熱濕處理要求確定噴淋系統(tǒng)的噴水量，噴淋管網(wǎng)和噴嘴個(gè)數(shù)及口徑在某個(gè)季節(jié)固定，噴嘴對(duì)噴水壓力有嚴(yán)格的要求。因此，采用這種變壓變流量調(diào)節(jié)方式在滿足噴水量調(diào)節(jié)的同時(shí)，噴水壓力顯著下降，噴嘴霧化效果降低，噴水室熱濕交換效果下降[4]。空調(diào)系統(tǒng)采用自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制方法時(shí)，如系統(tǒng)采用定露點(diǎn)控制方案，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提高噴淋水泵轉(zhuǎn)速和壓力以滿足機(jī)器露點(diǎn)的設(shè)定。若系統(tǒng)采用浮動(dòng)露點(diǎn)控制方案，則系統(tǒng)會(huì)提高空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以增大送風(fēng)量，滿足車間溫濕度的要求。而且控制系統(tǒng)由于送風(fēng)的滯后性和反饋的延時(shí)性會(huì)引發(fā)反復(fù)振蕩調(diào)節(jié)，雖然能夠滿足溫濕度的控制要求，但是不僅增加了風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械損耗，而且對(duì)室內(nèi)空氣的潔凈度和氣流也會(huì)產(chǎn)生影響，降低了空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的敏感性，節(jié)能效果也達(dá)不到最佳。若采用人工手動(dòng)控制變頻，降低噴淋水泵轉(zhuǎn)速，則勢(shì)必會(huì)降低噴淋室熱濕處理效果。

2.2 恒壓變流量調(diào)節(jié)

針對(duì)上述分析，紡織廠空調(diào)噴淋室對(duì)噴淋水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)時(shí)，宜采用水泵出口壓力恒定的控制方案，如圖3所示。水泵速度下降，由n1變化到n2′時(shí)，流量由Q1變化至Q2時(shí)，適當(dāng)改變?cè)瓉?lái)管網(wǎng)性能曲線由R1至R2，水泵工況點(diǎn)由M1點(diǎn)沿等壓線變化至M2′點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵流量調(diào)節(jié)的同時(shí)保持壓力不變的特性。這種方法稱為水泵恒壓變流量調(diào)節(jié)。利用這種調(diào)節(jié)方法，可以保證噴淋水泵出口壓力處于恒壓狀態(tài)，在調(diào)節(jié)噴水量的同時(shí)，保證噴嘴的霧化效果，維持噴淋室的熱濕處理效果。并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)由于系統(tǒng)本身的原因而反復(fù)調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，從而維持空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 水泵恒壓變流量運(yùn)行示意圖

比較兩種噴淋水泵調(diào)節(jié)方式，變壓變流量調(diào)節(jié)方法在流量變化的同時(shí)壓力下降，能同時(shí)改善給水管網(wǎng)對(duì)流量變化的適應(yīng)性，提高了管網(wǎng)的供水安全可靠性，并且管道和設(shè)備的保養(yǎng)、維修費(fèi)用減少。但這種控制方式對(duì)紡織廠噴淋系統(tǒng)的最大影響是壓力降低較快，噴淋室霧化效果下降，熱濕處理效果下降，還會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的反復(fù)調(diào)節(jié)，影響自動(dòng)控制系統(tǒng)的靈敏性。并且這種系統(tǒng)控制信號(hào)的采集和傳感比較復(fù)雜，邏輯計(jì)算量大，設(shè)計(jì)時(shí)必須有一定的管網(wǎng)基本技術(shù)資料和噴嘴性能資料，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量大，應(yīng)用有一定困難[5]。而恒壓變流量噴淋水泵控制可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)節(jié)噴水量的同時(shí)保持噴水壓力不變，保證了噴嘴的霧化效果，系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作噴嘴個(gè)數(shù)和噴淋水泵變頻實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。不會(huì)產(chǎn)生水泵頻率的反復(fù)變化，調(diào)節(jié)精度高。而且自動(dòng)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行調(diào)試工作量較少。在一定程度上解決了恒速水泵系統(tǒng)運(yùn)行中的能源浪費(fèi)問(wèn)題，在紡織工業(yè)制造向智能化制造，紡織空調(diào)向精細(xì)化調(diào)節(jié)發(fā)展過(guò)程中，其應(yīng)用前景廣泛。

從圖3可以看出，在調(diào)節(jié)噴水量時(shí)，需要改變噴淋系統(tǒng)的管網(wǎng)特性至R2才能達(dá)到噴淋系統(tǒng)恒壓變流量的控制效果。這時(shí)需要對(duì)噴淋排管立管進(jìn)行控制，改變工作噴嘴數(shù)量，使管網(wǎng)阻力系數(shù)變大，性能曲線變陡，就可達(dá)到要求。如圖4所示，噴淋立管采用上進(jìn)水，噴淋支管安裝在噴淋室上部。在噴淋立管上安裝電磁通斷閥，由控制系統(tǒng)根據(jù)需要控制開關(guān)噴淋立管閥門數(shù)量，通過(guò)工作噴嘴數(shù)量的變化達(dá)到管網(wǎng)性能變化的目的，實(shí)現(xiàn)恒壓變流量的調(diào)節(jié)方式。這種方法控制原件簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)方便，控制方法簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)噴水量精細(xì)化控制。為不影響噴淋室的熱濕處理效果，控制噴淋支管時(shí)，應(yīng)采用雙向間隔順序控制立管閥門的方法。

圖4 噴淋立管控制示意圖

2.3 噴淋水泵恒壓變頻調(diào)節(jié)注意事項(xiàng)

為達(dá)到噴淋水泵恒壓變流量調(diào)節(jié)的效果，除需要對(duì)工作噴嘴數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)外，還需要注意如下事項(xiàng)。

（1）水泵選擇。水泵制造精度嚴(yán)重影響水泵性能，研究證明對(duì)水泵葉輪間隙和硬度的影響很大。間隙每降低0.1 mm，可以提高水泵性能1%。其中半開式葉輪存在間隙泄漏流動(dòng)，對(duì)主流形成沖擊，造成損失增加，半開式葉輪的二次流漩渦強(qiáng)度稍大于閉式葉輪，這是半開式葉輪效率下降的主要原因之一[6]。較高的硬度是防止葉輪磨損的主要保證。因此應(yīng)選擇制造精度高的閉式結(jié)構(gòu)葉輪離心水泵。以18.5 kW水泵為例，設(shè)備費(fèi)不足2萬(wàn)元，每年耗電約7.696萬(wàn)元。在整個(gè)壽命周期內(nèi)，水泵初投資占5%，維修費(fèi)用占10%，能耗占85%，設(shè)備初投資費(fèi)用很低。不能只求價(jià)格便宜而無(wú)視水泵的效率和性能。由于水泵在變頻調(diào)速時(shí)，水泵的性能曲線、效率曲線、功率曲線都會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，水泵選擇應(yīng)嚴(yán)格核對(duì)水泵性能參數(shù)，并對(duì)水泵技術(shù)性能參數(shù)及其變化規(guī)律進(jìn)行分析，選擇變頻性能優(yōu)良，變頻時(shí)具有比例壓差性能的水泵。一般應(yīng)通過(guò)水泵制造單位的專用選泵程序進(jìn)行水泵選擇，不能簡(jiǎn)單地依據(jù)需要噴水量和揚(yáng)程來(lái)選擇水泵。

（2）電機(jī)選擇。為保證噴淋水泵的效率，水泵配備電機(jī)應(yīng)采用調(diào)頻性能好的YE3系列高效節(jié)能寬頻電動(dòng)機(jī)，或YP系列變頻專用電機(jī)，使水泵的調(diào)頻性能適應(yīng)范圍更寬，綜合效率更高。

（3）噴淋排管。在進(jìn)行噴淋水泵恒壓變流量調(diào)節(jié)時(shí)，噴淋排管需要具有對(duì)工作噴嘴數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力。這也形成了管網(wǎng)特性曲線阻力系數(shù)變大，阻力曲線變陡，以適應(yīng)水泵恒壓變流量調(diào)節(jié)的要求，需要在每個(gè)噴淋立管上安裝電磁通斷閥。

（4）控制方法。為了保證調(diào)節(jié)控制的可靠性，噴淋水泵頻率由噴淋室機(jī)器露點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行控制，噴淋排管工作噴嘴數(shù)量和噴淋水泵變頻應(yīng)同時(shí)調(diào)節(jié)。采用節(jié)能優(yōu)先的控制方案，不論噴淋水泵是降速運(yùn)行還是增速運(yùn)行，都應(yīng)優(yōu)先調(diào)節(jié)噴淋水泵頻率，再通過(guò)噴淋主管道壓力和設(shè)定壓力之差來(lái)控制噴淋排管立管的閥門，即可保證系統(tǒng)節(jié)能和控制靈活性要求，又滿足噴淋系統(tǒng)霧化效果，使空氣得到最大程度的水洗凈化。

（5）水泵調(diào)速范圍。從水泵變速運(yùn)行調(diào)節(jié)規(guī)律可知，雖然當(dāng)水泵變頻運(yùn)行時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速變化對(duì)效率的影響較小。但由于異步電機(jī)的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較低時(shí)，電源中高次諧波所引起的損耗較大；其次普通異步電機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻效果與轉(zhuǎn)速的三次方呈比例減小，致使電機(jī)的低速冷卻狀況變差，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。因此，為保證變頻水泵的節(jié)能效果和運(yùn)行安全，通常水泵的最小轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50%，噴淋水泵調(diào)速范圍不宜過(guò)大，最好控制在70%～100%之間[7]。

3 節(jié)能實(shí)例分析

利用恒壓變頻控制方案對(duì)現(xiàn)有采用工頻運(yùn)行空調(diào)室噴淋系統(tǒng)進(jìn)行改造，原設(shè)計(jì)噴淋水泵裝機(jī)功率22 kW，采用在原空調(diào)噴淋水泵噴淋排管的基礎(chǔ)上，加裝噴淋排管立管控制閥門和空調(diào)自控系統(tǒng)及噴淋水泵恒壓變頻控制裝置，按照分季節(jié)進(jìn)行檢測(cè)的方法比較，系統(tǒng)運(yùn)行能耗比較見(jiàn)表1。

表1 不同季節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行能耗比較

夏季按3個(gè)月、春秋季按6個(gè)月、冬季按3個(gè)月計(jì)算，全年運(yùn)行平均節(jié)電量=（3×2.8+6×4.5+3×4.7）×30×24=35 640（kW·h），恒工頻運(yùn)行平均耗電155 736 k W·h，年平均節(jié)電率22.8%。

由于紡織廠空調(diào)室噴淋水泵需要常年不間斷運(yùn)行，水泵實(shí)際運(yùn)行能耗很大，以某個(gè)新型11萬(wàn)錠紡紗車間為例，需要空調(diào)室14套，噴淋水泵14臺(tái)，噴淋水泵總裝機(jī)功率301 kW，按上述計(jì)算，噴淋水泵采用恒壓變頻控制方案，年平均節(jié)約耗電可達(dá)4.87×105kW·h，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)論

紡織空調(diào)噴淋系統(tǒng)水泵裝機(jī)功率占空調(diào)系統(tǒng)的1/5，需要常年不間斷運(yùn)行，采用工頻運(yùn)行方式，能源浪費(fèi)巨大。

空調(diào)室噴淋水泵采用恒壓變頻控制，可有利保證噴淋室熱濕處理效果，降低水泵運(yùn)行能耗，并可減少空調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部的反復(fù)調(diào)節(jié)，增加空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的敏感性。

空調(diào)室噴淋水泵采用恒壓變頻控制，應(yīng)選擇高效節(jié)能的噴淋水泵和電機(jī)，并應(yīng)對(duì)噴淋排管的立管進(jìn)行控制，控制噴淋水泵的變頻范圍在35 Hz～50 Hz之間。

水泵采用恒壓變頻控制策略應(yīng)采用浮動(dòng)露點(diǎn)參數(shù)控制噴淋水泵頻率，采用噴排壓力參數(shù)控制工作噴嘴數(shù)量，確保調(diào)節(jié)效果。

利用變頻恒壓控制噴淋水泵對(duì)原有恒工頻水泵運(yùn)行空調(diào)室進(jìn)行改造，在確保噴淋室熱濕交換效率的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)噴淋水泵年平均節(jié)電22.8%的效果。