鋒速達通風降溫系統
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廠房通風機軸流式三元葉片的計算機輔助成型研究變頻器雙機熱備在
關鍵詞：葉片 三元流動 計算機輔助設計
一、引言
三元流動葉輪接近氣體在旋轉葉輪中流動的真實情況，因而性能優越，獲得越來越廣泛的應用。目前制造三元葉輪最簡便、經濟的工藝方法是鋼板焊接，主要過程為：放樣展開—板材下料—壓制成型—焊接—修型加工。因此，對葉片的空間描述、展開以及壓模的設計制造是直接關系著本工藝方法效率和葉輪性能的關鍵。由于三元葉片本身的復雜性和特殊性，氣動設計中一般只給定有限個基元葉柵和葉型的參數，對葉片缺乏統一有效的數學描述，葉片的展開和模具的制造困難。因此，該類風機設計制造的周期長，性能難以保證。基于這種現實，本文給出了一種利用計算機技術解決上述關鍵問題的一般性方法。
二、葉片型面的坐標計算
1.葉片型面的平面坐標
根據風機的氣動設計理論可知，葉片由一系列積迭在一起的葉型面組成。為了便于計算葉柵參數和引用平面葉柵試驗數據，葉型是在平面(圓錐面展開)上進行設計的，型面中弧線一般為圓弧形，而輪廓線則由沿中弧線的葉型厚度分布確定。
以型面中弧線的弦長方向作為X1軸方向，Y1軸過中弧線的圓心建立坐標系O1、X1、Y1，如圖1。設型面中弧線的半徑為r，弦長為B，型面輪廓線上任一點P處的葉片厚度為δ，所在徑向線與Y1軸形成的 圓心角為t(順時針為正)，則P點在O1X1Y1中的坐標可表示為
圖1 描述型面的平面坐標系
(1)對于葉片外表面(吸力面)取正號；內表面(壓力面)取負號；
(2)對于薄板型葉片δ取常數(暫不考慮邊緣修形)；
(3)-T≤t≤T,T=crcsin(B/2R)。
設該型面的形心為O2(x0，y0)，安裝角為θ，以O2為原點建立與型面安裝角無關的坐標系O2X2Y2(X2軸與圓錐面的素線重合)，則P點在坐標系O2X2Y2中的坐標為 其中，對于圖中圓弧板型葉片有 2.葉片型面的 空間坐標
上述的葉型是用圓錐面截切葉片，將截面展開后得到的平面圖形。為了得到真實形狀，需將截面卷回到圓錐面上。設圓錐面的端面半徑為R1、R2(R1＜R2)，長度為L，建立如圖2所示的右手坐標系O3X3Y3Z3，其中，X3軸與圓錐軸線重合，Z3軸與過積迭點的徑向線重合。則有如下的映射關系。
圖2 空間坐標系的建立
1.葉片曲面的形成
根據公式(1)、(2)、(3)，對于氣動設計中給定的任一葉型面，確定了積迭線(一般采用徑向線)后便可以準確地求得空間位置。型面輪廓線上任意點的空間位置可表示為
Pi(x,y,z)=P(r1±δ/2,t1,z01) (i=1,2,…,n) (4)
將上述n個截面積迭起來，便得到整個葉片曲面的骨架。為了得到光滑的葉片，還需要進行曲面擬合。下面是采用三次B樣條曲線擬合葉片的具體方法。
(1)求型值點Pi
對于截面i(i=1,2,…,n)，令ti=wTi(-1≤w≤1)，固定w，根據公式(4)，得到葉片上處于不同截面上的n個對應點P1，P2，…，Pn。
(2)構造三次B樣條曲線，反求控制點Qi
過上述點構造一條三次B樣條曲線，表示為
其中 i=1,2,…,n，令u=0，則有 令Pi(0)=Pi，Q0=Q1，Qn+1=Qn，得 至此，用追趕法可解得Q1，Q2，…Qn+1。
(3)生成曲面
令w連續變化，即控制P1，P2，…，Pn沿截面連續移動則得到光滑曲面，以［B］表示三次B樣條系數矩陣，可記為
Pi(u,w)=［u3 u2 u 1］［B］
［Qi-1(w) Qi(w) Qi+1(w) Qi+2(w)］T (6)
式中，0≤u≤1，-1≤w≤1，i=1,2,…,n-1。
2.葉片的展開
三元葉片屬于不可展曲面，只能進行近似的展開。令δ=1，根據公式(4)、(5)、(6)可得到葉片中面，將之劃分為若干微小 單元后可求得任意曲面單元的四個頂點p(u,w),p(u,w+Δw),P(u+Δu,w),p(u+Δu,w+Δw)。至此利用三角線法可得到較為準確的葉片展開圖。值得一提的是，除葉片的構型精度和劃分方式及曲面單元的數量以外，展開基點的選擇對展開精度的影響也很大。習慣上沿一端順次展開的方法會產生較大的誤差。建議以根截面(i=1)的中點(t=0)為基點。
3.平面型線的生成
(1)任意平面型線的求解
對于式(6)確定的葉片曲面，與任意平面ax+by+cz+d=0聯立求交，可得交線的方程為
［u3 u2 u 1］［B］(α［X(w)］T
+b［Y(w)］T+c［Z(w)］T)+d=0 (7)
其中，［X(w)］、［Y(w)］、［Z(w)］為控制矩陣［Q(w)］的坐標分量。
上式中，給定w=w*，得到關于u的三次方程，解方程后得u*，則(u*，w*)對應著一個交點(B樣條曲線與平面的交點)。按合適的步長，連續求得一系列交點，則得到需要的平面型線。
(2)等x值型線的簡便求解方法
將坐標系O3X3Y3Z3繞Z3軸旋轉β角(取β約等于葉弦角的平均值)得新坐標系O4X4Y4Z4，如圖3a，將式(4)表示的各葉型截面轉換到該坐標系中，得
如圖3 b所示，式(4)表示的曲線以及邊緣線(樣條曲線)，構成了葉片曲面的基本骨架，。取特殊位置平面x4=x*與之求交，可得葉片上的一系列點A1,A2,…,An；B1,B2,…,Bn。分別以A1,A2,…,An和B1,B2,…,Bn作為型值點可生成與上、下壓模對應的兩條型線。根據制造精度和工藝的要求，取一系列合適的x*，則得到一組簡便的壓模型線。
圖3 坐標轉換及型線求解
四、結束語
根據氣動設計提供的若干扭變截面，采用合適的數學模型擬合葉片曲面的方法簡便易行，葉片造型較為準確。在此基礎上生成的展開圖和平面型線圖可作為板材下料和設計壓模時的重要依據。經過軟件編制和樣機試制證明，本方法簡便可靠，葉片成型準確，焊接及修型加工方便，是提高該類風機生產效率和性能的有效措施。
來源：佳工機電網
>摘 要: 本文結合遼陽石化公司60KTCBL-IV型裂解爐引風機應用變頻器雙機熱備技術的設計及應用經驗，闡述了雙機熱備變頻調速工程的構成，分析了熱備用變頻器切換需要關注的技術問題并提出了解決措施。
關 鍵 詞: 變頻器 裂解爐引風機 雙機熱備 閉環控制
Abstract: This paper combines the design and application experience of the dual heat reserve inverter technique of 60KTCBL-IV cracked stove ventiLage fan machine in petro-chemical corporation of Liaoyang, explains the compositions of dual heat reserve frequency variable adjusting speed system, analyses problem which need to paid close attention to with dual heat reserve inverters switch technique and proposes measure of solving.
Keywords: Inverter VentiLage fan machine of cracked stove Dual machine heat equipment Closed loop control
1 引言
遼陽石化公司乙烯裂解爐的爐膛負壓原來主要是依靠改變裂解爐引風機擋板開度來調節的。此種風量調節方式不但使風機的效率低，也使許多能量無謂地消耗在擋板上，且設備故障率高，維修量大。為此，對原乙烯裂解爐風機進行了變頻調速改造，并在新建裂解爐上采用了雙機熱備變頻調速控制方式。
為保證安全生產, 裂解爐在正常運行時必須保持一定的負壓, 否則聯鎖動作, 切除裂解爐側壁火嘴進而停爐。裂解爐運行時的自產高壓蒸汽用來驅動乙烯裝置的核心設備—裂解氣壓縮機。新建KTCBL-IV型裂解爐的加工量為 6萬噸/年，目前約占全公司乙烯裝置加工量的50%，該裂解爐引風機故障將導致聯鎖停爐，使裂解爐自產高壓蒸汽急劇減少、高壓蒸汽量大幅波動，而高壓蒸汽波動,極易造成裂解氣壓縮機的停運，造成裂解裝置停車，大量裂解氣通過火炬燃燒排放，同時影響下游裝置的生產運行，給公司造成巨大的經濟損失。鑒于該引風機在裂解爐運行中的重要性，我們采用了兩臺變頻器相互熱切換來控制一臺引風機電機的方式，以確保裂解爐引風機的安全平穩運行。
2 雙變頻切換存在問題及解決方案
2.1 切換沖擊電流對切換的影響
當運行變頻器故障或運行變頻器所在母線電源失電造成變頻器欠壓跳閘時，直接切換到備用變頻器，備用變頻器很可能由于電流沖擊而導致變頻器過流故障，造成切換失敗。當電機從運行變頻器斷開后，轉子由于慣性作用繼續旋轉，定子電流雖然為零，但由于剩磁作用將在定子繞組中產生感應三相電壓，電壓隨轉子轉速的下降而減小。當電機切換到備用變頻器運行時，定子繞組中感應電壓的大小、相位將決定是否能夠平穩切換。如果切換時刻感應電壓和備用變頻器輸出電壓在允許的同相角范圍內，切換就較容易; 如果在非同相角范圍內，就會產生嚴重的沖擊電流，導致變頻器過流跳閘，切換失敗。
2.2 電機電纜長度的影響
由于變頻器輸出的是電壓快速變化的正弦調制波形，快速的電壓變化會使電纜的寄生電容產生容性電流。該電流隨逆變開關頻率和電纜長度的增加而增加。當逆變模塊開關頻率為3kHz, 變頻器功率在30~200kW, 采用非屏蔽電纜時，一般要求變頻器至電機的電纜在150m以內。當電纜長度超過允許值, 電纜對地的分布電容就會進一步增大, 即使在變頻器正常運行時, 輸出的諧波電流值就很大, 在切換過程中，極容易出現諧波尖峰電流造成變頻器過流跳閘, 切換失敗。
2.3 解決方案
(1) 增加切換延時
電機從運行變頻器斷開后處于發電運行狀態，感應電壓隨轉子轉速的下降而減小。延長備用變頻器投入的時間，對減小電流沖擊是有好處的。但是延時太短，效果不明顯;延時太長，又不能滿足生產工藝的要求，因此不是解決問題的根本方法和最佳方案。
(2) 加大變頻器容量
變頻器單臺應用時，一般情況下，變頻器的容量選擇可按Iinv≥1.05Ie~1.1Ie(Iinv為變頻器額定輸出電流，Ie為電機額定電流)來選擇。同時要考慮負載特性、安裝環境等因素的影響。在應用變頻器熱切換時，考慮到切換瞬間較大的沖擊電流，我們采用了適當增大變頻器容量，使變頻器能夠承受切換時的峰值電流的方案。
（3) 加裝交流電抗器
在變頻器至電機之間加裝輸出濾波電抗器, 改變了電機電纜的電氣參數, 可以有效降低諧波電流, 減小切換時的電流沖擊。同時對改善電機的發熱和振動也有好處。交流電抗器可按變頻器產品說明書中提供的規格加以選用, 也可自行制作。
(4) 采用變頻器跟蹤起動功能
現在較大功率變頻器都具有跟蹤起動功能。設定應用此功能后, 變頻器在每次起動時都會自動檢測電機狀態, 然后根據電機的狀態輸出與電機相近的速度與電壓來驅動電機。這樣就有效地防止了定子繞組感應電壓的倒灌, 減小了沖擊電流。
3 裂解爐引風機雙機熱備變頻調速工程
裂解爐引風機雙機熱備變頻調速工程電氣一次回路圖如圖1所示。
VF1和VF2兩臺變頻器的電源分別取自不同380V母線的低壓抽屜柜，兩臺變頻器的參數設置完全一樣。風機的起動、停止、信號、切換延時等控制功能均由一臺小型PLC來實現，啟動哪一臺變頻器由轉換開關來控制。為增強可靠性，通過接觸器輔助觸點和PLC程序實現了KM1、KM2的雙重互鎖。該工程實現了閉環控制, 兩臺變頻器共用一個4~20mA信號，其調節過程如圖2所示。爐膛負壓信號經微差壓變送器傳送到DCS(離散控制工程)進行PID運算,由調節器輸出4~20mA信號來控制風機轉速,進而調節爐膛負壓使其維持在理想控制值。
該裂解爐引風機配用電機型號Y355M1-10; 額定功率Pe=90kW, 額定電流Ie=192A, 額定轉速為ne=592r/min。變頻器輸出側至電機的電纜長度為350m。我們選用了富士系列變頻器FRN132G11S-4CX，并配有相應的輸入、輸出電抗器。設定了轉速跟蹤功能，即高級功能H09=2。
4 結束語
2004年6月, 利用生產裝置停產檢修的機會, 完成了該套工程的改造，經過實際測試，由PLC控制的切換間隔可以設定為0，即實現了無間斷熱切換。2004年7月, 該雙機熱備變頻調速工程投運以來，運行穩定, 操作方便。至今該套工程在實際運行中發生過兩次熱切換，都成功實現了無間斷轉換，達到了預期的效果。因此, 應用變頻器雙機熱備技術, 滿足了生產工藝對該吸風機工程安全性、可靠性的要求，解決了以往因一段供電母線故障或電源電壓波動造成風機停運進而影響裂解裝置安全運行的問題，同時因取消風量檔板調節, 應用爐膛風壓閉環控制, 使裂解爐運行更加平穩、可靠, 對生產平穩運行起到了保駕護航的作用。
摘要： 本文對戶式中央空調工程的特性進行簡單介紹。對工程的優化設計及運行控制方法進行分析。結合變頻水管戶式中央空調工程，對工程的優化設計方法和運行控制技術進行了討論。
1． 引言
隨著城鎮居民生活水平的提高和住房面積的改善，人們的居住觀點從單一注重居住的實用性、功能性等底水平要求向注重舒適性、室內空氣品質等高層次需求轉變。因而戶式中央空調得到迅速的發展。戶式中央空調已經被中國空調行業中的大多數人士公認為未來住宅空調的主流產品。與普通空調器相比較，戶式中央空調具有舒適、美觀、節能等特點；不僅可以引入新風、改善空氣品質，消除“空調病”的煩惱，而且使居住室內空氣分布更加均勻、溫度波動小，舒適感好。
戶式中央空調根據輸送介質的情況通�？煞譃槿�， 即以空氣為介質的風管式空調工程、以水為介質的水管式空調工程和制冷劑直接蒸發的一拖多多聯機。風管式空調工程與集中全空氣中央空調工程原理相似。它具有良好的新風空調工程，且投資較小，但風管占用空間體積大，要求較高的層高是其不足。水管式空調工程由室外機組產生的冷熱水,經水管工程輸送到室內各個末端裝置。該工程可以對每個空調室進行單獨調節，滿足各個空調室的要求，因而具有較好的節能效果。但該工程對負壓通風系統布設有些困難。制冷劑直接蒸發空調工程一般采用一臺室外機通過制冷劑管路向多個室內機輸送循環�；谧冾l和電子膨脹閥技術的一拖多多聯機具有節能、運轉平穩等優點，但對引進新風困難、長管路工程低流量的回油問題及現場安裝要求是其不足。由于戶式中央空調工程在中國的發展起步較晚，在設計和運行中還存在著許多問題。隨著對節約能源、減少運行費用、環境保護及室內空氣環境要求的提高，對戶式中央空調的提出了更高的要求。因而優化設計和運行戶式中央空調工程，使其保證運行效率高、減少環境污染及提高居住的舒適性是目前亟待解決的問題。本文將對以變頻水管式空調工程為例，對工程的設計參數進行分析，并對工程優化設計和運行進行探討。
2． 變頻水管戶式中央空調工程優化設計方法
水管式空調工程由室外機組產生的冷熱水,經水管工程輸送到室內各個末端裝置。該工程可以對每個空調室進行單獨調節，滿足各個空調室的要求，因而具有較好的節能效果。變頻水管式空調工程加上獨立的負壓通風系統是一很有發展前景的理想的節能舒適型戶式中央空調工程。因而其優化設計具有極其重要的價值。
傳統的制冷工程設計方法是基于經驗加實驗為主。通常經驗設計方法簡便易行，對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小。然而經驗設計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩定性差的缺點，只適于產品的初步開發。而基于理論預測的優化設計技術可以有效地彌補經驗設計和實驗的不足，不僅為提高產品的設計可靠性和效率提供保障，而且對產品的優化提供了有效的途經。
最優化方法就是在一切可行方案中選出最優方案的方法。在最優化設計中，表征方案的一切獨立變量為設計變量。最優化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價方案優劣的指標決定于該方案所選定的設計變量，即該指標為設計變量的函數-目標函數。在工程優化設計中，設計變量的取值常常受到種種條件的限制，即約束條件。
變頻水管式空調工程由變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器、電子膨脹閥、室內機、制冷劑管路和水泵水管路工程組成。根據制冷工程熱力學理論，利用參數動態分布、相互關聯的方法，建立工程各部件數學模型和運行參數動態方程，組成工程運行參數的方程組，并對該工程進行動態模擬。模擬工程的動態特性，為優化設計提供依據。
為滿足空調工程的節能、熱舒適性及制冷制熱好的效果，空調工程的能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度要達到指標要求。因而在優化設計時，分別選取能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度為目標函數的多目標優化方法。同時考慮滿足冷凝器和蒸發器結構、面積范圍、迎面風速范圍、工程溫度和壓力變化范圍、水和制冷劑流量范圍、過冷過熱度范圍和室內機數量等約束條件的要求，利用優化方法進行對上述目標多目標優化計算。因而變頻水管式空調工程的優化問題可表達為如下形式
(1)將多目標優化計算問題轉化為單目標優化問題。并對單目標問題構造一個新的函數：
(2)其中 為遞減的正數序列，即：隨著 的增大， 的值逐漸趨向于零。這樣通過構造懲罰函數的方法將原有約束最優化問題變換為一系列無約束最優化問題。結合變頻水管式空調工程動態模擬技術進行空調工程單目標優化計算的主要程序為:
(1) 選定初始懲罰因子 及收斂精度 和 ；
(2) 利用變頻水管式空調工程動態模擬，計算工程能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度；
(3) 極小化 ，得最優解 ；
(4) 根據事先規定的兩個很小的正數 和 檢驗 和 ；是否成立，如成立則 ，否則取 ， 為小于1的正數，一般可取 ；
(5)令 ，轉至第(3)步。
這樣完成了變頻水管式空調工程的綜合優化設計。
3. 變頻水管戶式中央空調工程運行的優化控制
節能和舒適是變頻水管戶式中央空調工程優化的目標。在工程的實際運行過程中，由于氣候的變化、使用情況的復雜性，工程始終在非標準工況下運行。如何對變頻水管式空調工程優化運行控制，是解決工程運行的可靠性和節能的關鍵所在。智能化主要是采用現代人工智能技術來控制水管戶式中央空調工程的運行，使之能在最佳的狀態下工作。信息化是制冷空調工程發展的必然趨勢，目的是使其能擁有收集信息、處理和加工信息、以及發出信息的功能，包括與網絡的連接。由于變頻制冷壓縮機、電子膨脹閥等執行機構的研制成功和不斷完善，使得制冷空調工程電器上采用先進的智能控制成為可能。變頻水管戶式中央空調工程是一個多變量、非線性時變的工程，經典的控制方法如PI、PID等都需要有工程的精確數學模型，而建立合理且精確的數學模型又比較困難，因此這些控制技術難以在空調工程中應用。模糊控制技術采用模糊推理方法而且不需要工程的數學模型，具有其它控制方法無法比擬的優勢。而在戶式中央空調工程上采用模糊控制技術的前提是必須裝有變頻壓縮機。
模糊控制的控制方案是由某些"如果-那么"這樣的條件語句構成。這些條件語句都是模糊語句，表示了工程狀態和控制行為之間的關系，稱之為"行為規則集"。行為規則集不是一個簡單的查詢集，是要從目前的實際狀態出發，通過行為規則集的推理得到控制方案，即產生"模糊推理算法"。模糊控制工程的關鍵部分是"行為規則集"和"模糊推理算法"兩大部分。前者是人工操作的經驗，后者涉及模糊集的運算與理論。模糊控制工程還必須有感知目前狀態的傳感器工程及控制行為指令的輸出工程。傳感器工程是通過光電信號對控制對象的目前狀態進行測量的工程，控制行為指令輸出工程是改變控制對象未來狀態的工程，它們都是控制器的硬件部分。
變頻水管戶式中央空調工程的模糊控制就是快速感知空調房間和環境的各主要參數，即通過傳感器獲得室溫變化、室內外溫濕度、房間使用情況和人的狀態等大量數據，將這些實測數據與大量經驗數據相比較，應用模糊理論使變頻壓縮機、電子膨脹閥和風機轉速及水工程的流量調節閥等這些執行機構做出相應的快速調節。在舒適性空調中，影響舒適度的六個因素是人體的活動量，著衣量，室內外溫、濕度，氣流的強度和方向，以及輻射熱的大小。模糊控制根據這六個要素綜合判斷，得出最優的控制方案。在控制目標方面從早期的溫度控制發展到以PMV（Predicted Mean Vote）作為控制基準，即：
(3)利用變頻模糊控制，可以使變頻水管戶式中央空調工程具有以下功能：
(1) 快速制冷制熱功能，控制除濕運行；
(2) 高溫制冷及除霜優化控制；
(3) 工程巡檢，調節壓縮機轉速；
(4) 結合"人體PMV感知器"進行綜合判斷分析比較；
(5) 工程節能運行且噪音低。
因而具有以上功能的模糊變頻的優化控制技術為空調器帶來的主要優點有：
(1) 高效節能。由于壓縮機大部分時間處于變頻控制的工作狀態，減少了空調器起停時的能量損失；基于優化的模糊變頻控制技術工程的室外機的運行與室內的負荷及參數變化趨勢相匹配，因而提高了工程運行的能效比。
(2) 穩定可靠。采用模糊變頻控制技術后，工程長期處于平穩的動態運轉狀態，大大減少了壓縮機啟停次數,增強了壓縮機壽命。
(3) 范圍寬廣。采用模糊變頻控制技術后，變頻水管戶式中央空調工程的制冷(熱)量有較大的變化范圍，可以適用于多種工況及工程的優化除霜。
(4) 超級舒適�；�"人體PMV感知器"進行綜合判斷分析,使連續可調的戶式中央空調工程達到設定溫度快，不僅溫度波動小，而且滿足了人體的綜合舒適要求。
(5) 運轉噪音低。工程處于連續的動態中低工況運轉，大大減少壓縮機的啟停，減少了噪音
4. 結論
對戶式中央空調工程特點進行簡單的介紹。以制冷工程熱力學理論為基礎，根據工程的參數動態分布、相互關聯的理論對變頻水管戶式中央空調工程的多目標優化方法進行分析。工程優化計算方法與工程動態模擬相結合，不僅實現了變頻水管戶式中央空調工程的模擬優化，而且對工程
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