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厂房通风机轴流式三元叶片的计算机辅助成型研究变频器双机热备在
关键词：叶片 三元流动 计算机辅助设计
一、引言
三元流动叶轮接近气体在旋转叶轮中流动的真实情况，因而性能优越，获得越来越广泛的应用。目前制造三元叶轮最简便、经济的工艺方法是钢板焊接，主要过程为：放样展开—板材下料—压制成型—焊接—修型加工。因此，对叶片的空间描述、展开以及压模的设计制造是直接关系着本工艺方法效率和叶轮性能的关键。由于三元叶片本身的复杂性和特殊性，气动设计中一般只给定有限个基元叶栅和叶型的参数，对叶片缺乏统一有效的数学描述，叶片的展开和模具的制造困难。因此，该类风机设计制造的周期长，性能难以保证。基于这种现实，本文给出了一种利用计算机技术解决上述关键问题的一般性方法。
二、叶片型面的坐标计算
1.叶片型面的平面坐标
根据风机的气动设计理论可知，叶片由一系列积迭在一起的叶型面组成。为了便于计算叶栅参数和引用平面叶栅试验数据，叶型是在平面(圆锥面展开)上进行设计的，型面中弧线一般为圆弧形，而轮廓线则由沿中弧线的叶型厚度分布确定。
以型面中弧线的弦长方向作为X1轴方向，Y1轴过中弧线的圆心建立坐标系O1、X1、Y1，如图1。设型面中弧线的半径为r，弦长为B，型面轮廓线上任一点P处的叶片厚度为δ，所在径向线与Y1轴形成的 圆心角为t(顺时针为正)，则P点在O1X1Y1中的坐标可表示为
图1 描述型面的平面坐标系
(1)对于叶片外表面(吸力面)取正号；内表面(压力面)取负号；
(2)对于薄板型叶片δ取常数(暂不考虑边缘修形)；
(3)-T≤t≤T,T=crcsin(B/2R)。
设该型面的形心为O2(x0，y0)，安装角为θ，以O2为原点建立与型面安装角无关的坐标系O2X2Y2(X2轴与圆锥面的素线重合)，则P点在坐标系O2X2Y2中的坐标为 其中，对于图中圆弧板型叶片有 2.叶片型面的 空间坐标
上述的叶型是用圆锥面截切叶片，将截面展开后得到的平面图形。为了得到真实形状，需将截面卷回到圆锥面上。设圆锥面的端面半径为R1、R2(R1＜R2)，长度为L，建立如图2所示的右手坐标系O3X3Y3Z3，其中，X3轴与圆锥轴线重合，Z3轴与过积迭点的径向线重合。则有如下的映射关系。
图2 空间坐标系的建立
1.叶片曲面的形成
根据公式(1)、(2)、(3)，对于气动设计中给定的任一叶型面，确定了积迭线(一般采用径向线)后便可以准确地求得空间位置。型面轮廓线上任意点的空间位置可表示为
Pi(x,y,z)=P(r1±δ/2,t1,z01) (i=1,2,…,n) (4)
将上述n个截面积迭起来，便得到整个叶片曲面的骨架。为了得到光滑的叶片，还需要进行曲面拟合。下面是采用三次B样条曲线拟合叶片的具体方法。
(1)求型值点Pi
对于截面i(i=1,2,…,n)，令ti=wTi(-1≤w≤1)，固定w，根据公式(4)，得到叶片上处于不同截面上的n个对应点P1，P2，…，Pn。
(2)构造三次B样条曲线，反求控制点Qi
过上述点构造一条三次B样条曲线，表示为
其中 i=1,2,…,n，令u=0，则有 令Pi(0)=Pi，Q0=Q1，Qn+1=Qn，得 至此，用追赶法可解得Q1，Q2，…Qn+1。
(3)生成曲面
令w连续变化，即控制P1，P2，…，Pn沿截面连续移动则得到光滑曲面，以［B］表示三次B样条系数矩阵，可记为
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.叶片的展开
三元叶片属于不可展曲面，只能进行近似的展开。令δ=1，根据公式(4)、(5)、(6)可得到叶片中面，将之划分为若干微小 单元后可求得任意曲面单元的四个顶点p(u,w),p(u,w+Δw),P(u+Δu,w),p(u+Δu,w+Δw)。至此利用三角线法可得到较为准确的叶片展开图。值得一提的是，除叶片的构型精度和划分方式及曲面单元的数量以外，展开基点的选择对展开精度的影响也很大。习惯上沿一端顺次展开的方法会产生较大的误差。建议以根截面(i=1)的中点(t=0)为基点。
3.平面型线的生成
(1)任意平面型线的求解
对于式(6)确定的叶片曲面，与任意平面ax+by+cz+d=0联立求交，可得交线的方程为
［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)］为控制矩阵［Q(w)］的坐标分量。
上式中，给定w=w*，得到关于u的三次方程，解方程后得u*，则(u*，w*)对应着一个交点(B样条曲线与平面的交点)。按合适的步长，连续求得一系列交点，则得到需要的平面型线。
(2)等x值型线的简便求解方法
将坐标系O3X3Y3Z3绕Z3轴旋转β角(取β约等于叶弦角的平均值)得新坐标系O4X4Y4Z4，如图3a，将式(4)表示的各叶型截面转换到该坐标系中，得
如图3 b所示，式(4)表示的曲线以及边缘线(样条曲线)，构成了叶片曲面的基本骨架，。取特殊位置平面x4=x*与之求交，可得叶片上的一系列点A1,A2,…,An；B1,B2,…,Bn。分别以A1,A2,…,An和B1,B2,…,Bn作为型值点可生成与上、下压模对应的两条型线。根据制造精度和工艺的要求，取一系列合适的x*，则得到一组简便的压模型线。
图3 坐标转换及型线求解
四、结束语
根据气动设计提供的若干扭变截面，采用合适的数学模型拟合叶片曲面的方法简便易行，叶片造型较为准确。在此基础上生成的展开图和平面型线图可作为板材下料和设计压模时的重要依据。经过软件编制和样机试制证明，本方法简便可靠，叶片成型准确，焊接及修型加工方便，是提高该类风机生产效率和性能的有效措施。
来源：佳工机电网
>摘 要: 本文结合辽阳石化公司60KTCBL-IV型裂解炉引风机应用变频器双机热备技术的设计及应用经验，阐述了双机热备变频调速工程的构成，分析了热备用变频器切换需要关注的技术问题并提出了解决措施。
关 键 词: 变频器 裂解炉引风机 双机热备 闭环控制
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
辽阳石化公司乙烯裂解炉的炉膛负压原来主要是依靠改变裂解炉引风机挡板开度来调节的。此种风量调节方式不但使风机的效率低，也使许多能量无谓地消耗在挡板上，且设备故障率高，维修量大。为此，对原乙烯裂解炉风机进行了变频调速改造，并在新建裂解炉上采用了双机热备变频调速控制方式。
为保证安全生产, 裂解炉在正常运行时必须保持一定的负压, 否则联锁动作, 切除裂解炉侧壁火嘴进而停炉。裂解炉运行时的自产高压蒸汽用来驱动乙烯装置的核心设备—裂解气压缩机。新建KTCBL-IV型裂解炉的加工量为 6万吨/年，目前约占全公司乙烯装置加工量的50%，该裂解炉引风机故障将导致联锁停炉，使裂解炉自产高压蒸汽急剧减少、高压蒸汽量大幅波动，而高压蒸汽波动,极易造成裂解气压缩机的停运，造成裂解装置停车，大量裂解气通过火炬燃烧排放，同时影响下游装置的生产运行，给公司造成巨大的经济损失。鉴于该引风机在裂解炉运行中的重要性，我们采用了两台变频器相互热切换来控制一台引风机电机的方式，以确保裂解炉引风机的安全平稳运行。
2 双变频切换存在问题及解决方案
2.1 切换冲击电流对切换的影响
当运行变频器故障或运行变频器所在母线电源失电造成变频器欠压跳闸时，直接切换到备用变频器，备用变频器很可能由于电流冲击而导致变频器过流故障，造成切换失败。当电机从运行变频器断开后，转子由于惯性作用继续旋转，定子电流虽然为零，但由于剩磁作用将在定子绕组中产生感应三相电压，电压随转子转速的下降而减小。当电机切换到备用变频器运行时，定子绕组中感应电压的大小、相位将决定是否能够平稳切换。如果切换时刻感应电压和备用变频器输出电压在允许的同相角范围内，切换就较容易; 如果在非同相角范围内，就会产生严重的冲击电流，导致变频器过流跳闸，切换失败。
2.2 电机电缆长度的影响
由于变频器输出的是电压快速变化的正弦调制波形，快速的电压变化会使电缆的寄生电容产生容性电流。该电流随逆变开关频率和电缆长度的增加而增加。当逆变模块开关频率为3kHz, 变频器功率在30~200kW, 采用非屏蔽电缆时，一般要求变频器至电机的电缆在150m以内。当电缆长度超过允许值, 电缆对地的分布电容就会进一步增大, 即使在变频器正常运行时, 输出的谐波电流值就很大, 在切换过程中，极容易出现谐波尖峰电流造成变频器过流跳闸, 切换失败。
2.3 解决方案
(1) 增加切换延时
电机从运行变频器断开后处于发电运行状态，感应电压随转子转速的下降而减小。延长备用变频器投入的时间，对减小电流冲击是有好处的。但是延时太短，效果不明显;延时太长，又不能满足生产工艺的要求，因此不是解决问题的根本方法和最佳方案。
(2) 加大变频器容量
变频器单台应用时，一般情况下，变频器的容量选择可按Iinv≥1.05Ie~1.1Ie(Iinv为变频器额定输出电流，Ie为电机额定电流)来选择。同时要考虑负载特性、安装环境等因素的影响。在应用变频器热切换时，考虑到切换瞬间较大的冲击电流，我们采用了适当增大变频器容量，使变频器能够承受切换时的峰值电流的方案。
（3) 加装交流电抗器
在变频器至电机之间加装输出滤波电抗器, 改变了电机电缆的电气参数, 可以有效降低谐波电流, 减小切换时的电流冲击。同时对改善电机的发热和振动也有好处。交流电抗器可按变频器产品说明书中提供的规格加以选用, 也可自行制作。
(4) 采用变频器跟踪起动功能
现在较大功率变频器都具有跟踪起动功能。设定应用此功能后, 变频器在每次起动时都会自动检测电机状态, 然后根据电机的状态输出与电机相近的速度与电压来驱动电机。这样就有效地防止了定子绕组感应电压的倒灌, 减小了冲击电流。
3 裂解炉引风机双机热备变频调速工程
裂解炉引风机双机热备变频调速工程电气一次回路图如图1所示。
VF1和VF2两台变频器的电源分别取自不同380V母线的低压抽屉柜，两台变频器的参数设置完全一样。风机的起动、停止、信号、切换延时等控制功能均由一台小型PLC来实现，启动哪一台变频器由转换开关来控制。为增强可靠性，通过接触器辅助触点和PLC程序实现了KM1、KM2的双重互锁。该工程实现了闭环控制, 两台变频器共用一个4~20mA信号，其调节过程如图2所示。炉膛负压信号经微差压变送器传送到DCS(离散控制工程)进行PID运算,由调节器输出4~20mA信号来控制风机转速,进而调节炉膛负压使其维持在理想控制值。
该裂解炉引风机配用电机型号Y355M1-10; 额定功率Pe=90kW, 额定电流Ie=192A, 额定转速为ne=592r/min。变频器输出侧至电机的电缆长度为350m。我们选用了富士系列变频器FRN132G11S-4CX，并配有相应的输入、输出电抗器。设定了转速跟踪功能，即高级功能H09=2。
4 结束语
2004年6月, 利用生产装置停产检修的机会, 完成了该套工程的改造，经过实际测试，由PLC控制的切换间隔可以设定为0，即实现了无间断热切换。2004年7月, 该双机热备变频调速工程投运以来，运行稳定, 操作方便。至今该套工程在实际运行中发生过两次热切换，都成功实现了无间断转换，达到了预期的效果。因此, 应用变频器双机热备技术, 满足了生产工艺对该吸风机工程安全性、可靠性的要求，解决了以往因一段供电母线故障或电源电压波动造成风机停运进而影响裂解装置安全运行的问题，同时因取消风量档板调节, 应用炉膛风压闭环控制, 使裂解炉运行更加平稳、可靠, 对生产平稳运行起到了保驾护航的作用。
摘要： 本文对户式中央空调工程的特性进行简单介绍。对工程的优化设计及运行控制方法进行分析。结合变频水管户式中央空调工程，对工程的优化设计方法和运行控制技术进行了讨论。
1． 引言
随着城镇居民生活水平的提高和住房面积的改善，人们的居住观点从单一注重居住的实用性、功能性等底水平要求向注重舒适性、室内空气品质等高层次需求转变。因而户式中央空调得到迅速的发展。户式中央空调已经被中国空调行业中的大多数人士公认为未来住宅空调的主流产品。与普通空调器相比较，户式中央空调具有舒适、美观、节能等特点；不仅可以引入新风、改善空气品质，消除“空调病”的烦恼，而且使居住室内空气分布更加均匀、温度波动小，舒适感好。
户式中央空调根据输送介质的情况通常可分为三类， 即以空气为介质的风管式空调工程、以水为介质的水管式空调工程和制冷剂直接蒸发的一拖多多联机。风管式空调工程与集中全空气中央空调工程原理相似。它具有良好的新风空调工程，且投资较小，但风管占用空间体积大，要求较高的层高是其不足。水管式空调工程由室外机组产生的冷热水,经水管工程输送到室内各个末端装置。该工程可以对每个空调室进行单独调节，满足各个空调室的要求，因而具有较好的节能效果。但该工程对负压通风系统布设有些困难。制冷剂直接蒸发空调工程一般采用一台室外机通过制冷剂管路向多个室内机输送循环。基于变频和电子膨胀阀技术的一拖多多联机具有节能、运转平稳等优点，但对引进新风困难、长管路工程低流量的回油问题及现场安装要求是其不足。由于户式中央空调工程在中国的发展起步较晚，在设计和运行中还存在着许多问题。随着对节约能源、减少运行费用、环境保护及室内空气环境要求的提高，对户式中央空调的提出了更高的要求。因而优化设计和运行户式中央空调工程，使其保证运行效率高、减少环境污染及提高居住的舒适性是目前亟待解决的问题。本文将对以变频水管式空调工程为例，对工程的设计参数进行分析，并对工程优化设计和运行进行探讨。
2． 变频水管户式中央空调工程优化设计方法
水管式空调工程由室外机组产生的冷热水,经水管工程输送到室内各个末端装置。该工程可以对每个空调室进行单独调节，满足各个空调室的要求，因而具有较好的节能效果。变频水管式空调工程加上独立的负压通风系统是一很有发展前景的理想的节能舒适型户式中央空调工程。因而其优化设计具有极其重要的价值。
传统的制冷工程设计方法是基于经验加实验为主。通常经验设计方法简便易行，对理论知识和实验条件等依赖性相对较小。然而经验设计方法不可避免地具有直接和可靠性低、稳定性差的缺点，只适于产品的初步开发。而基于理论预测的优化设计技术可以有效地弥补经验设计和实验的不足，不仅为提高产品的设计可靠性和效率提供保障，而且对产品的优化提供了有效的途经。
最优化方法就是在一切可行方案中选出最优方案的方法。在最优化设计中，表征方案的一切独立变量为设计变量。最优化方法就是研究如何合理地确定这些变量的方法。而评价方案优劣的指标决定于该方案所选定的设计变量，即该指标为设计变量的函数-目标函数。在工程优化设计中，设计变量的取值常常受到种种条件的限制，即约束条件。
变频水管式空调工程由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水泵水管路工程组成。根据制冷工程热力学理论，利用参数动态分布、相互关联的方法，建立工程各部件数学模型和运行参数动态方程，组成工程运行参数的方程组，并对该工程进行动态模拟。模拟工程的动态特性，为优化设计提供依据。
为满足空调工程的节能、热舒适性及制冷制热好的效果，空调工程的能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度要达到指标要求。因而在优化设计时，分别选取能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度为目标函数的多目标优化方法。同时考虑满足冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、工程温度和压力变化范围、水和制冷剂流量范围、过冷过热度范围和室内机数量等约束条件的要求，利用优化方法进行对上述目标多目标优化计算。因而变频水管式空调工程的优化问题可表达为如下形式
(1)将多目标优化计算问题转化为单目标优化问题。并对单目标问题构造一个新的函数：
(2)其中 为递减的正数序列，即：随着 的增大， 的值逐渐趋向于零。这样通过构造惩罚函数的方法将原有约束最优化问题变换为一系列无约束最优化问题。结合变频水管式空调工程动态模拟技术进行空调工程单目标优化计算的主要程序为:
(1) 选定初始惩罚因子 及收敛精度 和 ；
(2) 利用变频水管式空调工程动态模拟，计算工程能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度；
(3) 极小化 ，得最优解 ；
(4) 根据事先规定的两个很小的正数 和 检验 和 ；是否成立，如成立则 ，否则取 ， 为小于1的正数，一般可取 ；
(5)令 ，转至第(3)步。
这样完成了变频水管式空调工程的综合优化设计。
3. 变频水管户式中央空调工程运行的优化控制
节能和舒适是变频水管户式中央空调工程优化的目标。在工程的实际运行过程中，由于气候的变化、使用情况的复杂性，工程始终在非标准工况下运行。如何对变频水管式空调工程优化运行控制，是解决工程运行的可靠性和节能的关键所在。智能化主要是采用现代人工智能技术来控制水管户式中央空调工程的运行，使之能在最佳的状态下工作。信息化是制冷空调工程发展的必然趋势，目的是使其能拥有收集信息、处理和加工信息、以及发出信息的功能，包括与网络的连接。由于变频制冷压缩机、电子膨胀阀等执行机构的研制成功和不断完善，使得制冷空调工程电器上采用先进的智能控制成为可能。变频水管户式中央空调工程是一个多变量、非线性时变的工程，经典的控制方法如PI、PID等都需要有工程的精确数学模型，而建立合理且精确的数学模型又比较困难，因此这些控制技术难以在空调工程中应用。模糊控制技术采用模糊推理方法而且不需要工程的数学模型，具有其它控制方法无法比拟的优势。而在户式中央空调工程上采用模糊控制技术的前提是必须装有变频压缩机。
模糊控制的控制方案是由某些"如果-那么"这样的条件语句构成。这些条件语句都是模糊语句，表示了工程状态和控制行为之间的关系，称之为"行为规则集"。行为规则集不是一个简单的查询集，是要从目前的实际状态出发，通过行为规则集的推理得到控制方案，即产生"模糊推理算法"。模糊控制工程的关键部分是"行为规则集"和"模糊推理算法"两大部分。前者是人工操作的经验，后者涉及模糊集的运算与理论。模糊控制工程还必须有感知目前状态的传感器工程及控制行为指令的输出工程。传感器工程是通过光电信号对控制对象的目前状态进行测量的工程，控制行为指令输出工程是改变控制对象未来状态的工程，它们都是控制器的硬件部分。
变频水管户式中央空调工程的模糊控制就是快速感知空调房间和环境的各主要参数，即通过传感器获得室温变化、室内外温湿度、房间使用情况和人的状态等大量数据，将这些实测数据与大量经验数据相比较，应用模糊理论使变频压缩机、电子膨胀阀和风机转速及水工程的流量调节阀等这些执行机构做出相应的快速调节。在舒适性空调中，影响舒适度的六个因素是人体的活动量，着衣量，室内外温、湿度，气流的强度和方向，以及辐射热的大小。模糊控制根据这六个要素综合判断，得出最优的控制方案。在控制目标方面从早期的温度控制发展到以PMV（Predicted Mean Vote）作为控制基准，即：
(3)利用变频模糊控制，可以使变频水管户式中央空调工程具有以下功能：
(1) 快速制冷制热功能，控制除湿运行；
(2) 高温制冷及除霜优化控制；
(3) 工程巡检，调节压缩机转速；
(4) 结合"人体PMV感知器"进行综合判断分析比较；
(5) 工程节能运行且噪音低。
因而具有以上功能的模糊变频的优化控制技术为空调器带来的主要优点有：
(1) 高效节能。由于压缩机大部分时间处于变频控制的工作状态，减少了空调器起停时的能量损失；基于优化的模糊变频控制技术工程的室外机的运行与室内的负荷及参数变化趋势相匹配，因而提高了工程运行的能效比。
(2) 稳定可靠。采用模糊变频控制技术后，工程长期处于平稳的动态运转状态，大大减少了压缩机启停次数,增强了压缩机寿命。
(3) 范围宽广。采用模糊变频控制技术后，变频水管户式中央空调工程的制冷(热)量有较大的变化范围，可以适用于多种工况及工程的优化除霜。
(4) 超级舒适。基于"人体PMV感知器"进行综合判断分析,使连续可调的户式中央空调工程达到设定温度快，不仅温度波动小，而且满足了人体的综合舒适要求。
(5) 运转噪音低。工程处于连续的动态中低工况运转，大大减少压缩机的启停，减少了噪音
4. 结论
对户式中央空调工程特点进行简单的介绍。以制冷工程热力学理论为基础，根据工程的参数动态分布、相互关联的理论对变频水管户式中央空调工程的多目标优化方法进行分析。工程优化计算方法与工程动态模拟相结合，不仅实现了变频水管户式中央空调工程的模拟优化，而且对工程
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