浅谈磁悬浮冷水机组在制药企业中的应用

苏德华 曹严亮 李鸿琪 王 震

（兰州生物制品研究所有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

1 磁悬浮技术的原理及特点

磁悬浮技术（Electromagnetic Levitation或Electromagnetic Suspension，简称EML技术或EMS技术）是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。

磁悬浮系统由转子、传感器、控制器和执行器四部分组成，假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原平衡位置。因此，不论受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

2 磁悬浮技术在冷水机组领域的应用发展

1842年，英国物理学家Earnshow提出了“磁悬浮”的概念，此后麦克维尔在2003年向全球正式发布了第一台磁悬浮冷水机组，这标志着磁悬浮冷水机组的时代正式开始，磁悬浮技术开始真正应用于冷水机组。随后海尔联合丹佛斯于2006年推出了第一台国产品牌的磁悬浮冷水机组，但磁悬浮冷水机组单机头冷量段过于狭窄，且机组安装的机头数量有限，这就制约了磁悬浮冷水机组在行业的发展及应用。

2018年以来，许多具备技术实力的厂家正不遗余力地进行大冷量压缩机的研发，截至目前，100～1 600 RT的磁悬浮离心式压缩机已相继问世，并持续刷新磁悬浮单机头制冷量的极限，冷量段的上下延伸使离心机可适用的项目范围进一步扩大。就形式而言，历次制冷展期间展示了风冷、水冷、蒸发冷、直接制冷式磁悬浮机组以及磁悬浮热泵、气悬浮机组；就范畴而言，涉及供冷、供暖和冷冻冷藏，标志着磁悬浮机组已进入多元化的应用领域[1]。

3 磁悬浮冷水机组优势分析

相较于其他形式的冷水机组（螺杆式、往复式、普通离心式等），磁悬浮冷水机组由于没有冷冻油系统，故具有以下特点。

3.1 可靠性提高

由于没有润滑油系统，不需要建立油压差或用专门的回油装置来确保回油，所以磁悬浮冷水机组可以在较宽的冷却水温区间运行（普通螺杆式冷水机组冷却水温度适用范围为15.5～33℃，磁悬浮冷水机组冷却水温度适用范围为2.8～40℃），同时也解决了冬季及过渡季冷却水温低难以建立起合适的油压差从而导致开机困难的问题。此外，低水温运行时，冷却水的蒸发量和补充量减少，从而减缓了冷凝器的结垢速率，提高了机组能效[2]。

3.2 性能得到改善

在制冷系统里没有了润滑油，换热器的表面不会形成阻碍传热的油膜，由此在蒸发器里蒸发温度提高，在冷凝器里冷凝温度降低；同时，没有油路系统的功率消耗，机组效率也会因此而提高。

3.3 运行维护费用减少

由于没有了复杂的油系统，不需要进行油路系统的维护保养和维修，在日常运行中磁悬浮机组只需要做蒸发器、冷凝器水垢处理清洗，所以维护保养费用将大大减少[3]。

3.4 振动和运行噪声小

磁悬浮压缩机的电动机、驱动轴以及离心叶轮都处于没有直接接触的悬浮状态，没有了机械摩擦，就不会产生一般压缩机常有的机械振动，因此，压缩机运行极为安静，其声音甚至远远低于水泵的声音。

3.5 启动电流低

磁悬浮机组采用变频启动与内置软启动相结合的启动方式，启动电流远远小于星三角等普通的启动方式，启动过程对电网的冲击极小，对配电容量要求低，能节省投资。

3.6 能够反置运行

当冷冻水出水温度高于冷却水进水温度时，机组进入反置运行。反置运行时，冷水机组功耗极低，与水泵的功耗在一个量级，同时水系统可省去水侧经济器，实现“自由冷却”。相较于传统的自由冷却方案，反置运行不仅可以简化水路系统，减少初投资，而且能维持恒定的冷冻水出水温度，使机组能在更广的运行范围内输出冷量[4]。

4 磁悬浮冷水机组在某制药企业应用情况

某制药企业中，螺杆式冷水机组与磁悬浮冷水机组在同一车间运行，互为备用机。经过对螺杆式冷水机组及磁悬浮冷水机组在相同的运行条件下进行观察及运行参数的测量，可以得出以下结论：

（1）磁悬浮冷水机组在加减载运行时声音远远小于螺杆式机型。磁悬浮冷水机组在加载时，在压缩机1.5 m范围内，压缩机的运行声音仅为65 dB，更适用于制药公司这种轻工业类型的企业。

（2）在相同的运行条件下，磁悬浮冷水机组输入电流小于螺杆式机型。在冷却水进水温度21.5～24.4℃、输入电压400～405 V的工况下，在冷冻水温差近似相等的条件下，经过三组数据的计算，磁悬浮冷水机组与单螺杆机型输入电流的比率分别为76.48%、72.28%、88.73%，平均值为79.16%。分析该数据可得，在负载、运行工况极度相似的条件下，两台机组运行相同的时间，磁悬浮冷水机组相比螺杆式冷水机组节能表现更为显著，在制药企业中降能增效的表现更为突出。

（3）通过对数据的观察可知，磁悬浮冷水机组对冷冻水出水温度控制较好（偏差0.2℃以内），出水温度漂移不大，能够自由高效地根据热负荷调整压缩机功率，提供温度恒定的冷冻水，更好地服务于末端，更适用于制药公司这种对冷冻水温度控制要求较高的企业。

（4）由于采用无油设计，磁悬浮冷水机组在北方冬季运行时，避免了传统的螺杆式冷水机组因冷却水温度过低而无法建立起合适的油压差，导致开机困难的情况，磁悬浮冷水机组可以在冷却水温度较低的工况下运行，从而保证机组的正常可靠运行，保障生产任务的安全持续进行，更适用于制药公司这种冷水机组全年运行的企业。

具体运行数据如表1、表2所示。

表1 单螺杆冷水机组运行参数测量表

表2 磁悬浮冷水机组运行参数测量表

5 磁悬浮冷水机组在制药企业应用中出现的问题及现有解决办法

相较于其他类型的企业，制药企业的冷水机组运行具有以下特点：全年365天运行，不能随意停机，对冷冻水温度控制要求较高，要求冷水机组能够持续、稳定地提供温度符合要求的冷冻水。

根据企业性质，笔者发现磁悬浮冷水机组在实际使用中存在以下问题：

（1）由于磁悬浮冷水机组属于离心式冷水机组，因此喘振是其必须面对的一个问题。磁悬浮冷水机组在低负荷运行时会发生喘振现象，可通过增载的方式来抑制机组喘振，但这样可能会造成机组异常增载，从而报警停机，影响生产。很多厂家为了避免机组发生喘振，会采用在出口位置增设自动防喘振阀或在运行系统中设置独立运行的回流旁路的措施，但从实际体验来看，这种方式也不能完全避免机组喘振。因此，要避免喘振，在机组选型时就要十分注意，冷量选择要合理，保证机组时刻在较高的负载下运行，在保证机组发挥出更高的效率的同时仍能稳定运行。

（2）磁悬浮压缩机属于离心式压缩机，离心式压缩机属于速度型，在高低压压差大的工况下能力不足，所以在日常运行中，需保证冷却塔散热能力良好、冷却水流量充足、冷凝器换热效果良好，才能保证磁悬浮冷水机组稳定、高效、节能运行。相比于南方城市，北方城市水质较差，易结水垢，容易堵塞冷凝器，所以建议在机组冷却水进水口加装过滤器并做到及时清洗，以免冷却水流量不足，机组高低压压差过大，发生异常增载，导致报警停机。另外，在机组日常运行过程中，需时刻注意冷却水流量是否能够满足要求。

（3）磁悬浮控制系统的可靠与否直接关系到磁悬浮冷水机组能否正常运行，作为磁悬浮轴承的“大脑”，控制中心在磁悬浮冷水机组中承担着重要作用。由于磁悬浮轴承的精密性，轴承位置传感器每分钟将和控制中心进行数千次的数据传输，因此控制系统的控制精度和控制逻辑直接决定了磁悬浮冷水机组的生产水平，这就是各厂家生产的磁悬浮冷水机组的差异之处，也是决定了磁悬浮冷水机组是否可以被制药企业接受的一个重要考量标准。

能否完美解决上述问题将直接影响到制药企业对磁悬浮冷水机组的选择。

6 磁悬浮冷水机组在制药企业应用中的注意事项

由于制药企业的特殊性质和对冷冻水系统的特殊要求，磁悬浮冷水机组在制药企业应用时需注意以下问题：

（1）磁悬浮轴承是磁悬浮冷水机组的核心部件，断电停机时，如何确保转子安全平稳“着地”是磁悬浮冷水机组需要重点解决的问题之一。现在普遍采取的方式是使用电容器供电，在突然断电时，电容器中的电可以保证轴承转速逐渐减慢直至停止，从而使轴承安全“着地”，因此电容器在磁悬浮冷水机组中有着不可替代的作用。但在实际使用中，电容器组因为质量、使用条件等原因，存在损坏的现象，电容器组的损坏会直接导致机组超速报警，为保证机组安全稳定运行，需定时检查电容器组并做好相应备件的储备，以便发现问题及时更换。

（2）在日常运行过程中，机组控制柜也是需要注意的重点，因为磁悬浮冷水机组的传感器与控制柜在运行过程中每分钟需要进行数千次数据传输，故机组最好不要安装在电磁场较强的地方，以免造成电磁干扰，最好再在数据传输线上加装磁环以减少电磁干扰。在日常巡检过程中，要多注意各项运行数据，及时发现数据异常，可以观察出机组控制是否正常。

（3）磁悬浮冷水机组运行过程中采用变频控制算法、智能化自适应控制系统，对运动状态变化的响应更及时，压缩机可更快达到最优转速，最大限度实现节能潜力，但这也意味着机组的电气控制部分承担了更重要的任务。电气部分负荷更大，需要良好散热，若散热不及时，会导致机组控制部分温度过高，机组报警。目前电气控制部分采用水冷式散热，使用冷却水与厂家的冷却液进行换热，因此在日常运行中需根据厂家要求及时更换冷却液，避免散热不良；若条件允许，也可采用机组冷冻水进行换热，但需注意水管结露问题，以免冷凝水进入机组电气柜。

7 结语

基于目前市场对磁悬浮冷水机组的整体认可与了解程度不高，磁悬浮冷水机组在市场上的占有率不高。随着磁悬浮技术的不断发展与人们对磁悬浮冷水机组的不断深入了解，磁悬浮冷水机组将会逐步进入各行各业，也会因为其IPLV值高、高效节能，噪声低、安静舒适，运行过程稳定可靠，冷却水温度区间较宽等诸多优点，成为冷水机组领域的新宠。本文从发展历程、技术特点、应用情况等方面对磁悬浮冷水机组进行了仔细分析，相信本文可对磁悬浮冷水机组进入制药类企业应用起到一定的推动作用。