紡織空調噴淋系統恒壓變頻控制設計運行探討

張曉靜 王仕元 周義德 多文新

（1.鄭州科技學院，河南鄭州，450064；2.中原工學院，河南鄭州，450007；3.無錫市安享空調科技有限公司，江蘇無錫，214000）

紡織廠空調由于車間工藝生產的需要，處于常年不間斷運行狀態。紡織空調在紡織生產過程中總能耗所占比例達到20%以上[1]。空調噴淋系統是空調室的核心，起著對噴淋室空氣進行熱濕處理，降低空氣含塵濃度，維持車間溫濕度和車間衛生標準的作用。噴淋系統能耗約占空調總能耗的1/5。有效地降低噴淋系統的能耗，確保空調室熱濕處理效果，對降低紡織車間總能耗有著積極的作用。長期以來，由于對紡織空調噴淋水泵的性能研究較少，設計僅采用按噴水量和噴水壓力直接選用水泵的方法。目前多數紡織企業的空調噴淋系統在實際運行中常采用工頻運行或手動變頻的控制方法[2]，其運行調節不及時，熱濕交換效率較差，造成水泵運行效率不高，節能效果差。部分企業雖采用了空調自動控制，對噴淋水泵進行變頻控制，但由于控制手段單純，沒有充分考慮噴淋系統的工作特性，系統雖有一定的節能性，但噴淋系統的整體性能和節能效果沒有達到最佳。本文從紡織噴淋水泵性能、管網運行特性規律分析，提出紡織空調噴淋系統采用恒壓變頻控制方案，以達到提高噴淋系統熱濕交換效果，降低噴淋水泵能耗，實現紡織空調噴淋系統精細化調節的目的，適應紡織生產向智能化方向發展的要求。

1 紡織空調噴淋系統組成及運行規律

紡織空調噴淋系統由水池、水泵、管路組件、噴淋排管、噴嘴和水過濾裝置組成。工作時，噴淋水通過水泵加壓，由管路組件送入噴淋排管，通過安裝在噴淋排管上的噴嘴霧化噴淋，實現對噴淋室的空氣進行熱濕交換，達到送風要求的機器露點狀態，由主風機送入車間，維持車間的溫濕度標準。圖1是水泵和管網聯合運行性能曲線示意圖，圖中橫坐標為水泵流量，縱坐標分別為水泵揚程、功率、效率、管網阻力。H、N、η、R曲線分別表示水泵性能曲線、功率曲線、效率曲線、管網阻力曲線。M點表示噴淋水泵在管網中的實際工況點。水泵工作時，實際工況點為水泵性能曲線和管網阻力曲線的交點處，應處于水泵的高效工作區。由流體力學分析可知，水泵的流量與轉速的一次方呈正比，揚程與轉速的二次方呈正比，功率與轉速的三次方呈正比。

圖1 水泵管網聯合運行性能曲線示意圖

紡織噴淋水泵選型時，應詳細計算噴淋系統的流量和管網系統的阻力，按照水泵性能曲線選擇水泵，使水泵的工作點位于高效工作區。紡織廠噴淋室的噴水量隨著室內發熱量和室外空氣參數變化而變化，需要及時調節噴水量，以適應噴淋室熱濕處理的要求，降低噴淋水泵的能耗。

2 噴淋水泵運行調節

紡織噴淋水泵需要根據噴淋室熱濕處理的要求及時調節噴水量。研究證明，水泵運行調節的有效節能方式是變頻調速，但是目前紡織廠空調噴淋室的實際狀況是多數企業仍采用恒工頻運行，或者分季節采用人工設定頻率的方式變頻運行，難以實現噴水量的及時調節，從而降低水泵能耗。少數企業雖采用了自動控制系統，變頻控制水泵的運行方式，實現了水泵降壓降流量調節。但由于紡織廠噴淋室的特點，噴淋系統的壓力主要為保持噴嘴霧化需要的噴水壓力（約占水泵揚程的85%），而噴水壓力又和噴嘴噴水量密切相關，噴嘴在一個時期型號固定[3]。噴淋水泵在降壓調節流量的同時，壓力呈二次方速率下降，而一定型號的噴嘴需要固定的壓力，才能保證其霧化效果。這種控制方式的實際結果是噴淋水泵的頻率反復間歇變化振蕩，以適應噴淋室熱濕處理的要求，實際增加了自動控制系統的內部干擾因素，降低了水泵的節能效果。克服這種弊病的方法是對噴淋水泵采用恒壓變流量控制方式，這也是提高噴淋系統響應速度和效果，實現噴淋水泵變頻節能的徹底解決方案。對變壓變流量調節和恒壓變流量調節的分析如下。

2.1 變壓變流量調節

在管網性能不變的條件下，對水泵直接進行變頻調節，水泵速度下降，系統流量和揚程同時下降，工作點沿管網性能曲線變化，實現了流量的調節。這種方法稱為水泵變壓變流量調節，如圖2所示。當水泵轉速由n1變化到n2時，由于原來管網性能曲線沒有改變，水泵性能曲線呈平行狀態向左下方移動，工況點由M1沿原來管網性能曲線變化至M2，隨著系統流量的減少，水泵揚程呈二次方速率下降。水泵功率與水泵的流量和揚程呈正比，呈三次方下降，節能效果較好。這種方法由于水泵揚程隨流量調節下降很快，對末端沒有固定壓力要求的系統較為合適，如城市采暖熱水供熱管網、中央空調冷熱水供應等。但對末端需要固定壓力的系統，如空調噴淋水系統、城市自來水系統等，會出現壓力不足，滿足不了末端壓力要求的問題。

圖2 水泵變頻運行示意圖

紡織廠噴淋室設計需根據一定的水氣比和熱濕處理要求確定噴淋系統的噴水量，噴淋管網和噴嘴個數及口徑在某個季節固定，噴嘴對噴水壓力有嚴格的要求。因此，采用這種變壓變流量調節方式在滿足噴水量調節的同時，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]。空調系統采用自動調節的控制方法時，如系統采用定露點控制方案，系統會自動提高噴淋水泵轉速和壓力以滿足機器露點的設定。若系統采用浮動露點控制方案，則系統會提高空調風機轉速，以增大送風量，滿足車間溫濕度的要求。而且控制系統由于送風的滯后性和反饋的延時性會引發反復振蕩調節，雖然能夠滿足溫濕度的控制要求，但是不僅增加了風機、水泵等機械損耗，而且對室內空氣的潔凈度和氣流也會產生影響，降低了空調自動控制系統的敏感性，節能效果也達不到最佳。若采用人工手動控制變頻，降低噴淋水泵轉速，則勢必會降低噴淋室熱濕處理效果。

2.2 恒壓變流量調節

針對上述分析，紡織廠空調噴淋室對噴淋水泵進行變頻調節時，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，流量由Q1變化至Q2時，適當改變原來管網性能曲線由R1至R2，水泵工況點由M1點沿等壓線變化至M2′點，實現了對水泵流量調節的同時保持壓力不變的特性。這種方法稱為水泵恒壓變流量調節。利用這種調節方法，可以保證噴淋水泵出口壓力處于恒壓狀態，在調節噴水量的同時，保證噴嘴的霧化效果，維持噴淋室的熱濕處理效果。并且系統運行穩定，不會出現由于系統本身的原因而反復調節的現象，從而維持空調系統自動控制系統的穩定性。

圖3 水泵恒壓變流量運行示意圖

比較兩種噴淋水泵調節方式，變壓變流量調節方法在流量變化的同時壓力下降，能同時改善給水管網對流量變化的適應性，提高了管網的供水安全可靠性，并且管道和設備的保養、維修費用減少。但這種控制方式對紡織廠噴淋系統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，還會產生系統的反復調節，影響自動控制系統的靈敏性。并且這種系統控制信號的采集和傳感比較復雜，邏輯計算量大，設計時必須有一定的管網基本技術資料和噴嘴性能資料，現場調試工作量大，應用有一定困難[5]。而恒壓變流量噴淋水泵控制可以實現在調節噴水量的同時保持噴水壓力不變，保證了噴嘴的霧化效果，系統可以通過調節工作噴嘴個數和噴淋水泵變頻實現精準調節。不會產生水泵頻率的反復變化，調節精度高。而且自動控制系統比較簡單，容易實現，運行調試工作量較少。在一定程度上解決了恒速水泵系統運行中的能源浪費問題，在紡織工業制造向智能化制造，紡織空調向精細化調節發展過程中，其應用前景廣泛。

從圖3可以看出，在調節噴水量時，需要改變噴淋系統的管網特性至R2才能達到噴淋系統恒壓變流量的控制效果。這時需要對噴淋排管立管進行控制，改變工作噴嘴數量，使管網阻力系數變大，性能曲線變陡，就可達到要求。如圖4所示，噴淋立管采用上進水，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，由控制系統根據需要控制開關噴淋立管閥門數量，通過工作噴嘴數量的變化達到管網性能變化的目的，實現恒壓變流量的調節方式。這種方法控制原件簡單可靠，維護方便，控制方法簡單，便于實現噴水量精細化控制。為不影響噴淋室的熱濕處理效果，控制噴淋支管時，應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節注意事項

為達到噴淋水泵恒壓變流量調節的效果，除需要對工作噴嘴數量進行調節外，還需要注意如下事項。

（1）水泵選擇。水泵制造精度嚴重影響水泵性能，研究證明對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，對主流形成沖擊，造成損失增加，半開式葉輪的二次流漩渦強度稍大于閉式葉輪，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。因此應選擇制造精度高的閉式結構葉輪離心水泵。以18.5 kW水泵為例，設備費不足2萬元，每年耗電約7.696萬元。在整個壽命周期內，水泵初投資占5%，維修費用占10%，能耗占85%，設備初投資費用很低。不能只求價格便宜而無視水泵的效率和性能。由于水泵在變頻調速時，水泵的性能曲線、效率曲線、功率曲線都會相應發生變化，水泵選擇應嚴格核對水泵性能參數，并對水泵技術性能參數及其變化規律進行分析，選擇變頻性能優良，變頻時具有比例壓差性能的水泵。一般應通過水泵制造單位的專用選泵程序進行水泵選擇，不能簡單地依據需要噴水量和揚程來選擇水泵。

（2）電機選擇。為保證噴淋水泵的效率，水泵配備電機應采用調頻性能好的YE3系列高效節能寬頻電動機，或YP系列變頻專用電機，使水泵的調頻性能適應范圍更寬，綜合效率更高。

（3）噴淋排管。在進行噴淋水泵恒壓變流量調節時，噴淋排管需要具有對工作噴嘴數量進行調節的能力。這也形成了管網特性曲線阻力系數變大，阻力曲線變陡，以適應水泵恒壓變流量調節的要求，需要在每個噴淋立管上安裝電磁通斷閥。

（4）控制方法。為了保證調節控制的可靠性，噴淋水泵頻率由噴淋室機器露點信號進行控制，噴淋排管工作噴嘴數量和噴淋水泵變頻應同時調節。采用節能優先的控制方案，不論噴淋水泵是降速運行還是增速運行，都應優先調節噴淋水泵頻率，再通過噴淋主管道壓力和設定壓力之差來控制噴淋排管立管的閥門，即可保證系統節能和控制靈活性要求，又滿足噴淋系統霧化效果，使空氣得到最大程度的水洗凈化。

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

3 節能實例分析

利用恒壓變頻控制方案對現有采用工頻運行空調室噴淋系統進行改造，原設計噴淋水泵裝機功率22 kW，采用在原空調噴淋水泵噴淋排管的基礎上，加裝噴淋排管立管控制閥門和空調自控系統及噴淋水泵恒壓變頻控制裝置，按照分季節進行檢測的方法比較，系統運行能耗比較見表1。

表1 不同季節系統運行能耗比較

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

由于紡織廠空調室噴淋水泵需要常年不間斷運行，水泵實際運行能耗很大，以某個新型11萬錠紡紗車間為例，需要空調室14套，噴淋水泵14臺，噴淋水泵總裝機功率301 kW，按上述計算，噴淋水泵采用恒壓變頻控制方案，年平均節約耗電可達4.87×105kW·h，節能效果明顯。

4 結論

紡織空調噴淋系統水泵裝機功率占空調系統的1/5，需要常年不間斷運行，采用工頻運行方式，能源浪費巨大。

空調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，降低水泵運行能耗，并可減少空調控制系統內部的反復調節，增加空調自動控制系統的敏感性。

空調室噴淋水泵采用恒壓變頻控制，應選擇高效節能的噴淋水泵和電機，并應對噴淋排管的立管進行控制，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采用浮動露點參數控制噴淋水泵頻率，采用噴排壓力參數控制工作噴嘴數量，確保調節效果。

利用變頻恒壓控制噴淋水泵對原有恒工頻水泵運行空調室進行改造，在確保噴淋室熱濕交換效率的同時，可實現噴淋水泵年平均節電22.8%的效果。