油氣回收冷凝段直流無(wú)刷壓縮機(jī)控制及性能分析

郭 強(qiáng),祝清杰

(常州大學(xué)石油工程學(xué)院,江蘇常州213016)

“冷凝+吸附”是目前較為常用的油氣回收方式之一[1],且其油氣回收系統(tǒng)中制冷設(shè)備均使用AC220V市電提供電力驅(qū)動(dòng)。近年來(lái),太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已日趨成熟[2],而直流無(wú)刷電機(jī)以其性能高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)也廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合[3]。為此,項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)制作了一套處理量為5m3/h的采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電,產(chǎn)生直流電后由直流電直接驅(qū)動(dòng)的 “冷凝+吸附”油氣回收系統(tǒng)樣機(jī)。由于該系統(tǒng)使用了新能源太陽(yáng)能,采用了直流電運(yùn)行模式,所以該項(xiàng)工作的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。整個(gè)裝置中,冷凝段的制冷設(shè)備所采用的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力提供及運(yùn)行控制成為開(kāi)發(fā)研究的重要部分。

1 油氣回收系統(tǒng)樣機(jī)概況

系統(tǒng)樣機(jī)由太陽(yáng)能光伏電池組件、蓄電池組、直流升壓電源、直流無(wú)刷壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器、冷凝風(fēng)機(jī)、冷箱、真空泵和吸附罐等組成。樣機(jī)的工作過(guò)程為:通過(guò)太陽(yáng)能光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成直流電,經(jīng)過(guò)直流升壓電源升壓后供給直流無(wú)刷壓縮機(jī),制冷壓縮機(jī)制取的冷量用于冷卻待回收的油氣,沒(méi)有被冷凝回收的剩余油氣則通過(guò)吸附罐進(jìn)行吸附,從而有效地回收油氣,其回收率可達(dá)99%[4]以上。這里主要介紹系統(tǒng)樣機(jī)冷凝段制冷設(shè)備的直流無(wú)刷壓縮機(jī)。

直流無(wú)刷壓縮機(jī)是冷凝段制冷設(shè)備中的核心部件,它的選擇和控制顯得尤為重要。結(jié)合黃維秋教授有關(guān) “油氣回收”課題組在中國(guó)石化九江分公司的一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5-6],以及該油氣回收系統(tǒng)需要處理5m3/h的回收氣量,確定采用某直流無(wú)刷渦旋壓縮機(jī) (型號(hào):ZS1216D1),其主要性能參數(shù)如下:

額定功率:1.25 kW

制冷量:0.96 kW

額定轉(zhuǎn)速:3450 r/min

額定電壓:310V(DC)

COP:1.24W/W

制冷劑:R404A

2 冷凝段直流無(wú)刷壓縮機(jī)的電力提供

壓縮機(jī)的電力供應(yīng)設(shè)備主要包括太陽(yáng)能光伏組件、蓄電池組、充電控制器和4kW直流升壓電源。光伏電池組件由24塊多晶硅電池板構(gòu)成,每塊電池板規(guī)格為12V 85W。蓄電池組包括8塊鉛酸免維護(hù)蓄電池 (型號(hào):6-CNFJ-120),其容積為12V 120AH。充電控制器 (類(lèi)型:DC48V 60A)將光伏電池輸出的不穩(wěn)定的直流電壓變換成蓄電池可接受的穩(wěn)定的電壓或電流,實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒流和恒壓充電模式。直流升壓電源的直流輸入電壓為48V,直流輸出電壓為310V。白天太陽(yáng)能輻射充足時(shí),太陽(yáng)能光伏電池組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成48～56V直流電,經(jīng)過(guò)直流升壓電源升壓到310V直流電供給直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行;光伏電池發(fā)出的多余電能通過(guò)充電控制器變換成穩(wěn)定的電壓或電流,儲(chǔ)存在蓄電池組之中。在夜間或陰雨天氣太陽(yáng)能輻射不足時(shí),蓄電池組中儲(chǔ)存的電能經(jīng)升壓電源升壓后繼續(xù)為壓縮機(jī)提供電力。

3 冷凝段直流無(wú)刷壓縮機(jī)的控制

3.1 壓縮機(jī)電機(jī)的控制原理

制冷裝置的壓縮機(jī)采用的是Texas Instrument公司生產(chǎn)的LM3S618LQF控制芯片。它有30個(gè)數(shù)字可編程輸入/輸出 (I/O),32Bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬,32K×8程序儲(chǔ)存器,6×10b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器A/D,RAM高精度PWM發(fā)生器,多個(gè)監(jiān)視定時(shí)器以及外圍設(shè)備(欠壓檢測(cè)/復(fù)位,POR,PWM,WDT)等。通過(guò)芯片的控制,可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè),PWM的輸出控制,電機(jī)的過(guò)電流、過(guò)/欠電壓保護(hù),過(guò)熱保護(hù)。

經(jīng)直流升壓電源升壓后得到的310V直流電,供給壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的SIPM(System Intelligent Power Module)模塊來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),310V直流電通過(guò)高頻變壓器產(chǎn)生一個(gè)15V的開(kāi)關(guān)電源和5V的線(xiàn)性電源供給驅(qū)動(dòng)模塊和單片機(jī)工作。電機(jī)控制器控制電路中,當(dāng)電壓、電流、溫度正常的情況下,MCU通過(guò)檢測(cè)外部的控制頻率信號(hào)來(lái)控制U、V和W三相,然后根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)輸出信號(hào)控制換相,保證電機(jī)有一定的轉(zhuǎn)距。如果MCU檢測(cè)出有異常情況就立即使電機(jī)停止工作,直到電壓、電流、溫度都恢復(fù)正常為止。

3.2 壓縮機(jī)電機(jī)的控制系統(tǒng)[7-10]

三相全控方式為兩兩導(dǎo)通方式 (或稱(chēng)為120°導(dǎo)通方式),即在任意時(shí)刻,H和L橋臂各有一個(gè)功率管導(dǎo)通。每隔1/6周期換相一次,每次只換相一個(gè)功率管,同時(shí)每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電度角。同時(shí)采用等寬PWM脈沖 (即V相位周期相同占空比相同的矩形波)調(diào)制方式,來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并且只需要改變PWM波的占空比,就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。然后經(jīng)過(guò)電弧度延時(shí)處理后,就可以確定出換相時(shí)刻,導(dǎo)通相應(yīng)功率管進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài),按此順序便可以保證電機(jī)沿固定方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

該控制器采用端電壓檢測(cè)法 (反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。圖1為基于端電壓的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的原理簡(jiǎn)圖。對(duì)于一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在任何情況下都只有兩相導(dǎo)通,而另外一相為關(guān)斷相,處于關(guān)斷相的繞組正好在關(guān)斷期間反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零。端電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、電容擱直和電壓滯回過(guò)零比較器調(diào)理之后,送到DSP的對(duì)應(yīng)端,從而判斷出轉(zhuǎn)子的位置。

3.3 壓縮機(jī)電機(jī)的軟啟動(dòng)[11-12]

電機(jī)啟動(dòng)采用三段式預(yù)定位啟動(dòng):(1)強(qiáng)迫預(yù)定位階段,形成一個(gè)預(yù)定的位置;(2)加速階段,不斷增加信號(hào)頻率和電機(jī)電壓使轉(zhuǎn)子逐漸提高轉(zhuǎn)速;(3)狀態(tài)切換階段,用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)取代同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行切換。

采用電機(jī)軟啟動(dòng)可減小電機(jī)硬啟動(dòng)引起的供電壓壓降,使之不影響同系統(tǒng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行,同時(shí)可降低啟動(dòng)電流,減輕硬啟動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖力和沖力加速所帶來(lái)的傳動(dòng)機(jī)械磨損。另外,驅(qū)動(dòng)控制器具有調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間的功能,可設(shè)定延時(shí)6～8s,保證壓縮機(jī)電機(jī)正常平穩(wěn)啟動(dòng)。

圖1 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路原理Fig.1 The Principle of back-EMF zero-crossing detection circuit

4 冷凝段直流無(wú)刷壓縮機(jī)的性能分析

常溫情況下,將制冷裝置接入310V直流升壓電源,直流無(wú)刷變速壓縮機(jī)的冷卻能力、輸入功率和工作電流隨蒸發(fā)—冷凝溫度的變化情況如圖2、3、4所示。

通過(guò)圖2可以看出,在相同的冷凝溫度情況下,直流無(wú)刷壓縮機(jī)的冷卻能力隨著蒸發(fā)溫度的升高而增強(qiáng);在相同的蒸發(fā)溫度下,直流無(wú)刷壓縮機(jī)冷卻能力隨著冷凝溫度的升高而減弱,并且減弱的程度越來(lái)越大。這說(shuō)明冷凝溫度的升高,導(dǎo)致制冷劑R404A在蒸發(fā)冷凝時(shí)吸收周?chē)鸁崃康哪芰档?從而使壓縮機(jī)的制冷量減少;蒸發(fā)溫度的升高,會(huì)致使制冷劑R404A的循環(huán)量增加、壓縮機(jī)的輸氣量增加,這就增大了壓縮機(jī)的制冷量。

從圖3和圖4可知,在蒸發(fā)溫度不變時(shí),冷凝溫度升高使制冷劑的循環(huán)速率加快,進(jìn)而制冷劑的循環(huán)流量也會(huì)增加,促使壓縮機(jī)的輸氣量變大,造成壓縮機(jī)的輸入功率增大,工作電流也會(huì)增大;當(dāng)冷凝溫度相同時(shí),隨著蒸發(fā)溫度的升高電機(jī)的輸入功率和工作電流都會(huì)不同程度的降低,這說(shuō)明蒸發(fā)溫度上升導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣溫度升高,吸入的過(guò)熱制冷劑再經(jīng)等熵壓縮后其溫度必然升高,即排氣溫度升高,結(jié)果使制冷劑的流速減慢,壓縮機(jī)的輸氣量減少,其輸入功率和工作電流也隨之減小。

圖2 壓縮機(jī)冷凝能力與蒸發(fā)—冷凝溫度的關(guān)系Fig.2 The relation of compressor cooling capacity and evaporation-condensation temperature

圖3 電機(jī)輸入功率與蒸發(fā)—冷凝溫度的關(guān)系Fig.3 The relation of motor input power and evaporation-condensation temperature

圖4 壓縮機(jī)工作電流與蒸發(fā)—冷凝溫度的關(guān)系Fig.4 The relation of compressor operating current and evaporation-condensation temperature

圖5中曲線(xiàn)變化反映出:隨著蒸發(fā)—冷凝溫度的升高,制冷裝置壓縮機(jī)的性能系數(shù) (COP)逐漸增大;隨著蒸發(fā)—冷凝溫度的降低,其COP不斷減小。根據(jù)公式,并結(jié)合圖2和圖3中制冷量和功率的變化情況可以得知,當(dāng)冷凝溫度不變時(shí),COP隨蒸發(fā)溫度的升高而增大;當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時(shí),隨冷凝溫度的升高而減小。

該油氣回收系統(tǒng)樣機(jī)冷凝段的制冷裝置采用蒸發(fā)溫度為-30℃,冷凝溫度為45℃的回收溫度進(jìn)行油氣回收,不僅能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)冷量的需求,而且具有較好的節(jié)能效果。同時(shí)在此蒸發(fā)—冷凝溫度下,其油氣回收率可達(dá)到63%以上,基本符合項(xiàng)目組對(duì)樣機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

圖5 COP與蒸發(fā)—冷凝溫度的關(guān)系Fig.5 The relation of COP and evaporation-condensation temperature

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)直流無(wú)刷壓縮機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹,可以了解到直流無(wú)刷壓縮機(jī)的工作原理和控制方法,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的軟啟動(dòng),減輕了因硬啟動(dòng)對(duì)機(jī)體本身的磨損。另外,根據(jù)直流無(wú)刷壓縮機(jī)在實(shí)際油氣回收制冷裝置中的工作情況分析,得出了直流無(wú)刷壓縮機(jī)在不同的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度情況下其參數(shù)的變化規(guī)律,為直流無(wú)刷壓縮機(jī)性能的提高提供了依據(jù),也為直流無(wú)刷壓縮機(jī)應(yīng)用于油氣回收制冷裝置之中起到了一定的推廣作用。

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