張 勇 丁逸民 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

吸附式干燥機作為提供干燥氣源的主要設(shè)備，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于微電子、機動車、鋼鐵、化纖、核電等各個行業(yè)和領(lǐng)域，它采用變壓吸附方式通過干燥塔和再生塔的循環(huán)切換達到除濕目的。傳統(tǒng)的吸干機采用時序分配方法來控制干燥時間和再生時間，這種控制方式雖然設(shè)備成本較低，但為保證有足夠的除濕效果，往往將再生時間設(shè)置得過長，從而設(shè)備的運行費用比較高，而且不利于節(jié)能減排。

目前吸干機的智能控制方式有露點控制和溫差控制兩種。干燥劑吸收水分或釋放水分都會引起溫度變化，溫差控制是通過測量干燥機塔的上下溫差的變化并進行實時計算，從而相對準(zhǔn)確地估計出干燥機干燥塔吸濕飽和程度和再生塔脫水的還原程度，并以此來分配切換時序，達到據(jù)實延長干燥塔的干燥時間、縮短再生塔的再生時間、降低干燥機自身損耗氣體的目的。但是，溫差法是間接測量方法，不直觀，不能應(yīng)用于溫場有變化的場合。

露點控制法可直接根據(jù)目標(biāo)露點來控制吸干機的運行（再生時間），并直觀顯示成品氣的露點，既提高了設(shè)備運行效率，又直接監(jiān)測成品氣的濕度指標(biāo)，使吸干機達到了最大限度的節(jié)能環(huán)保效果。

據(jù)此提出一種設(shè)想，能否采用露點控制和溫差控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)對吸干機更好的控制。具體的實現(xiàn)方法：對整機實行露點實時監(jiān)測并反饋控制干燥塔時間的切換，對再生塔實行溫差控制方法尋求到最短再生時間，使兩個塔的干燥再生能力都達到最佳狀態(tài)，從而保證更好的節(jié)能效果。

1 工作原理和儀器構(gòu)成

1.1 工作原理

1.1.1 時序控制

吸附式干燥機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，濕空氣通過進口開關(guān)閥門 A，進入1號塔 ，接受干燥處理，然后通過一系列回閥（單回閥）到達干燥機出氣口。一部分干燥空氣通過調(diào)節(jié)閥使再生氣接受限流控制，調(diào)節(jié)至接近大氣壓，然后進入2號塔。干燥的低壓空氣（稱為再生氣）吸掉2號塔干燥劑在干燥過程中吸收的水分，使干燥劑再生，然后再生氣通過再生閥E排放。吸附劑再生之后，再生閥E關(guān)閉，然后進口開關(guān)閥G打開，2號塔加壓至管線壓力。進口開關(guān)閥A關(guān)閉，并且再生閥H也打開，此時1號塔從高壓瞬時泄為常壓，大量的水分從系統(tǒng)中泄出，1號塔轉(zhuǎn)為再生塔，2號塔轉(zhuǎn)為干燥塔，濕空氣在2號塔接受干燥處理，而1號塔則進入再生工序。如此反復(fù)切換干燥和再生塔，就能連續(xù)不斷地將進口濕空氣處理成出口干燥氣。時序控制方法是滿足上述運行程序的最基本的方法，它滿足下列幾個要求：

圖1 吸附式干燥機的基本結(jié)構(gòu)

1）按照制造商或用戶設(shè)定的干燥/再生時間定時地開啟或關(guān)閉各相應(yīng)的閥門，以保證干燥塔和再生塔定時連續(xù)的自動切換和轉(zhuǎn)換。達到上述吸干機基本運行程序要求。

2）能提供用戶幾種固定的時序分配方案或連續(xù)可變的時序分配范圍，使用戶在長期使用吸干機的過程中能依據(jù)四季變化或因吸干機老化而引起的工況不同人為地改變時序分配，使吸干機達到較佳的工作效果。

1.1.2 溫差控制

上述時序控制方式能保證吸干機正常運行，但不能保證其高效率節(jié)能運行。最關(guān)鍵的缺陷：在用戶負(fù)載下降的情況下，不會減少再生氣的用量，也不能根據(jù)系統(tǒng)需求而自動調(diào)節(jié)再生氣用量。

溫差控制是一種再生節(jié)能的控制方式。通過監(jiān)測吸附劑層的內(nèi)部溫度變化，根據(jù)干燥機的實際需求來調(diào)節(jié)再生氣的用量。這些溫度變化是干燥階段的熱量吸收和再生階段的熱量釋放的結(jié)果。溫度變化程度是壓縮空氣系統(tǒng)中水氣含量的間接測量尺度，可用于決定機塔在干燥階段的在線時間。

滿載時，一個機塔擁有5 min的干燥能力。非滿載時，可讓機塔保持在線狀態(tài)，直到其干燥能力用完為止。這樣可盡量減少再生氣的用量。例如，在50%負(fù)載時，一個機塔可保持在線狀態(tài)10 min（而不是通常的5 min）；在33%負(fù)載時，可保持在線狀態(tài)15 min。這樣，再生氣用量與系統(tǒng)需求相匹配。在50%負(fù)載時，使用正常再生氣用量的50%；在33%負(fù)載時，使用正常再生氣用量的33%。從而能依據(jù)用戶負(fù)載的實際情況達到不同的節(jié)能效果。

用溫度傳感器作為感測元件分布在1號塔的上層和下層、2號塔的上層和下層（如圖1所示）。當(dāng)2號機塔離線，開始再生階段4，傳感器B1測量溫度。

微處理器記憶初始溫度，當(dāng)溫度變化量到達一定值（即溫差達到某一數(shù)值），認(rèn)為2號塔再生完畢，關(guān)閉CV4停止再生。露點控制器利用同樣的方法，測得在線1號機A1與A2溫度傳感器讀數(shù)的差異（即1號機干燥溫差）。同樣到達某一數(shù)值，計算干燥階段干燥機層滿載時的溫度上升值。2號塔返回到干燥階段時，認(rèn)為1號塔干燥已充分，此時微處理器發(fā)生信號，讓1號機塔離線進行再生。如此反復(fù)切換干燥和再生塔，這樣既可充分挖掘干燥機的干燥能力，又可控制再生狀態(tài)，大大延長干燥時間，縮短再生時間，達到了節(jié)能的效果。

1.1.3 露點控制

直接測量吸干機出氣口的露點值，并與用戶設(shè)定的露點值比較，低于設(shè)定露點值時，不切換干燥塔和再生塔，認(rèn)為干燥塔仍有干燥能力，讓干燥塔繼續(xù)工作 。經(jīng)過一段時間后，干燥塔干燥能力達到滿載，出氣口露點回升，一旦超出設(shè)定值時，露點控制器切換干燥塔和再生塔。因此，能直接利用出氣口露點指標(biāo)延長兩個塔的切換時間，達到理想的節(jié)能效果。

1.2 儀器構(gòu)成

露點控制器的構(gòu)成框圖如圖2所示。

1)露點傳感器及變送部分

采用進口薄膜電容式露點傳感器。測量范圍為20 ℃～-60 ℃（露點溫度）：耐壓1.5 MPa，露點測量準(zhǔn)確度±2 ℃（露點溫度）；露點測量年漂移± 1 ℃（露點溫度）。露點變送部分包括C/F轉(zhuǎn)換以及信號整形和驅(qū)動。

2)壓力傳感器及變送部分

采用進口擴散硅壓力傳感器，測量范圍為0～ 1.7 MPa；測量準(zhǔn)確度為± 0.1%。

3)溫度傳感器及變送部分

采用激光修止薄膜鉑電阻作為溫度傳感器，溫度測量準(zhǔn)確度為± 0.5 ℃。

4)溫差控制用傳感器及變送部分

采用進口半導(dǎo)體熱敏電阻作為溫差控制用傳感器；測量范圍為0 ℃～100 ℃；溫度測量準(zhǔn)確度為± 1.0 ℃，采用溫差相減計算后的準(zhǔn)確度± 0.5 ℃；溫差測量經(jīng)微處理器修正后的測量不確定度為± 0.2 ℃。壓力傳感測量部分和露點傳感測量部分相配合，經(jīng)微處理器計算后能進行常壓露點和壓力露點的換算并顯示。露點控制器配合在吸附式干燥機上使用所測得的是管線上的壓力露點，此時，測得的實時管線壓力和壓力露點在露點控制器內(nèi)微處理器上自動運算，可得到實時常壓露點，反之亦然。溫度傳感測量部分和露點傳感測量部分相配合，經(jīng)微處理器計算后能得到管線內(nèi)干燥氣體的相對濕度值（%RH）。露點控制器在壓力狀態(tài)下測得壓力露點，經(jīng)與實時壓力值的測量配合，經(jīng)計算后得到常壓露點，再與實時溫度值測量配合，經(jīng)計算后能自動得到實時相對濕度值，給用戶在濕度單位制選擇上有一定的余地。

圖2 露點控制器的構(gòu)成框圖

1.3 露點控制器的軟件設(shè)計

在設(shè)計露點控制器時最大限度地考慮到實用性，使科研樣機在技術(shù)性能和實用功能上能滿足用戶的需求，并留有一定的擴展能力。主要包括以下幾個方面：

1）通過對管線氣體露點、壓力、溫度的直接測量，能直接顯示壓力露點和氣體壓力；能切換顯示管線氣體的常壓露點、相對濕度、絕對含水量、實際上電計時時間、干燥塔和再生塔切換時間計數(shù)和切換提示管線氣體溫度等。因此要求露點控制器的微處理器用戶系統(tǒng)的軟件包括這樣一些計算模塊：壓力露點/常壓露點換算程序、露點/相對濕度換算程序/露點/ PPM換成程序、上電時間積累計數(shù)程序和時序分配程序。

2）鍵盤管理功能要求：干燥塔和再生塔切換時間的連續(xù)設(shè)定（5 min ～ 4 h）、露點控制的露點連續(xù)設(shè)定（20 ℃ ～ 65 ℃）、各路溫度測量的零位校準(zhǔn)（±9.9 ℃）、露點測量的鍵盤零位校準(zhǔn)（±9.9 ℃）、壓力測量的鍵盤零位校準(zhǔn)。在鍵盤使用方法上能正常面板顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改或設(shè)定3種人機對話模式。相應(yīng)地，露點控制器的軟件設(shè)計必須包括上述鍵盤管理和顯示功能程序。

3）控制方式的設(shè)計和管理

提出用溫差控制方式調(diào)節(jié)再生時間，用露點控制方式調(diào)節(jié)干燥時間，該方案在理論上比當(dāng)今國際干燥機知名企業(yè)美國的HANKISON公司和英國的PENUDR公司的單獨溫差控制方案和單獨露點控制方案更為合理和先進。露點控制器控制方式的設(shè)計：

（1）通電開機后，系統(tǒng)自動進入時序控制方式（因為吸干機在剛運行時還達不到要求的露點），兩個塔的切換按固定時間（用戶可設(shè)定該固定時間）運行一定的周期數(shù)（用戶也可設(shè)定該周期數(shù)）。逐步進入預(yù)設(shè)的露點范圍之后，系統(tǒng)進入溫差 -露點混合控制方式。

（2）系統(tǒng)進入溫差 - 露點混合控制方式之后，露點控制器對吸干機當(dāng)時的干燥塔1號機塔內(nèi)吸附劑下層溫度A1進行測量并記憶，直測露點高于設(shè)定露點從而結(jié)束1號塔干燥階段時，傳感器A1再次讀取溫度，露點控制器利用兩次溫度讀數(shù)的差異，階段吸附劑充分再生的溫度下降預(yù)期值。進入再生階段時，傳感器A2讀取溫度，并開始監(jiān)測溫度下降。當(dāng)實際溫度下降到計算的預(yù)期值，說明吸附劑層已再生充分，此時微處理器發(fā)出信號，讓1號機塔停止再生。露點控制器在2號機塔干燥時同樣進行相同的讀取溫度并計算，在再生時同樣進行溫度觀測和動作。而兩個塔的切換則由直觀露點測量來決定，既縮短了再生時間，又延長了干燥時間。露點控制器的軟件程序框圖如圖3所示。

圖3 露點溫差混合控制軟件框圖

2 試驗結(jié)果

經(jīng)標(biāo)定后控制器露點測量準(zhǔn)確度優(yōu)于±2.0 ℃。該露點控制器到杭州日盛新技術(shù)有限公司，與無熱吸附式干燥機組連機調(diào)試，獲得成功（表1）。

表1 聯(lián)機試驗結(jié)果

3 結(jié)語

該裝置是目前國內(nèi)自行研制成功的第一臺直接測量出氣口露點并反饋控制吸附式干燥機切換運行的全自動控制器。采用的溫差露點混合控制方式屬于國際上首次提出并在吸附式干燥機運行中得到實現(xiàn)。由于該控制儀設(shè)計思路新穎，功能完善，在研制過程中已受到國內(nèi)許多廠商的青睞。

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