結合季節(jié)條件的PLC空調自控系統(tǒng)在紡織企業(yè)的應用

李 斌,顏蘇芊,張軍鵬

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

紡織空調作為一種工藝空調,首要任務是滿足紡織工藝生產(chǎn)需要。紡織車間設備、機器發(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)空調系統(tǒng)一般規(guī)模大,能耗高[1]。通常紡織企業(yè)空調系統(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)實現(xiàn)紡織空調精細化及自動化控制對企業(yè)節(jié)能降耗十分重要。

以鹽城某紡織廠細紗車間空調系統(tǒng)為例,通過分析鹽城地區(qū)全年氣象參數(shù),得到鹽城全年空調氣象調節(jié)區(qū),研究了不同季節(jié)模式空調對空氣處理的處理過程；研究了PLC自控系統(tǒng)的功能及采用步進算法實現(xiàn)對各設備的精細控制；分析了增設結合季節(jié)條件的PLC自控系統(tǒng)后系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、節(jié)能效果及經(jīng)濟效益。

1 鹽城空調氣象調節(jié)區(qū)

鹽城地區(qū)季風氣候明顯,隨著季風的進退,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小時為間隔記錄的氣象參數(shù),在焓濕圖上標記出對應點；用圓滑曲線將焓值極值點連接起來得到鹽城地區(qū)氣象包絡線；氣象包絡線為鹽城地區(qū)空調氣象調節(jié)區(qū)。

圖1 鹽城空調氣象調節(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。鹽城某紡織廠細紗車間溫度、濕度控制調節(jié)范圍如表1所示:

表1 車間內(nèi)溫度、濕度控制參數(shù)

結合季節(jié)條件的PLC 自控系統(tǒng),根據(jù)新風溫度、濕度與車間溫度、濕度控制參數(shù)進行比較,當新風焓值h w≥70.4 kJ/kg時自控系統(tǒng)運行夏季模式；當h w＜25.8 kJ/kg時自控系統(tǒng)運行冬季模式；除此之外,自控系統(tǒng)運行過渡季模式。

2 不同季節(jié)空調系統(tǒng)調節(jié)方案

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

2.1 夏季調節(jié)方案

采用夏季模式時,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4 所在的等焓線,取空調區(qū)域最高點4和最低點1處等含濕量線與相對濕度95%相交于L x4和L x1點,減去擋水板過水量為0.5 g/kg,得機械露點L x4'和L x1',h x4'和h x1'分別為機械露點L x4'和L x1'所在的等焓線。

圖2 夏季調節(jié)原理

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

2.2 過渡季調節(jié)方案

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

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

2.3 冬季調節(jié)方案

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

圖3 過渡季調節(jié)原理

圖4 冬季調節(jié)原理

新風和回風按照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)進行分析發(fā)現(xiàn),鹽城地區(qū)冬季無需對空氣預熱。

3 空調自控系統(tǒng)配置及功能

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

自控系統(tǒng)實時采集所有溫度、濕度傳感器測量數(shù)據(jù),每5 min在控制器PLC 內(nèi)根據(jù)自控算法計算出設置值與測量值的差值,再根據(jù)差值PLC 進行計算后,發(fā)出指令到執(zhí)行器來調節(jié)空調系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài)及大小。自控系統(tǒng)人機主界面上側按鈕包括系統(tǒng)運行模式(過渡季、夏季、冬季),當自控系統(tǒng)運行哪個模式時,對應按鈕會不停閃爍。界面最下側按鈕從左到右分別為:設備狀態(tài)、數(shù)據(jù)一覽、報警信息、信息趨勢、風窗控制、電機控制、溫濕度設定和修正系數(shù)設定,點擊主界面上的各子界面按鈕即可進入各子界面。

從設備狀態(tài)模塊查看空調系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài),有運行、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備的實時數(shù)據(jù),同時該模塊可以通過輸出值與返回值之差判斷自控系統(tǒng)各設備是否正常運行；信息趨勢模塊將空調系統(tǒng)各設備生成運行狀態(tài)曲線并且保留,可以判斷設備運行是否正常,車間溫、濕度是否穩(wěn)定；溫濕度設定可以根據(jù)車間紡紗種類調整目標溫度和相對濕度。

4 自控系統(tǒng)主要設備算法

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

4.1 風機、水泵頻率計算

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

4.2 風窗開度計算

4.2.1 新風窗開度調節(jié)算法

式中:k i—修正系數(shù)；h n、h mb、h w—車間實測、目標機器露點、新風溫濕度計算的焓值,kJ/kg。

4.2.2 地排風窗開度調節(jié)算法

4.2.3 工藝風窗開度調節(jié)算法

式中:O(t-1)—上一時刻工藝風窗開度。

5 空調自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性及經(jīng)濟效益分析

對自控系統(tǒng)安裝一年內(nèi)新風及車間日平均溫濕度進行測試,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

當溫濕度傳感器需清理時,車間溫濕度偶有跳躍。其它時間車間溫濕度在規(guī)定范圍內(nèi)有小范圍波動。對全年運行間隔2小時數(shù)據(jù)進行分析,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,空調各月耗電量見表2。

未安裝自控系統(tǒng)時,空調系統(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0.6元/k W·h來計算,安裝自控系統(tǒng)后,該空調室每年可節(jié)約電費49 584元,節(jié)能及經(jīng)濟效益明顯。

表2 安裝自控系統(tǒng)前后空調耗電量對比

6 結論

(1)根據(jù)鹽城地區(qū)氣候特點,將空調自控系統(tǒng)分為夏季、過渡季和冬季3個調節(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)細紗車間空調系統(tǒng)自控結合鹽城地區(qū)季節(jié)條件并采用步進算法調節(jié)設備運行狀態(tài),能夠對車間溫濕度進行精細控制。

(3)鹽城某紡織廠采用結合季節(jié)條件的PLC 自控系統(tǒng)后,系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的同時,耗電量較手動調節(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0.6元/k W·h計算,安裝自控系統(tǒng)后每年可節(jié)電49 584元。