【文章內(nèi)容簡介】 螺桿安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 壓縮機繼續(xù)增壓一冷凝器 (氣態(tài)氨 變成液態(tài)氨 )一熱虹吸儲液器一低壓調(diào)節(jié)站一汽化器(液態(tài)氨變成氣態(tài)氨吸收熱量使鹽水降溫 )一氣態(tài)氨被吸回低壓螺桿機 (完成～個循環(huán) )。鹽水循環(huán)系統(tǒng)流程：鹽水在鹽水池中經(jīng)過 (液態(tài)氨變成氣態(tài)氨吸收熱量使鹽水降溫 )降溫，通過離心泵送入鹽水管路，進(jìn)入地溝槽的鹽水分配器。分配給各個分鹽水管路。循環(huán)上來以后進(jìn)入鹽水集中器，經(jīng)鹽水回路回到鹽水池 ,再通過 (液態(tài)氨變成氣態(tài)氨吸收熱量使鹽水降溫 )完成一個循環(huán)。低溫鹽水在凍結(jié)管中沿環(huán)形空間流動時，吸收其周圍巖層的熱量，使周圍巖層凍結(jié)，逐漸擴(kuò)展連成封閉的凍結(jié)圓筒 (凍結(jié)壁 )。 凍結(jié)施 工存在的問題 一方面由于凍結(jié)施工工程中對鹽水流量的控制通常根據(jù)以往的施工經(jīng)驗和測溫孔、凍結(jié)器的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的，溫度場數(shù)據(jù)與鹽水流量的控制并沒有很好的進(jìn)行結(jié)合，使的溫度數(shù)據(jù)分析的結(jié)果不能完全反映實際凍結(jié)壁的情況，而且每隔一段時間分析的數(shù)據(jù)結(jié)果對流量、溫度的控制并沒有起到很大的作用，數(shù)據(jù)的利用率很低，沒有實現(xiàn)溫度場分析與流量、溫度控制相結(jié)合的真正意義上的數(shù)字化施工。另一方面凍結(jié)制冷系統(tǒng)一旦啟動就要運行到井筒永久結(jié)構(gòu)完成才能停止，鹽水循環(huán)系統(tǒng)的正常運行直接影響到整個凍結(jié)工程的質(zhì)量。目前的鹽水循環(huán)系統(tǒng)都是采用三 相異步電動機拖動離心式水泵帶動整個管路中的鹽水進(jìn)行循環(huán)。通常，現(xiàn)場所選離心泵的流量、揚程可能會和管路中要求的不一致，由于泵選型時留有裕量，甚至泵的額定參數(shù)超過工藝參數(shù)的一倍以上。而實際工藝操作常有變動，即要根據(jù)情況調(diào)節(jié)鹽水管路中的鹽水流量，調(diào)節(jié)過的泵的實際操作參數(shù)偏離其額定參數(shù)時，泵的工作效率將大大降低，而目前各個凍結(jié)站調(diào)節(jié)流量的減小往往都是通過關(guān)小泵出口閥來實現(xiàn)，這樣閥門處阻力加大，水力損失也隨之增大，不但縮短了泵的有效壽命也必然降低泵的總效率，由此而引起的電能損失也是相當(dāng)可觀。 國內(nèi)外交流變頻技 術(shù)的發(fā)展 變頻技術(shù)方面，目前國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化和系統(tǒng)可靠性等方面仍與國外水平有不小的差距．這種電機在抽水蓄能電站機、大容量風(fēng)機、壓縮機、軋機傳動、礦井卷揚方面都有很大的應(yīng)用價值，且需求量很大。中小型功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的 V/F 控制，只有少量的樣機采用矢量控制，生產(chǎn)數(shù)量及技術(shù)性能方面遠(yuǎn)不能滿足市場需要，目前還需要大量的進(jìn)口設(shè)備。總結(jié)電氣傳動控制系統(tǒng)關(guān)系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，來實現(xiàn)電能和機械能的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗等目的．電氣傳 動分成不可調(diào)速和可調(diào)速兩大類，可調(diào)速方式又可細(xì)分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種方式。不可調(diào)速的電動機直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，這類原本不可調(diào)速的機械越來越多地由可調(diào)速的傳動裝置來代替，以節(jié)約電能，降低能耗．在我國大約 60％的發(fā)電量都是由電動機消耗的，因此發(fā)展可調(diào)速的電氣傳動技術(shù)，提高其生產(chǎn)應(yīng)用平是非常重要的，目前在該方面的技安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 術(shù)已經(jīng)有了一定的規(guī)模。從總體上看我國的電氣傳動技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平相差l015 年．在我國，電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于 1954 年，當(dāng)時在機械工業(yè)部門的部屬下建立了我國第一個電氣傳動公 司，第一批相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生參與其中，這就是后來的天津電氣傳動設(shè)計研究所。到現(xiàn)在，我國已有 200 多家公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。 我國還是一個發(fā)展中國家，目前自主研發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品只相當(dāng)于一些西方國家 80 年代的水平。改革開放以來，很多國內(nèi)的企業(yè)與許多外國公司進(jìn)行貿(mào)易往來，進(jìn)口一些最先進(jìn)的產(chǎn)品來滿足了我國的生產(chǎn)和生活需要．目前，國內(nèi)許多合資公司結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，并自己開發(fā)應(yīng)用軟件，為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)．取得了很大的進(jìn)步對于大功率交流無換向器電機 的起來，目前國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r主要表現(xiàn)為： (1)整機技術(shù)落后，沒有形成一定的生產(chǎn)規(guī)模； (2)產(chǎn)銷量很少，且產(chǎn)品的可靠性和工藝水平都不高； (3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)落后，特別是變頻器產(chǎn)品所用的半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)還幾乎處于空白階段． 國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點： (1)市場需求量大。隨著全球性的能源短缺和工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器及變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，主要應(yīng)用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)。另外，在與風(fēng)機、水泵相關(guān)的節(jié)能系統(tǒng)中，也被廣泛的應(yīng)用。均取得顯著的經(jīng)濟(jì) 效益． (2)大功率變頻器件得到迅猛的發(fā)展．近年來，隨著高電壓、大電流的 SCR、 GTO、IGBT、 IGCT 等器件的生產(chǎn)和并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實，并得到廣泛應(yīng)用。 (3)矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論的發(fā)展為變頻器的高性能發(fā)展提供了很好的理論基礎(chǔ)：同時， 16 位、 32 位高速微處理器、數(shù)字信號處理(DSP)、專用集成電路 (ASIC)水泵調(diào)速的意義：工礦供水工況隨工藝要求而變化，城市供水隨著晝夜及季節(jié)的變化、供水量的變化而變化，為了保證母管壓力穩(wěn)定，滿 足供水需要，常采用開停水泵或調(diào)節(jié)泵出口閥門開度的控制方法。 研究背景及變頻改造的意義 目前，在電力改革不斷深化、大力提倡建立節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，應(yīng)用高新技術(shù)節(jié)能降耗，降低廠用電率和發(fā)電成本，成為各電廠的當(dāng)務(wù)之急。火電廠的各種動力設(shè)備中，泵與風(fēng)機類負(fù)載的耗能占絕大部分。電廠調(diào)峰時，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式通過改變調(diào)節(jié)閥和擋板的開度來調(diào)整通過泵與風(fēng)機的工質(zhì)流量。而泵與風(fēng)機的輸出功率幾乎不變，加之設(shè)計富余量較大，浪費了大量電能，同時使設(shè)備運行效率不高。若采用高壓變頻調(diào)速則可保持調(diào)節(jié)閥與擋板全開，通過降低泵與風(fēng)機的 轉(zhuǎn)速來減小流量，從而減小了節(jié)流損失，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 節(jié)約了大量電能。 近年來，隨著電力電子技術(shù)的 飛速發(fā)展，高壓變頻技術(shù)日趨成熟，可靠性和性價比得到大幅提高。 變頻調(diào)速技術(shù)是一項綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計算機控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。變頻調(diào)速技術(shù)用于水泵控制系統(tǒng)，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運行工藝安全可靠等優(yōu)點。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實意義?？梢哉f變頻調(diào)速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新 技術(shù)。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是一項業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行 今后主要研究的開發(fā)項目主要有以下幾項： (1)數(shù)字控制的大功率交一交變頻器供電的傳動設(shè)備。 (2)大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動設(shè)備在抽水蓄能電站、大型風(fēng) (3)電壓型 GTO 逆變器在鐵路機 車上的推廣應(yīng)用。 (4)電壓型 IGBT、 IGCT 逆變器供電的傳動設(shè)備擴(kuò)大功能，改善性能。如 4 象限運行，帶有電機參數(shù)自測量與自設(shè)定和電機參數(shù)變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (5)風(fēng)機和泵用高壓電動機的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知，風(fēng)機和泵改用調(diào)速傳動后可節(jié)約大量電力。特別是電壓電動機，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟(jì)合理的高壓電動機調(diào)速方法是當(dāng)今重大課題機和泵上的推廣應(yīng)用 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 2 變頻調(diào)速在水泵中的研究 變頻調(diào)速在水泵中的主要調(diào)節(jié)方式 據(jù)統(tǒng)計，全國泵類配套電動機的耗電量相當(dāng)于全國電力消耗總 量的 1/5。但是水泵的運行效率很低，有的甚至僅有 30％，能量浪費十分嚴(yán)重。因此，泵行業(yè)中采用有效的節(jié)能技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。 水泵的節(jié)能主要有以下幾個方法：通過改進(jìn)配套電機的設(shè)計，使電機在大的范圍內(nèi)有較高的效率；通過對水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造性能的改進(jìn)，提高水泵的性能；水泵、配套電機的正確選型和合理使用。節(jié)能調(diào)節(jié)的方法有：非變調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)，非變速調(diào)節(jié)包括節(jié)流調(diào)節(jié)和水泵的運行臺數(shù)調(diào)節(jié)等。大量的統(tǒng)計調(diào)查表明，一些在運行中需要改變工況而要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的水泵，其能量浪費的主要原因，通常是由于采用了不合適的調(diào)節(jié)方式?？梢?，水泵 的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切。通過分析水泵運行工況改變時的節(jié)能原理和兩種節(jié)能調(diào)節(jié)的方法產(chǎn)生的效 果 證明，變頻調(diào)速節(jié)能方法節(jié)能效益可觀，是有效的減少能量消耗的方法。 近年來， 真正的 “水泵智能控制系統(tǒng) ”不再是 “變頻器 ”控制技術(shù)的演變。在有效利用變頻器的同時，水泵節(jié)電控制技術(shù)還加入了 PLC、濾波 等。 水泵變頻調(diào)速和其他方法的節(jié)能對比 調(diào)節(jié)水泵流量的兩種方法 常見的調(diào)節(jié)流量方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 （ 1）閥門控制法 ： 即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而電動機轉(zhuǎn)速保持不變 (通常為額定轉(zhuǎn)速 )。 其 實質(zhì)是：水泵本身的供水能力不變，通過改變水路中的阻力大小來改變供水能力，以適應(yīng)用戶對流量的需求。圖 2l 為不同調(diào)節(jié)流量方法的特性曲線。設(shè)用戶所需的流量從 QA 減小到 QB， 當(dāng)通過關(guān)小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將變?yōu)榍€③，而揚程特性則仍為曲線①，系統(tǒng)工作點由 A 點移至 B 點。這時 流量減小了，但揚程卻從 HTA 增大到 HTB。 根據(jù)供水功率 PG與流量 Q 和揚程 H 的乘積成正比的關(guān)系，即 PG=CPHQ (CP為比例常數(shù) )，可知此時供水功率 PG與面積 OEBF 成正比。我們在國投新集口孜東煤礦風(fēng)井凍結(jié)使用三相電壓、電流、功率測試儀對鹽 水泵電動機的工作狀態(tài)進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)鹽水泵出口閥門處于不同位置時，電動機的工作電壓、電流、功率基本上沒有變化。這說明使用閥門調(diào)節(jié)流量時，電動機消耗的功率基本是不變的。可見，當(dāng)凍結(jié)所需的流量遠(yuǎn)小于鹽水泵的設(shè)計流量時，供液管路中浪費的能量是非常驚人的。 （ 2）轉(zhuǎn)速控制法 ： 即通過改變水泵拖動電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，閥門開度保持不變。轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是，通過改變水泵的全揚程來適應(yīng)用戶對流量的需求。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。 以 用戶所需的流量從 QA 減小為 QB為例。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時，揚程特性變?yōu)榍€④ ，管阻特性則仍為曲線②，工作點由 A 點移至 C點。在流量減小為 QB的同時，揚 HTC；此時，供水功率 PG與面積 OECH 成正比。 轉(zhuǎn)速控制法和傳統(tǒng)方法的比較 (1)供水功率的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出：在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚程比閥門控制時的小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多，兩者之差 Gp? 便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 HCBF(圖 2l中的陰影部分 )成正比。這是變頻調(diào)速供 水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面。 (2)從水泵的工作效率看節(jié)能 水泵的供水功率 PG與軸功率 PP之比，即為水泵的工作效率 P? ，即 PGp PP?? （ 21） 這里，水泵的軸功率 PP是指水泵軸上的輸入功率 (即電動機的輸出功率 )，或者是水泵取用的功率。而水泵的供水功率 PP是根據(jù)實際供水揚程和流量算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。因此，上述水泵的工作效率 P? 實際上包含了水泵本身的效率和供水系統(tǒng)的效率。水泵工作效率相對值 ?? 的近似計算公式為： 221 )()( ????? ?? nQCnQC? . （ 22） 式中： ?Q 和 ?n 分別為流量和轉(zhuǎn)速的相對值 (即實際值與額定值之比的百分?jǐn)?shù) )； C1和 C2為常數(shù)，由制造廠家提供。 C1與 C2之間通常遵循如下規(guī) 律： C1C2 =1；由式（ 23）表明 水泵的工作效率主要取決于流量與轉(zhuǎn)速之比。由式 (23))可知，當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流量時由于轉(zhuǎn)速不變， HTBHTAHTCHBQAQ①③ABCE D②④ ?楊程特性管阻特性GP? 圖 21 不同調(diào)節(jié)流量的特性曲線 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 QnQ ??* （ 23） 其效率曲線如圖 22 中的曲線①所示。當(dāng)流量 ?Q =60％時，其效率將降為 80%(由 B點決定 )?？梢姡S著流量的減小，水泵工作效率的降低是十分顯著的。而在轉(zhuǎn)速控制方式下，由于在閥門開度不變的情況下，流量 ?Q 和轉(zhuǎn)速 ?n 是成正比的，比值不變，其效率曲線因轉(zhuǎn)速而變化，轉(zhuǎn)速為 60％ nN(nN為額定轉(zhuǎn)速 )時的效率曲線如圖 2。 當(dāng)流量?Q =60％時，效率由 C 點決定，它和 ?Q =100％時的效率 (由 A 點決定 )是相等的?？梢?，采用轉(zhuǎn)速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多，這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié) 能效果的第 2個方面。 (3)從電動機的效率看節(jié)能 廠家在生產(chǎn)水泵時，由于對用戶的管路情況無法預(yù)測，管阻特性難以準(zhǔn)確計算，必須對用戶的需求留有足夠的余地。因此，在確定額定揚程和額定流量時，通常留有較大的