韓 淼 丁兆強 周義德 多文新

（1.河南省城鄉(xiāng)建筑設(shè)計院有限公司，河南鄭州，450006；2.中原工學(xué)院，河南鄭州，450007；3.無錫市安享空調(diào)科技有限公司，江蘇無錫，214000）

紡織廠清梳聯(lián)是由輸棉管道和控制系統(tǒng)將開清棉設(shè)備和梳棉設(shè)備聯(lián)接起來的一個系統(tǒng)工程，具有產(chǎn)量高、自動化程度高、可節(jié)省大量勞動力的特點，可滿足高速自動化生產(chǎn)的要求，被廣大紡織企業(yè)所采用[1]。清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)是保證工藝棉流輸送、主機設(shè)備部位壓力運行要求、含塵氣流排出和過濾的設(shè)備，是維持清梳聯(lián)設(shè)備正常運行的關(guān)鍵設(shè)備。設(shè)計運行人員對該部分十分重視，但由于試驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，設(shè)備運行狀況變化影響因素多，系統(tǒng)阻力計算不精確等因素，長期以來，系統(tǒng)設(shè)計均是依據(jù)主機設(shè)備廠家提供的除塵排風(fēng)量、壓力參數(shù)，適當(dāng)乘以安全系數(shù)來進行除塵設(shè)備、風(fēng)機風(fēng)量和壓力的配備。在實際運行中，由于工藝及原料的變化，多造成系統(tǒng)運行風(fēng)量偏大，運行壓力較高的現(xiàn)象。雖沒對主機設(shè)備運行產(chǎn)生不利影響，但會造成系統(tǒng)運行無效能耗增加，區(qū)域發(fā)熱量增大，致使清梳聯(lián)區(qū)域成為紡織車間繼細(xì)紗以后的第二個溫度較高區(qū)域，不利于工藝生產(chǎn)和職工身體健康。

本文從生產(chǎn)實際出發(fā)，利用風(fēng)機性能調(diào)節(jié)的理論，研究對主風(fēng)機的運行控制，結(jié)合清梳聯(lián)系統(tǒng)的運行特點，按照智能化生產(chǎn)的要求，提出在清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)采用恒壓變流量控制自適應(yīng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計思路，以達(dá)到在不同品種、不同運行情況下清梳聯(lián)設(shè)備的高效運行，降低無效能耗，提高除塵系統(tǒng)設(shè)備綜合節(jié)能的目的。

1 風(fēng)機變頻調(diào)速方法分析

由風(fēng)機運行原理分析可知，風(fēng)機的工作點是由風(fēng)機的性能曲線和管道特性曲線的交點決定的。在運行過程中，改變風(fēng)機的性能曲線或改變管道的特性曲線或同時改變風(fēng)機和管道的特性曲線，都能改變風(fēng)機的工作點[2]。由風(fēng)機工作狀態(tài)調(diào)節(jié)理論可知，當(dāng)風(fēng)機所產(chǎn)生的流量或壓力不能滿足外界負(fù)荷的變化時，則需要人為對風(fēng)機的工作點進行必要的改變和控制，以滿足外界負(fù)荷的變化，這稱為風(fēng)機的工作狀況調(diào)節(jié)。不同的調(diào)節(jié)方法雖然都能達(dá)到同樣的目的，但消耗的電機功率卻是不同的。分析可知，風(fēng)機變頻調(diào)速是風(fēng)機運行調(diào)節(jié)方法中最佳的調(diào)節(jié)方法[3]。由于紡織除塵系統(tǒng)的特點也不允許采取其他調(diào)節(jié)方法，所以本文重點分析風(fēng)機變頻調(diào)速的控制方法和節(jié)能原理。

1.1 風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)

風(fēng)機變頻運行調(diào)節(jié)原理如圖1所示，風(fēng)機轉(zhuǎn)速n1、n2、n3分別對應(yīng)三條風(fēng)機性能曲線，其中n1＞n2＞n3，R代表管網(wǎng)性能曲線。從風(fēng)機調(diào)速的特性曲線規(guī)律可知，風(fēng)機降速時特性曲線向左下方平移，同時由于系統(tǒng)風(fēng)量的減少，系統(tǒng)阻力呈二次方下降，工況點沿管網(wǎng)特性曲線R向下移動。如圖1所示，當(dāng)風(fēng)機變頻速度由n1變化到n2時，工況點由M1變化至M2，風(fēng)量減少，風(fēng)壓降低，實現(xiàn)了風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)。其中：風(fēng)機的風(fēng)量Q2=Q1（n2/n1）；壓 力H2=H1（n2/n1）2；功 率W2=W1（n2/n1）3，實現(xiàn)了節(jié)能。但從圖1可以看出，當(dāng)風(fēng)機速度由n1變化到n2時，風(fēng)機的壓力和流量同時下降，實現(xiàn)了變壓變流量調(diào)節(jié)，并且壓力下降和速度下降的二次方呈正比。這種調(diào)節(jié)方法適合于系統(tǒng)對風(fēng)壓要求不高，只要風(fēng)量滿足的除塵部位較為合適，例如清棉除塵系統(tǒng)，主要排塵部位有排塵風(fēng)機，系統(tǒng)只要滿足風(fēng)量要求和最低風(fēng)壓要求即可。但對于梳棉除塵系統(tǒng)，由于梳棉機排塵箱對機外負(fù)壓要求較高，要求不低于950 Pa。若采用常規(guī)變頻調(diào)速控制，變壓變流量調(diào)節(jié)方法，當(dāng)機臺開機數(shù)較少時，系統(tǒng)壓力可能無法滿足梳棉機排塵箱負(fù)壓的要求，清梳聯(lián)系統(tǒng)會出現(xiàn)停車故障。因此，這就需要設(shè)計一個確保最低壓力的變頻調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)恒壓變流量控制，自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖1 風(fēng)機變頻運行示意圖

1.2 恒壓變流量調(diào)節(jié)

恒壓變流量調(diào)節(jié)方法風(fēng)機管網(wǎng)運行曲線如圖2所示。在工頻（50 Hz）運行下，風(fēng)機曲線為n1對應(yīng)性能曲線，運行工況點為M1，在風(fēng)量由Q1變小為Q2時，為保證系統(tǒng)壓力不變，工況點由M1向左平移至和R2管網(wǎng)特性曲線的交點M2′處，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n2′。對比圖1可以看出，n2′大于n2，說明在恒壓變流量調(diào)節(jié)的情況下，達(dá)到相同的風(fēng)量，風(fēng)機沒有變壓變流量時的轉(zhuǎn)速低。但由于系統(tǒng)風(fēng)量的減少，風(fēng)機還是實現(xiàn)了節(jié)能。進一步分析可知，由于隨著運行機臺數(shù)的減少，或者生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)排風(fēng)量減少，管網(wǎng)入口風(fēng)量減少，系統(tǒng)阻力曲線會變得更陡，風(fēng)量變化時，風(fēng)機頻率會降低更多，節(jié)能效果更好。

圖2 恒壓變流量運行示意圖

比較兩種風(fēng)機工作狀況變頻調(diào)節(jié)方式可以看出，變壓變流量系統(tǒng)節(jié)能效果更好，并同時改善管網(wǎng)對流量變化的適應(yīng)性，提高了管網(wǎng)的運行安全可靠性。管道和設(shè)備的保養(yǎng)、維修工作量與費用大大減少。但這種設(shè)備控制信號的采集和傳感系統(tǒng)比較復(fù)雜，調(diào)試工作量大，設(shè)計時必須有一定的管網(wǎng)基本技術(shù)資料，應(yīng)用有一定困難[4]。并且紡織除塵系統(tǒng)的特點也不全部適用這種調(diào)節(jié)方法，這也是紡織除塵系統(tǒng)風(fēng)量壓力基本不進行調(diào)節(jié)，一直采用工頻運行的原因。而恒壓變流量自動控制系統(tǒng)比較簡單，容易實現(xiàn)，運行調(diào)試工作量較少，也適合多數(shù)紡織除塵系統(tǒng)需要維持恒定負(fù)壓的要求。這種系統(tǒng)在一定程度上解決了恒速工頻運行風(fēng)機系統(tǒng)的能源浪費問題，在控制檢測元件普及，人工智能、自動控制要求提高的前提下，其推廣價值較高。

2 清梳聯(lián)除塵恒壓變流量控制

2.1 清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)的設(shè)計運行特點

在紡織空調(diào)濾塵系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計者一般按照主機設(shè)備廠家提供的排風(fēng)量及壓力要求，按照設(shè)備全開，運行速度最高，確定設(shè)計參數(shù)。即按照系統(tǒng)所需的最大風(fēng)量、最大風(fēng)壓，并考慮一定的富余量來選擇除塵器和主風(fēng)機，多數(shù)沒有采取運行調(diào)節(jié)措施。但實際運行中，紡織企業(yè)根據(jù)工藝品種及原料變化等因素，主機設(shè)備的運行速度、工藝參數(shù)、機臺開停等都是不斷變化的，按最大負(fù)荷設(shè)計的除塵系統(tǒng)肯定會維持在超負(fù)荷的條件下運行，致使系統(tǒng)風(fēng)量過大，風(fēng)壓過高，造成能源浪費。由于除塵系統(tǒng)主要能耗設(shè)備為除塵系統(tǒng)主風(fēng)機，針對紡織除塵系統(tǒng)的特點，又不能采取其他運行調(diào)節(jié)的方法來適應(yīng)實際運行過程中的風(fēng)壓風(fēng)量參數(shù)變化，多數(shù)系統(tǒng)會造成系統(tǒng)超負(fù)荷運行，無用能耗增加，車間發(fā)熱量增大。

清梳聯(lián)系統(tǒng)的棉流輸送和排雜均以氣流為載體實現(xiàn)，除塵系統(tǒng)是承接工藝排風(fēng)和維持排雜系統(tǒng)正常工作的重要組成部分。因此，除塵系統(tǒng)設(shè)計運行是保持清梳聯(lián)系統(tǒng)正常工作、系統(tǒng)運行節(jié)能的關(guān)鍵。紡織清梳聯(lián)除塵是車間最主要的除塵部位，裝機設(shè)備多，運行能耗高，每套常規(guī)清梳聯(lián)設(shè)備，一般需要配備3套除塵系統(tǒng)，3套除塵系統(tǒng)主風(fēng)機功率合計高達(dá)110 kW以上，并且隨著清梳聯(lián)設(shè)備同時開啟，需要長時間滿負(fù)荷運行，能耗大，噪聲高。除少數(shù)短流程清梳聯(lián)設(shè)備的清棉除塵系統(tǒng)要求風(fēng)壓較低外，大多數(shù)清梳聯(lián)設(shè)備清棉和梳棉除塵系統(tǒng)均需要維持較高的負(fù)壓，主機排風(fēng)口負(fù)壓不低于950 Pa。要求除塵系統(tǒng)主風(fēng)機需保持不小于1 500 Pa的全壓運行。這種運行特點，對除塵系統(tǒng)變頻調(diào)速提出了特殊要求，需要采取恒壓變流量控制才能滿足清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)調(diào)速和節(jié)能的要求。

2.2 恒壓變流量控制設(shè)計要求

紡織車間的高速化、自動化、智能化生產(chǎn)，對清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)工作提出了更高的要求，原來依靠傳統(tǒng)人工控制或者設(shè)備超負(fù)荷運行，均不能滿足主機設(shè)備高速自動化生產(chǎn)的要求，并且由于系統(tǒng)壓力過高，容易出現(xiàn)質(zhì)量和安全事故。迫切需要除塵系統(tǒng)具有自動變頻調(diào)節(jié)的恒壓變流量自適應(yīng)能力。清梳聯(lián)除塵的恒壓變流量自適應(yīng)技術(shù)，就是除塵系統(tǒng)智能控制的壓力、流量能自動滿足清梳聯(lián)風(fēng)壓風(fēng)量變化的要求。通過在恒壓的條件下，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的工作頻率，在風(fēng)量調(diào)節(jié)的過程中，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力恒定，從而實現(xiàn)“無人值守”的自適應(yīng)性智能控制[5]。它是集網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字、控制技術(shù)于一體的系統(tǒng)控制工程，能使清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)在變流量的情況下，壓力穩(wěn)定，保證清梳聯(lián)系統(tǒng)連續(xù)、可靠、穩(wěn)定生產(chǎn)，有效提高生條和成紗的質(zhì)量，同時降低無用能耗，實現(xiàn)節(jié)能。

恒壓變流量除塵系統(tǒng)設(shè)計要求是在保證除塵系統(tǒng)流量最大，風(fēng)壓最高的前提下，采用壓力信號控制變頻系統(tǒng)，逐時調(diào)整主風(fēng)機頻率；在保持除塵機組進風(fēng)箱處壓力恒定的基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整主風(fēng)機的運行頻率，調(diào)整風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)壓，以適應(yīng)清梳聯(lián)系統(tǒng)需要的風(fēng)量和風(fēng)壓要求，達(dá)到節(jié)能運行的目的。

2.3 恒壓變流量控制原理

除塵系統(tǒng)變頻調(diào)速恒壓變流量控制部分由壓力變送器、智能控制器、變頻器等原件組成，其工作原理如圖3所示。通過壓力變送器檢測除塵機組混風(fēng)箱的壓力，利用智能控制器將檢測的壓力信號和原設(shè)定壓力信號P0進行比較運算，輸出變化的頻率信號來控制主風(fēng)機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓變流量排風(fēng)方案。系統(tǒng)工作時，壓力變送器將混風(fēng)箱輸出的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿胫悄芸刂破?，智能控制器將壓力信號與壓力設(shè)定值P0比較，并根據(jù)差值的大小按給定控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號。通過變頻器控制風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速，使實際壓力始終接近于系統(tǒng)設(shè)定壓力，維持進風(fēng)箱壓力恒定，實現(xiàn)恒壓變流量排風(fēng)方案。

圖3 除塵機組恒壓變流量控制示意圖

當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量減少，混風(fēng)箱負(fù)壓值大于系統(tǒng)中設(shè)計負(fù)壓值P0時，通過壓力變送器檢測除塵機組進風(fēng)箱的壓力，壓力傳感器向智能控制器輸入除塵器混風(fēng)箱中壓力信號；智能控制器通過和設(shè)定壓力的信號比較，即向變額調(diào)速器發(fā)出降低電源頻率的信號；風(fēng)機轉(zhuǎn)速隨之降低，使風(fēng)機出風(fēng)量減少，風(fēng)機提供的負(fù)壓值降低，混風(fēng)箱中的負(fù)壓降低。反之當(dāng)混風(fēng)箱負(fù)壓值減小時，說明主機運行臺數(shù)增加，需要的排風(fēng)量增大，則控制變頻器運行頻率逐漸升高至50 Hz，達(dá)到最大系統(tǒng)除塵風(fēng)量。這樣在系統(tǒng)風(fēng)量變化時，始終能保持混風(fēng)箱壓力穩(wěn)定。一方面可以調(diào)節(jié)由于設(shè)備停臺造成的系統(tǒng)風(fēng)量減少，系統(tǒng)壓力升高造成的無用能耗；另一方面也可以克服由于設(shè)計富余量過大，造成系統(tǒng)運行風(fēng)壓風(fēng)量過高，產(chǎn)生較大的無用能耗。進風(fēng)箱壓力設(shè)定值P0的確定，應(yīng)根據(jù)不同時期主要生產(chǎn)品種和工藝要求進行設(shè)置。

3 運行分析

為分析恒壓變流量控制系統(tǒng)的運行效果，對某項目一機兩線清梳聯(lián)系統(tǒng)中清棉和梳棉濾塵機組進行恒壓變流量控制設(shè)計改造，并和原設(shè)計機組運行情況進行比較。清梳聯(lián)工藝流程：JWF1012型往復(fù)抓棉機→TF50型重物分離器→FA 103B型雙軸流開棉機→JWF1104型單軸流開棉機→JWF1026（10）-160型多倉混棉機×2→JWF1124型清棉機×2→異纖機×2→JWF1054型除微塵機×2→JWF1216型梳棉機9臺×2。原設(shè)計清棉設(shè)置一套除塵機組，配備主風(fēng)機風(fēng)量45 540 m3/h，全壓1 751 Pa，裝機功率37 k W；每9臺梳棉機設(shè)置一套除塵機組，配備主風(fēng)機風(fēng)量39 310 m3/h，全壓2 013 Pa，主風(fēng)機裝機功率37 kW。主風(fēng)機平均電流采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，平均功率按照運行電流×380×1.732×0.86計算。

梳棉除塵系統(tǒng)恒壓變流量運行和工頻運行比較如下。

項目 恒壓變 工頻

流量運行 運行

系統(tǒng)排風(fēng)量/m3·h-138 300 41 600

主風(fēng)機全壓/Pa 1 500 1 800

除塵機組混風(fēng)箱

負(fù)壓/Pa 1 250 1 500

梳棉機集塵箱

負(fù)壓/Pa 1 000 1 200

運行平均頻率/Hz 45 50

主風(fēng)機平均電流/A 41.7 56.7

主風(fēng)機實際功率/k W 23.6 32.1

清棉除塵系統(tǒng)恒壓變流量運行和工頻運行比較如下。

項目 恒壓變 工頻

流量運行 運行

系統(tǒng)排風(fēng)量/m3·h-139 800 43 200

主風(fēng)機全壓/Pa 1 500 1 850

除塵機組混風(fēng)箱

負(fù)壓/Pa 1 330 1 650

清棉機排風(fēng)口

負(fù)壓/Pa 1 050 1 300

運行平均頻率/Hz 45 50

主風(fēng)機平均電流/A 42.5 57.6

主風(fēng)機實際功率/k W 24.1 32.6

從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用恒壓變流量變頻對除塵系統(tǒng)進行控制，能較好地穩(wěn)定除塵系統(tǒng)的壓力，及時響應(yīng)主機設(shè)備對除塵風(fēng)量的要求，起到穩(wěn)定主機設(shè)備氣流壓力，保證工藝參數(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的效果。并克服設(shè)備配備富余量過大的問題，綜合節(jié)能效果可達(dá)26%，具有良好的節(jié)能效果。一機兩線清梳聯(lián)設(shè)備每年按7 500 h運行計算，清棉除塵每年可節(jié)能7 500×（32.6-24.1）=63 750（kW·h），梳棉除塵可節(jié)能2×7 500×（32.1-23.6）=127 500（kW·h），共計191 250 kW·h，平均電費按0.65元/（kW·h）計算，每年節(jié)約電費12.431萬元，控制設(shè)備當(dāng)年可收回全部投資。并且減少了清梳聯(lián)系統(tǒng)的無用功耗，降低了夏季車間發(fā)熱量，減少了空調(diào)冷負(fù)荷，降低了清梳聯(lián)夏季車間溫度，改善了工作環(huán)境。

通過對運行檢測結(jié)果分析，清棉除塵系統(tǒng)還有進一步的優(yōu)化空間。由于清棉設(shè)備最高負(fù)壓要求清棉機排塵口負(fù)壓值為650 Pa[6]，而變頻減速后實測負(fù)壓值仍達(dá)到1 050 Pa，所以可根據(jù)工藝生產(chǎn)情況對混風(fēng)箱設(shè)定值進行適當(dāng)調(diào)試。對主風(fēng)機的配備宜采用大風(fēng)量，全壓較低的大機號低轉(zhuǎn)速的風(fēng)機，全壓不宜富余量過大。梳棉機吸風(fēng)箱壓力是系統(tǒng)保證的重點，可根據(jù)原棉情況、半制品及成品參數(shù)等因素進行調(diào)整。適當(dāng)降低吸風(fēng)箱壓力，有利于節(jié)能運行。

4 結(jié)論

紡織廠清梳聯(lián)系統(tǒng)由于自動化、高速化生產(chǎn)的要求，對除塵系統(tǒng)設(shè)計要求較高，為保證其運行，除塵系統(tǒng)設(shè)計富余量較大，運行中大多會處于大馬拉小車的情況，產(chǎn)生較大無用能耗。通過風(fēng)機調(diào)節(jié)控制理論的分析，恒壓變流量調(diào)節(jié)方法具有在恒定壓力條件下，逐時調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量的作用，設(shè)備控制信號的采集和傳感系統(tǒng)簡單，調(diào)試工作量小，運行可靠。

對清梳聯(lián)除塵系統(tǒng)采用恒壓變流量控制，能較好地穩(wěn)定除塵系統(tǒng)的壓力，逐時響應(yīng)主機設(shè)備對除塵風(fēng)量的變化要求；起到氣流壓力波動小、主機工藝參數(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的效果。以常規(guī)一機兩線清梳聯(lián)系統(tǒng)為例，利用恒壓變流量控制除塵系統(tǒng)主風(fēng)機，可以實現(xiàn)綜合節(jié)電26%、年節(jié)約電費12.431萬元的效果，且能改善車間環(huán)境狀況，降低夏季車間溫度。