李 斌,顏蘇芊,張軍鵬

(1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安710048；2.西安工程大學(xué),陜西 西安710048；3.甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅 蘭州730030)

紡織空調(diào)作為一種工藝空調(diào),首要任務(wù)是滿足紡織工藝生產(chǎn)需要。紡織車間設(shè)備、機(jī)器發(fā)熱量大,粉塵濃度高,為了消除車間余熱,保證空氣潔凈度,紡織企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)一般規(guī)模大,能耗高[1]。通常紡織企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)用電占企業(yè)總用電量的25%以上[2],是除工藝耗電外的主要用電部分。因此,使用自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紡織空調(diào)精細(xì)化及自動化控制對企業(yè)節(jié)能降耗十分重要。

以鹽城某紡織廠細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)為例,通過分析鹽城地區(qū)全年氣象參數(shù),得到鹽城全年空調(diào)氣象調(diào)節(jié)區(qū),研究了不同季節(jié)模式空調(diào)對空氣處理的處理過程；研究了PLC自控系統(tǒng)的功能及采用步進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備的精細(xì)控制；分析了增設(shè)結(jié)合季節(jié)條件的PLC自控系統(tǒng)后系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益。

1 鹽城空調(diào)氣象調(diào)節(jié)區(qū)

鹽城地區(qū)季風(fēng)氣候明顯,隨著季風(fēng)的進(jìn)退,空氣相對濕度變化有很明顯的季節(jié)性,夏季室外空氣溫度高且濕度大,冬季室外空氣溫度較低,過渡季和冬季室外空氣參數(shù)早晚變化很大[3-4]。根據(jù)鹽城射陽氣象站近三年以每3小時(shí)為間隔記錄的氣象參數(shù),在焓濕圖上標(biāo)記出對應(yīng)點(diǎn)；用圓滑曲線將焓值極值點(diǎn)連接起來得到鹽城地區(qū)氣象包絡(luò)線；氣象包絡(luò)線為鹽城地區(qū)空調(diào)氣象調(diào)節(jié)區(qū)。

圖1 鹽城空調(diào)氣象調(diào)節(jié)區(qū)

由圖1可知,鹽城全年氣象參數(shù)焓值在h-d圖上呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性聚集,特別是夏季和過渡季界限明顯,過渡季和夏季大體以h=70.4 kJ/kg等焓線為界,冬季和過渡季大體以h=25.8 kJ/kg為界。鹽城某紡織廠細(xì)紗車間溫度、濕度控制調(diào)節(jié)范圍如表1所示:

表1 車間內(nèi)溫度、濕度控制參數(shù)

結(jié)合季節(jié)條件的PLC 自控系統(tǒng),根據(jù)新風(fēng)溫度、濕度與車間溫度、濕度控制參數(shù)進(jìn)行比較,當(dāng)新風(fēng)焓值h w≥70.4 kJ/kg時(shí)自控系統(tǒng)運(yùn)行夏季模式；當(dāng)h w＜25.8 kJ/kg時(shí)自控系統(tǒng)運(yùn)行冬季模式；除此之外,自控系統(tǒng)運(yùn)行過渡季模式。

2 不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案

空調(diào)采用多工況分區(qū)PLC 控制,可以充分利用室內(nèi)外空氣能,避免冷熱抵消,達(dá)到節(jié)能的目的[5]。

2.1 夏季調(diào)節(jié)方案

采用夏季模式時(shí),如圖2所示:圖中1-2-3-4為車間夏季溫濕度區(qū)間,h4為最高點(diǎn)4 所在的等焓線,取空調(diào)區(qū)域最高點(diǎn)4和最低點(diǎn)1處等含濕量線與相對濕度95%相交于L x4和L x1點(diǎn),減去擋水板過水量為0.5 g/kg,得機(jī)械露點(diǎn)L x4'和L x1',h x4'和h x1'分別為機(jī)械露點(diǎn)L x4'和L x1'所在的等焓線。

圖2 夏季調(diào)節(jié)原理

當(dāng)h w≥h4時(shí),新風(fēng)和回風(fēng)按照1∶9混合,由噴淋室噴冷水對空氣進(jìn)行除濕降溫處理；當(dāng)h x4'≤h w＜h4時(shí),使用全新風(fēng)由噴淋室噴冷水進(jìn)行除濕降溫處理；當(dāng)h x1'≤h w＜h x4'時(shí),使用100%新風(fēng)噴淋循環(huán)水對空氣進(jìn)行等焓加濕處理。當(dāng)車間外新風(fēng)溫度T x1'≤T≤T x4',且相對濕度φ≥95%時(shí),水泵關(guān)閉,車間外空氣直接由風(fēng)機(jī)送入車間內(nèi)。

2.2 過渡季調(diào)節(jié)方案

過渡季空調(diào)溫濕度控制區(qū)間為1-2-3-4,如圖3所示,取空調(diào)區(qū)域最高點(diǎn)4和最低點(diǎn)1處等含濕量線與相對濕度95%相交于L g4和L g1點(diǎn),減過水量為0.5 g/kg,得機(jī)械露點(diǎn)L g4'和L g1',h g4'和h g1'分別為機(jī)械露點(diǎn)L g4'和L g1'所在的等焓線。

當(dāng)h g1'≤h w≤h g4'時(shí),新風(fēng)窗全開由噴淋室循環(huán)水等焓加濕處理；當(dāng)h w＜h g1'時(shí),新回風(fēng)窗開度由步進(jìn)算法計(jì)算調(diào)節(jié),當(dāng)車間外空氣溫度由高到低變化時(shí),新風(fēng)由100%逐漸變到10%。

2.3 冬季調(diào)節(jié)方案

冬季模式運(yùn)行時(shí),冬季模式車間空調(diào)區(qū)域1-2-3-4,取空調(diào)區(qū)域最低點(diǎn)1 處等含濕量線與相對濕度90%相交于L1點(diǎn),h1為最低點(diǎn)機(jī)器露點(diǎn)L1所在的等焓線。

圖3 過渡季調(diào)節(jié)原理

圖4 冬季調(diào)節(jié)原理

新風(fēng)和回風(fēng)按照1∶9混合,噴淋室噴循環(huán)水等焓加濕處理。對鹽城近三年冬季氣象參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),鹽城地區(qū)冬季無需對空氣預(yù)熱。

3 空調(diào)自控系統(tǒng)配置及功能

鹽城某紡織廠細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)溫濕度測點(diǎn)分布位置為:新風(fēng)、混風(fēng)、工藝回風(fēng)、機(jī)器露點(diǎn)和車間；在噴淋室回水池設(shè)置水溫探頭；在送風(fēng)機(jī)、工藝回風(fēng)機(jī)、地排風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵和冷凍水泵上加裝變頻器；在新風(fēng)窗、工藝回風(fēng)窗和地排風(fēng)窗加裝風(fēng)閥執(zhí)行器。

自控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集所有溫度、濕度傳感器測量數(shù)據(jù),每5 min在控制器PLC 內(nèi)根據(jù)自控算法計(jì)算出設(shè)置值與測量值的差值,再根據(jù)差值PLC 進(jìn)行計(jì)算后,發(fā)出指令到執(zhí)行器來調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及大小。自控系統(tǒng)人機(jī)主界面上側(cè)按鈕包括系統(tǒng)運(yùn)行模式(過渡季、夏季、冬季),當(dāng)自控系統(tǒng)運(yùn)行哪個(gè)模式時(shí),對應(yīng)按鈕會不停閃爍。界面最下側(cè)按鈕從左到右分別為:設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)一覽、報(bào)警信息、信息趨勢、風(fēng)窗控制、電機(jī)控制、溫濕度設(shè)定和修正系數(shù)設(shè)定,點(diǎn)擊主界面上的各子界面按鈕即可進(jìn)入各子界面。

從設(shè)備狀態(tài)模塊查看空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),有運(yùn)行、停止兩種,控制模式有手動、自動；數(shù)據(jù)一覽模塊可以查看各設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),同時(shí)該模塊可以通過輸出值與返回值之差判斷自控系統(tǒng)各設(shè)備是否正常運(yùn)行；信息趨勢模塊將空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備生成運(yùn)行狀態(tài)曲線并且保留,可以判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常,車間溫、濕度是否穩(wěn)定；溫濕度設(shè)定可以根據(jù)車間紡紗種類調(diào)整目標(biāo)溫度和相對濕度。

4 自控系統(tǒng)主要設(shè)備算法

分季節(jié)PLC自控系統(tǒng)采用步進(jìn)算法對各設(shè)備進(jìn)行控制。步進(jìn)算法根據(jù)傳感器測量值與設(shè)置值之差進(jìn)行劃步,調(diào)節(jié)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),使車間溫度值、濕度值逐步接近控制目標(biāo),這種算法能夠有效避免設(shè)備變頻器頻率和執(zhí)行器開度來回跳動。該系統(tǒng)各個(gè)風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度偏差值進(jìn)行控制；循環(huán)水泵根據(jù)相對濕度偏差值來控制；新風(fēng)窗和地排風(fēng)窗開度根據(jù)新風(fēng)焓值和車間焓值的偏差值來控制,工藝風(fēng)窗開度根據(jù)濕度偏差來控制[6-7]。各設(shè)備具體的算法如下:

4.1 風(fēng)機(jī)、水泵頻率計(jì)算

式中:f(t-1)—上一時(shí)刻設(shè)備運(yùn)行頻率,Hz；k i—修正系數(shù)(取值范圍0～1,初始值為0.5)；fmax、fmin—設(shè)備頻率上、下限,Hz；Smax、Smin—車間目標(biāo)溫、濕度上下限；Psp、Ppv—車間目標(biāo)、實(shí)測溫濕度。

4.2 風(fēng)窗開度計(jì)算

4.2.1 新風(fēng)窗開度調(diào)節(jié)算法

式中:k i—修正系數(shù)；h n、h mb、h w—車間實(shí)測、目標(biāo)機(jī)器露點(diǎn)、新風(fēng)溫濕度計(jì)算的焓值,kJ/kg。

4.2.2 地排風(fēng)窗開度調(diào)節(jié)算法

4.2.3 工藝風(fēng)窗開度調(diào)節(jié)算法

式中:O(t-1)—上一時(shí)刻工藝風(fēng)窗開度。

5 空調(diào)自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益分析

對自控系統(tǒng)安裝一年內(nèi)新風(fēng)及車間日平均溫濕度進(jìn)行測試,車間溫濕度波動情況見圖5。

圖5 車間內(nèi)外溫、濕度變化曲線

當(dāng)溫濕度傳感器需清理時(shí),車間溫濕度偶有跳躍。其它時(shí)間車間溫濕度在規(guī)定范圍內(nèi)有小范圍波動。對全年運(yùn)行間隔2小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖6和圖7所示可以看出,車間溫度誤差在±0.7 ℃以內(nèi),相對濕度誤差在±3%以內(nèi),車間溫濕度基本穩(wěn)定。

圖6 溫度差累積曲線圖

圖7 濕度差累積曲線圖

安裝自控系統(tǒng)前后,空調(diào)各月耗電量見表2。

未安裝自控系統(tǒng)時(shí),空調(diào)系統(tǒng)年耗電量為552 300 k W·h,安裝自控系統(tǒng)后年耗電469 660 k W·h,年節(jié)電量為82 640 k W·h。按照鹽城某紡織廠電價(jià)0.6元/k W·h來計(jì)算,安裝自控系統(tǒng)后,該空調(diào)室每年可節(jié)約電費(fèi)49 584元,節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表2 安裝自控系統(tǒng)前后空調(diào)耗電量對比

6 結(jié)論

(1)根據(jù)鹽城地區(qū)氣候特點(diǎn),將空調(diào)自控系統(tǒng)分為夏季、過渡季和冬季3個(gè)調(diào)節(jié)區(qū),各區(qū)域采用不同的控制模式,系統(tǒng)溫濕度波動小,車間溫濕度相對穩(wěn)定。

(2)細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)自控結(jié)合鹽城地區(qū)季節(jié)條件并采用步進(jìn)算法調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),能夠?qū)囬g溫濕度進(jìn)行精細(xì)控制。

(3)鹽城某紡織廠采用結(jié)合季節(jié)條件的PLC 自控系統(tǒng)后,系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的同時(shí),耗電量較手動調(diào)節(jié)明顯降低,年節(jié)電82 640k W·h,若按照該廠工業(yè)用電電價(jià)0.6元/k W·h計(jì)算,安裝自控系統(tǒng)后每年可節(jié)電49 584元。