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降溫水簾新風節能型空調機組中通風機的選型設計西門子6RA7093－4
摘要：從理論上對空調機和全熱換熱器聯用的新風、節能型空調機組中管道的阻力工程進行了分析，并根據工程實例進行了選型設計，得出可提高該類型通風機效率，降低成本的結論。
關鍵詞： 空調通風機 節能 選型
Selection Design of Fan for Fresh Air in Energy-saving Air Conditioning Unit
Abstract: The theory about resistance system of pipe for fresh air and energy-saving air conditioning unit used by air conditioner and heat exchanger is analyzed. According to the project example, selection design is carried out, the result shows, the efficiency of fan is improved, and the cost is reduced.
Key words: Air conditioner Energy saving Selection
1 引言
空調機和全熱換熱器是兩個不同的產品，各自獨立運行。我校開發了全熱換熱器與空調機聯用的新風、節能型空調工程，如果只是將兩者簡單地組合聯用，將會導致送風工程中全熱換熱器送風風機和空調機蒸發風機的短距離串聯，從而會影響全熱換熱器及空調機的性能。
針對這種情況，筆者建議選用一臺風機取而代之，這樣就能同時滿足新風空調工程的送風要求。根據通風機的工作原理、其阻力和流量的關系式，繪制了通風機管道特性曲線，結合實際工況下的通風機特性曲線，對新風、節能型空調機組中的通風機進行了選型，改變了原來空調機和全熱換熱器各有一臺通風機的局面，從而達到了節能、高效和降低成本的目的。
本文將重點介紹如何選定該風機及其性能參數。
2 理論分析
2.1全熱換熱器單獨運行時送風機的工作原理
當全熱換熱器單獨運行時，其送風機F1需克服的阻力為全熱換熱器自身和連接管道的阻力之和 G1（見圖1），點M1為送風機的實際工況點。
2.2 空調機單獨運行時蒸發風機的工作原理
當空調機單獨運行時，蒸發風機 F2要克服的阻力 G2包括空調機蒸發器空氣側的阻力以及連接管道的阻力（見圖2），點M2為蒸發風機的實際工況點。
2.3 全熱換熱器與空調機聯用時風機的工作原理
當全熱換熱器與空調機聯用時（見圖 3 ），管道阻力此時的增大值為 G 。如果仍讓送風風機和蒸發風機在工程中工作，則此時 F1·F2的工況點分別為M1、M2（見圖4）。當用一臺風機 F來代替F1、F2這兩臺風機工作時，此時F的實際工況點為M。
為保證空調效果，風機F所提供的風量不能減少，所提供的壓頭也得能克服全熱換熱器、空調機及連接管道的阻力。
風機選型的大致步驟如下：
�。ǎ保┓治鲲L機的工作條件，確定風機的種類及型號；
�。ǎ玻┐_定用戶需要的風量Qmax，由管道水力計算得出所需要的風壓pmax。在考慮一定的安全值的情況下，確定風機的風量及風壓，利用選擇特性曲線圖來進行初選。如風機工作條件與標準條件不符，應換算為標準條件下的風壓。
（３）利用選擇該風機的特性曲線，繪制出管道特性曲線，并作出工況點，然后進行校核。同樣，如風機工作條件與標準條件不符，應換算為工作條件下的性能參數。
2.4.1管道水力計算
當空氣在有風機帶動的管道內流動時（見圖5），列出斷面1、斷面2的氣流能量方程為
2.4.2 風機性能參數換算
風機制造廠家提供的風機性能是風機在標準狀況下的工作性能，在實際使用中，受各種因素影響，風機的實際工作狀況與標準狀況并不相同，必須對風機的性能進行換算，以確定風機的實際性能參數（見圖 6 ）。如果不考慮大氣參數改變對風機性能的影響，那么按照曲線 A 選擇的風機則有可能不能滿足要求。
外界大氣參數（大氣壓力pb、溫度t）改變時，換算公式為
2.4.3 風機選型（見圖7)
風機選型時要考慮一定的安全裕度。通常，風量的安全裕度為（5 ～10）％，風壓的安全裕度為（10 ～15）％。即風機選型時的風量和風壓分別為
Qc =(1.05～1.1)Q
Pc =(1.1～1.15) P
３實例
如圖 4 所示，北京某家庭安裝該全新風空調工程，夏季溫度 33.2 ℃，設計風量為 500m3/h。管道長5m，采用斷面尺寸為 250mm×160mm 的膠合板標準矩形風管。
3.2風機選型
由于風機在民用空調工程中工作，考慮到噪聲要求，風機 F 可選用 FGD 系列方接口低噪聲管道風機。 風機的風量與風壓，考慮一定的安全裕度時為：
Q=1.05×500=525m3/h P=1.1×160.47=176.52Pa
由于當地大氣壓為 99860 Pa ，溫度為 33.2 ℃，與標準條件不符，風壓需進行換算。標準條件下的風壓為
FGD-Ⅰ№40-20M風機可滿足要求。
根據式（10）～（12），可做出管道特性曲線，得出風機的實際運行曲線（見圖 8）（由于篇幅所限，只列出兩臺設備聯用時的風機選型結果圖）。聯用后，風機F的工作參數（即圖上M點坐標）為
Q=518.50m3/h ，p =171.83 Pa 。
４結論
綜上所述，用一臺風機取代兩臺風機工作，選擇該臺風機時應遵循
>武山水泥廠2號窯1000t/d生產線窯尾熱風機設計采用原民主德國整流柜和西班牙直流電動機調速裝置，其中整流柜是民主德國80年代初的產品，使用由分立元件組成的模擬插件。直流電動機額定參數：電壓DC600V，電流1140A，功率655kW，轉速990r/min。自1992年投產以來，由于現場粉塵較大，經常造成工程接觸器輔助觸點接觸不良、插件板內部元件及線路積灰產生不完全短路的耦合干擾等故障，經多年使用，元件逐漸老化，參數發生漂移，使整流柜多次發生故障，年平均影響停窯40h以上，且該整流柜隨機配件也已經用完，為保證窯的正常運轉，提高窯運轉率，1999年底進行了技術改造，經多種型號整流裝置性能價格比較，采用了西門子6RA7093－4G直流調速裝置。
1 6RA7093－4G直流調速裝置介紹
6RA7093－4G為全數字緊湊型整流器，由2臺功能強大的微處理器進行所有閉環控制及電樞和勵磁回路的控制。工程所有的數據傳輸采用軟連接開關（功能同寄存器，2個相同參數編號的軟連接開關存放相同的數據，類似一般電氣回路的連接開關）,通過操作面板以數字編號輸入，操作簡單，抗干擾強，可適應惡劣的工業控制環境。整流柜額定參數：輸入電壓AC575V、電流1326A，輸出電壓DC690V、電流1600A，最大額定過載倍數1.5，軟件版本1.2。
1.1 內部單元控制原理
我廠在應用中沒使用固定給定單元、強制和振蕩單元、點動給定值單元、爬行給定值單元、脈沖編碼值計算單元、摩擦補償單元、轉矩限幅單元和EMF閉環控制單元，實際簡化后的工程控制單元連接構成原理如圖1。外部回路接線見圖2。
外部回路接線示意工程各單元工作原理如下：
啟/停端子37：高電位有效，整流器微處理器開始自檢，無故障時，端子109/110閉合,發出啟動信號，允許進線接觸器合閘，整流器按照斜坡函數發生器的斜率加速至給定運行速度。低電位時通過開關連接器B0161使斜坡函數發生器、電流調節器給定值限幅閉鎖，當轉速低于最低設定轉速時，端子109/110斷開進線接觸器。在實際應用中，由于我廠6kV高壓進線主開關為真空斷路器，操作機構為CD10－Ⅱ型，與6RA70整流器出廠時設計為接觸器不同，沒有按照西門子使用手冊推薦的接線方式，而將端子37接進線斷路器QF常開輔助接點。沒用109/110端子，而使用了故障輸出繼電器的常開/常閉接點，當工程無故障時，常閉接點允許合閘按鈕接通進線斷路器合閘線圈合閘；有故障時，常開接點閉合接通跳閘線圈斷開進線斷路器，這樣外部的分/合閘按鈕與端子37正常運行時保持高電位的功能相一致。
運行使能端子38：高電位有效，斜坡函數發生器放開，當端子37高電位且進線電壓已到達，整流器允許調速。低電位時電動機減速至零速，斜坡函數發生器閉鎖。在實際應用中，將端子38接入進線斷路器QF常開接點。當QF合閘后斜坡函數發生器自動放開，簡化了操作步驟。
端子36、39：電動電位計升/降速輸入，高電位有效，端子36或39高電位，P468或P469延時上升或下降至設定運行轉速，經軟連結開關K0240輸出。
給定值限幅：給定值P644（K0240）經PI處理，最大值、最小值限幅輸出。
斜坡函數發生器：將給定值限幅輸出經PI處理，輸出軟化的斜坡曲線，并經限幅，輸出至軟連結開關K0170。
速度調節器：K0170經PI調節處理，與測速機反饋信號比較處理輸出至軟連結開關K0148。
電流限幅：P601（K0148）經P171、P172正、反限幅，輸出至軟連結開關K0120。
電流調節器及觸發單元：K0120經PI處理，輸出至電流調節器微處理器進行PI處理，再輸出到脈沖觸發器微處理器處理，輸出正反兩組共12個觸發脈沖。
功率單元：有6個固態繼電器SCR和6個快速熔斷器組成主功率單元，4個SCR組成勵磁功率單元。
勵磁電流閉環控制及觸發單元:經PI閉環控制輸出4個觸發脈沖。
1.2 外部回路接線端子
1)輸入開關量端子36（升速）、37（啟/停）、38（運行使能）、39（降速）為24V，34為24V電源。由于現場粉塵大，容易造成24V回路數字量接點接觸不良，為提高可靠性，對遠距離數字量開關信號輸入36、39用AC220V繼電器（圖中Ku、Kd）進行遙控操作，在控制柜內作隔離轉換。
2)輸出開關量端子46和47、48和54、最大負載DC24V/100mA，有短路保護。其中46和47是“故障”輸出端子，48和54是可選擇輸出功能端子,實際編程為報警輸出�，F場為提高可靠性,使用24V固態繼電器SSR（注意輸出最大負載為DC24V/100mA）再驅動220V繼電器（圖2中KA1、KA2）進行轉換。
3)模擬量輸出端子12和13、14和15、16和17，最大輸出范圍±10V/2mA。其中12和13是實際電樞電流，輸出0～10V，引至整流柜面板電流表；14和15是可選擇輸出端子，輸出信號范圍±10V，實際編程為給定速度（從K0240引出）輸出0～10V，引至窯頭中控室作遠距離調速時的給定參考；16和17也是可選擇輸出端子，可編程為整流器內任意參數，輸出信號范圍±10V，實際編程為電樞電流（從K0109引出），輸出0～25mV，引至電動機機旁操作箱電流表（距離約10m,原整流柜取自直流回路分流器25mV/2000A，實際使用中該信號有一定誤差，用470Ω分壓電位器校準），作現場監視用。
4)模擬測速機反饋輸入端子103和104，輸入電壓范圍8～270V。
5)109和110：進線接觸器合閘信號，未使用。
6)YO：高壓斷路器合閘線圈；YR：高壓斷路器跳閘線圈。Su：升速按鈕；Sd：降速按鈕；S1：高壓合閘按鈕。
7)由于對實際輸入電源電壓的不確定，西門子6RA70系列整流裝置出廠時無電源進線過電壓保護，使用時需根據實際電源電壓選擇合適的阻容及壓敏吸收保護回路作進線電源過電壓保護。我廠實際采用了配熔斷器的壓敏電阻保護。
8)由于對實際輸出電源電壓和輸出功率的不確定,西門子6RA70系列整流裝置出廠時無輸出速斷保護。使用時需根據實際輸出電壓和功率選擇合適的直流快速開關或快速熔斷器作輸出速斷保護。我廠在運行中曾發生一次直流電動機繞組短路，由于未設計出線短路保護，引起整流器4個SCR快速熔斷器熔斷事故，在2001年新安裝的窯中6RA7091－6D整流柜出線端已配了一只1200A的快速熔斷器，擬對6R7093－4G也安裝一只1200A的快速熔斷器。
2 6R7093－4G與原整流柜的切換
1)為保證窯的運轉可靠性，我們設計了用于6R7093－4G與原整流柜之間的切換柜，當任意一臺整流柜發生故障時工程能夠快速切換至另一臺整流柜（實際總是以6R7093－4G整流柜運行，原整流柜為備用）。該工程控制比較復雜，共計有30多條外引控制線、6根6mm2勵磁電源線、17根150mm2主電源線，如果這么多根線要從一臺整流柜接到另一臺整流柜，至少需要6h以上，我們設計利用兩個LW5－15轉換開關和四個HS雙投隔離開關，分別作控制線和電源線的切換，實際使用時5min內就能完成切換。
2)為避免新盤再敷設電纜及安裝指示燈、電流表和按鈕，并保證窯頭看火工操作的可靠性，所有控制線、電源線、按鈕、電流表、指示燈都和原控制工程共用，用LW5－15轉換開關轉換，使兩套整流柜之間互相隔離，當任意一臺整流柜運行時，還可對另一臺進行調試和維修。
切換柜投運以后，實際使用效果很好。
3 運行體會
各參數設定完畢，通過P051選擇合適的電動機優化運行方式,優化運行電動機自動測量計算電樞和勵磁回路以及電流調節器、速度調節器參數。在初始升速中，有時發生電動機加速過快，以最大電流運行，這時可將電動電位計給定值積分時間或斜坡函數發生器積分時間增大（不要從速度調節器及以后單元增大積分時間，這樣容易造成給定值與反饋值差值處理時間延遲過長，工程調節變慢，引起故障F31動作），可獲得平穩的起動或加速電流。該西門子6RA7093－4G直流裝置控制簡單，只使用5個開關量就實現了整流柜與高壓斷路器DC220V操作回路的啟/停操作，由于使用了電動電位計調速，使調速變的簡單可靠；6RA7093－4G內部故障功能能使進線斷路器在故障狀態不能及時分閘的情況下可閉鎖直流裝置內部數據和輸出，由于高壓斷路器操作機構CD10－Ⅱ的跳閘機構有時不能可靠動作，該功能在實際使用中很重要。
改造完成后,工程運行可靠，窯臺時產量和運轉率大幅提高(見表1)。
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