紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模及動(dòng)態(tài)仿真

紀(jì) 杰， 韓云龍， 高 杰， 汪虎明， 陸 彪

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032； 2. 江蘇精亞環(huán)境科技有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214426)

國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域的能耗超過(guò)全社會(huì)能源消耗總量的70%。紡織行業(yè)是工業(yè)發(fā)展及民生保障的重要組成部分，2019全年紡織行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)工業(yè)增加值同比增長(zhǎng)1.3%，制造業(yè)中紡織工業(yè)約占最終能源增加值同比消耗的4%[1-2]。紡織企業(yè)能耗較大，紡織空調(diào)系統(tǒng)用電量和用水量分別占企業(yè)總用電量和用水量的15%～25%、80%[3]。紡紗車間是一個(gè)十分復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，具有多工況、滯后性、高度的非線性等特點(diǎn)[4]，而且人員密度低、機(jī)器排布密集和機(jī)器設(shè)備負(fù)荷大[5]。紡紗產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)空氣參數(shù)的要求比較嚴(yán)格，要求恒溫恒濕的環(huán)境[6]；而車間初始參數(shù)以及車間設(shè)定空氣溫濕度決定空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)空氣熱濕處理過(guò)程[7]，因此，紡紗車間空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)要能適應(yīng)復(fù)雜的車間內(nèi)外環(huán)境的變化及紡紗產(chǎn)品參數(shù)的要求，并能實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。目前，空調(diào)系統(tǒng)自控策略的制訂及實(shí)施還需在紡紗車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，運(yùn)行參數(shù)或控制策略的變動(dòng)往往會(huì)影響紡紗車間的正常運(yùn)行，對(duì)紡紗企業(yè)和空調(diào)設(shè)計(jì)公司帶來(lái)不便。而紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)自控策略的虛擬運(yùn)行環(huán)境，為空調(diào)設(shè)計(jì)人員制訂自控策略、升級(jí)自控程序提供了仿真環(huán)境?？照{(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立是實(shí)現(xiàn)仿真的關(guān)鍵，為仿真提供了模型支撐。

建立空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有3種：以物理定律為基礎(chǔ)的白盒模型，以調(diào)節(jié)參數(shù)的輸入輸出關(guān)系建立的黑盒模型，基于物理定律構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)同時(shí)結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)的估算建立的灰盒模型[8-9]。白盒模型可以將復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型分解為相互聯(lián)系的若干子模型，能定量地分析和描述空調(diào)系統(tǒng)輸入、輸出之間的關(guān)系，并可以分析室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)變化的影響，以此建立溫濕度響應(yīng)的微分方程并對(duì)其進(jìn)行解析求解[10]。因此，基于能量平衡方程應(yīng)用白盒模型建立空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的仿真研究較多，主要探討外界干擾因素對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響、空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能等內(nèi)容。如郭安柱等[11]利用集總參數(shù)法，基于能量守恒定律建立了辦公室空調(diào)數(shù)學(xué)模型，利用MatLab/Simulink進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，研究了送風(fēng)量、室內(nèi)人員數(shù)量和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。Jie[12]針對(duì)車輛涂裝車間溫度難以控制問題，結(jié)合涂裝車間結(jié)構(gòu)與空調(diào)設(shè)備特性建立了工廠空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用MatLab/Simulink進(jìn)行了溫度的模糊PID自適應(yīng)控制的仿真。Chen等[13]將空調(diào)系統(tǒng)基本設(shè)備組件利用MatLab/Simulink進(jìn)行模塊化并建立相應(yīng)的模型，組合為空調(diào)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，開發(fā)空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)組建的各空調(diào)設(shè)備實(shí)施控制算法以驗(yàn)證控制策略及節(jié)能效果。方海明等[14]采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ媒y(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)建模技術(shù)，通過(guò)Java編程實(shí)現(xiàn)軟件界面及功能，開發(fā)了紡織廠空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，但沒有對(duì)紡織廠空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模和研究。

基于物理定律建立紡紗空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究對(duì)于紡紗空調(diào)系統(tǒng)自控策略的制訂及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案的實(shí)施具有重要意義。紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型大都通過(guò)MatLab/Simulink模塊仿真實(shí)現(xiàn)，本文基于傳熱傳質(zhì)理論，通過(guò)熱量平衡、濕量平衡、風(fēng)量平衡及空調(diào)系統(tǒng)輸入與輸出參數(shù)的關(guān)系，分別建立噴水室模型和紡紗車間模型，并綜合為紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用Python/PyQt5建立紡紗空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，研究室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)及空調(diào)設(shè)備控制參數(shù)改變對(duì)紡紗車間溫濕度的影響。以此為基礎(chǔ)制訂新風(fēng)控制策略，結(jié)合增量式PID控制算法在仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備的自動(dòng)控制維持車間溫濕度的穩(wěn)定，從而建立紡紗車間運(yùn)行的虛擬運(yùn)行環(huán)境，為空調(diào)系統(tǒng)自控策略的制訂提供參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

以某紡紗車間為研究對(duì)象，建立紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)物理模型，如圖1所示，由噴水室模型和紡紗車間模型2部分組成?；诓豢蓧嚎s空氣熱質(zhì)交換與質(zhì)量(能量)守恒理論建立紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。由于紡紗空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性和涉及的大量參數(shù)，若完全基于物理定律和空氣流動(dòng)理論建立紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有較大難度[15]，因此，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1)忽略門窗及車間內(nèi)設(shè)備的熱容，把整個(gè)車間看成一個(gè)單容對(duì)象，忽略車間內(nèi)部各物體的蓄熱量；

2)忽略車間內(nèi)部氣體的流動(dòng)，噴水室處理的空氣進(jìn)入紡紗車間后均勻混合；

3)假設(shè)車間內(nèi)部溫度分布均勻，房間密閉性良好，只考慮通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)；

4)忽略車間內(nèi)人員散濕量的影響；

5)每個(gè)空氣區(qū)域完全混合，并由一種狀態(tài)描述，在送風(fēng)區(qū)和排風(fēng)區(qū)之間沒有熱量和質(zhì)量的傳遞[16]。

圖1 紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)模型Fig.1 Model of air conditioning system in spinning

1.2 噴水室數(shù)學(xué)模型

噴水室是典型的空氣與水直接接觸式的空氣熱濕處理設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)7種熱濕處理過(guò)程且具有凈化空氣的作用，廣泛應(yīng)用于紡紗廠空調(diào)系統(tǒng)的冷源進(jìn)行空氣處理[17]。噴水室的熱濕交換既有以溫差為動(dòng)力的顯熱交換，又有以水蒸氣分壓力差引起的濕交換，噴嘴將連續(xù)流動(dòng)的水分解為小液滴從而使水溫、空氣溫度和濕度發(fā)生改變[18]，對(duì)于非制冷季節(jié)，噴水室可以實(shí)現(xiàn)等焓加濕過(guò)程。在噴水室前，室外新風(fēng)與一次回風(fēng)按一定比例混合[19]，進(jìn)入噴水室后進(jìn)行等焓加濕處理，焓值不變，溫度降低，濕度增大。經(jīng)噴水室空氣處理，可確定噴淋后空氣的含濕量和機(jī)器露點(diǎn)溫度。

根據(jù)熱量平衡得出噴淋前空氣溫度：

ρCLxtx+ρCLh1th1=ρC(Lx+Lh1)t1

(1)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；C為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；tx為新風(fēng)溫度，℃；th1為一次回風(fēng)溫度，℃；t1為噴淋前空氣溫度，℃；Lx為新風(fēng)量，m3/s；Lh1為一次回風(fēng)量，m3/s。

針對(duì)紡紗車間的噴水室形式確定噴水室熱交換效率，由已確定的噴淋前空氣溫度t1，根據(jù)通用熱交換效率經(jīng)驗(yàn)公式[20]，可得噴淋后空氣機(jī)器露點(diǎn)溫度t2，計(jì)算公式為

(2)

(3)

t2=t1-E′(t1-ts1)

(4)

式中：E′為通用熱交換效率，%；v為噴水室斷面風(fēng)速，m/s；W為水泵噴水量，kg/s；G為通過(guò)噴水室的空氣質(zhì)量流量，kg/s；ts1為噴淋前空氣濕球溫度，℃；t2為噴淋后空氣機(jī)器露點(diǎn)溫度，℃。

由于噴水室的空氣處理過(guò)程為等焓加濕，噴水室前新風(fēng)和一次回風(fēng)混合空氣的焓即為噴淋后空氣焓值，計(jì)算公式為

i(Gx+Gh1)=Gxix+Gh1ih1

(5)

式中：i為噴水室前混合空氣的焓，kJ/kg；ix為新風(fēng)焓，kJ/kg；ih1為一次回風(fēng)焓，kJ/kg；Gx為新風(fēng)空氣質(zhì)量流量，kg/s；Gh1為一次回風(fēng)空氣質(zhì)量流量，kg/s。

由計(jì)算的焓值i及確定的噴淋后空氣機(jī)器露點(diǎn)溫度t2根據(jù)下式即可得出經(jīng)噴水室處理后的空氣含濕量M2:

i=1.01t2+(2 500+1.84t2)M2×10-3

(6)

1.3 紡紗車間數(shù)學(xué)模型

1.3.1 紡紗車間熱量平衡模型

噴水室處理后的空氣與二次回風(fēng)混合后送至紡紗車間，車間產(chǎn)生的熱量為紡紗設(shè)備的顯熱，排出的熱量為地排風(fēng)和工藝排風(fēng)帶出的熱量，及通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)至外環(huán)境的熱量。根據(jù)熱量平衡原則，紡紗車間單位時(shí)間空氣儲(chǔ)熱量的變化率等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入車間的顯熱量減去排出車間的顯熱量，從而得到紡紗車間熱量平衡方程式：

(7)

(8)

式中：VF為車間體積，m3；CW為墻體的比熱容，kJ/(kg·℃)；VW為墻體體積，m3；ρW為墻體密度，kg/m3；n為墻體溫升系數(shù)；tF為車間溫度，℃；τ為時(shí)間，s；Qs為送風(fēng)顯熱量，kW；Qh2為二次回風(fēng)顯熱量，kW；QJQ為紡紗機(jī)散熱量，kW；Qw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量，kW；Qp為排風(fēng)顯熱量，kW；Qdh為地排回風(fēng)顯熱量，kW；Qgh為工藝回風(fēng)顯熱量，kW；Qd為地排風(fēng)顯熱量，kW；Qg工藝排風(fēng)顯熱量，kW；Lh2為二次回風(fēng)量，m3/s；Ld為地排風(fēng)量，m3/s；Lg為工藝排風(fēng)量，m3/s；Ldh為地排回風(fēng)量，m3/s；Lgh為工藝回風(fēng)量，m3/s;th2為二次回風(fēng)溫度，℃；td為地排風(fēng)溫度，可視為比房間溫度高1 ℃；tg為工藝排風(fēng)溫度，可視為比房間溫度高5 ℃。

空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為保證紡紗車間風(fēng)量平衡，車間送風(fēng)量約等于排風(fēng)量，新風(fēng)閥開度和地排、工藝排閥開度相同；地排回風(fēng)量和工藝回風(fēng)量由車間風(fēng)量平衡關(guān)系及維持車間正壓所需風(fēng)量來(lái)確定；地排風(fēng)和工藝排風(fēng)占總排風(fēng)比分別為0.7和0.3。根據(jù)風(fēng)量平衡時(shí)送、排風(fēng)之間關(guān)系，將式(7)、(8)合并改寫為

ρCLh2th2+QJQ-Qw-ρC(Ldhtd+Lghtg+Ldtd+Lgtg)

(9)

1.3.2 紡紗車間濕量平衡模型

紡紗車間濕量來(lái)源為進(jìn)入噴水室的新風(fēng)與一次回風(fēng)經(jīng)過(guò)空氣處理后所攜帶的濕量、二次回風(fēng)帶入車間的濕量及棉花散入車間的濕量，排出的濕量為地排風(fēng)與工藝排風(fēng)帶出車間的濕量。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，紡紗車間空氣單位時(shí)間含濕量的變化率等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入車間的濕量減去排出車間的濕量，從而得到紡紗車間濕量平衡方程：

(ρLdhMdh+ρLghMgh+ρLdMd+ρLgMg)

(10)

式中：M為車間含濕量，g/kg；Mhc為棉紗回潮，g；Mdh、Mgh、Md、Mg分別為地排回風(fēng)、工藝回風(fēng)、地排風(fēng)、工藝排風(fēng)含濕量，g/kg。

2 新風(fēng)控制策略及PID控制算法

2.1 控制策略

基于變風(fēng)量、變露點(diǎn)策略實(shí)現(xiàn)紡紗車間溫度的新風(fēng)窗自動(dòng)控制，根據(jù)設(shè)備能耗的大小，遵循“增小減大”的節(jié)能原則調(diào)控動(dòng)力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車間濕度控制。根據(jù)車間實(shí)測(cè)溫濕度計(jì)算虛擬露點(diǎn)焓值并與噴水室機(jī)器露點(diǎn)焓值進(jìn)行比較，基于焓差通過(guò)PID控制新風(fēng)窗開度實(shí)現(xiàn)車間溫度的調(diào)節(jié)，溫度控制策略如圖2示。根據(jù)車間實(shí)時(shí)反饋濕度與設(shè)定濕度的偏差調(diào)節(jié)二次回風(fēng)閥、水泵頻率和風(fēng)機(jī)頻率控制濕度，濕度控制策略如圖3示。溫濕度控制采用2個(gè)獨(dú)立的控制回路，濕度通過(guò)PID序列控制實(shí)現(xiàn)。焓值計(jì)算式見式(6)，虛擬露點(diǎn)溫度計(jì)算公式如下：

ts=td+(tF-txd)/2+dt

(11)

式中：ts為虛擬露點(diǎn)溫度，℃；td為設(shè)定溫濕度的露點(diǎn)溫度，℃；txd為實(shí)測(cè)溫濕度的露點(diǎn)溫度，℃；dt為迭代溫度，由實(shí)測(cè)與設(shè)定溫度偏差確定，℃。

圖2 溫度控制策略Fig.2 Control strategy of temperature

圖3 濕度控制策略Fig.3 Control strategy of humidity

2.2 PID控制算法

針對(duì)紡紗車間溫濕度控制系統(tǒng)具有非線性、溫濕度耦合、時(shí)變性等特點(diǎn)，采用閉環(huán)PID控制。PID控制算法公式如下：

(12)

式中：kp為比例系數(shù);ki為積分系數(shù);kd為微分系數(shù)；u(t)為程序t時(shí)刻輸出量;e(t)為t時(shí)刻設(shè)定值與實(shí)測(cè)值的偏差。

PID控制算法每次輸出需儲(chǔ)存各采樣周期的偏差，導(dǎo)致內(nèi)存過(guò)大難以實(shí)時(shí)控制;采用離散化方式獲得相鄰采樣周期的實(shí)時(shí)輸出增量降低了計(jì)算量,可以得到穩(wěn)定的控制效果[21-22]。而工業(yè)過(guò)程控制中多以PI控制回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，故本文采用增量式數(shù)字PI數(shù)學(xué)模型[23]：

u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)

(13)

式中：u(k)為程序k時(shí)刻輸出量;u(k-1)為程序k-1時(shí)刻輸出量;e(k)為程序k時(shí)刻偏差;e(k-1)為程序k-1時(shí)刻偏差。

3 紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)

紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)仿真程序采用單繼承與界面獨(dú)立封裝的方法，基于Python采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的編程，利用PyQt5開發(fā)圖形化用戶界面(GUI)，通過(guò)輔助設(shè)計(jì)工具Qt設(shè)計(jì)師完成界面設(shè)計(jì)，選擇PyCharm作為集成開發(fā)環(huán)境，最后調(diào)用相關(guān)的類創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序[24]。借助Matplotlib數(shù)據(jù)繪圖包，使用Matplotlib面向?qū)ο罄L圖方法，在Python中調(diào)用及交互使用，實(shí)現(xiàn)在GUI應(yīng)用程序中嵌入數(shù)據(jù)可視化功能。該編程軟件具有良好的中文用戶界面，提供可視化運(yùn)行環(huán)境，可直接在界面設(shè)定車間工況和調(diào)節(jié)參數(shù)，直觀顯示紡紗車間溫濕度變化和調(diào)節(jié)過(guò)程。

結(jié)合某紡紗車間圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、紡紗工藝設(shè)計(jì)要求及空調(diào)設(shè)備參數(shù)，對(duì)紡紗空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)運(yùn)行初始條件為:車間初始溫度20 ℃，初始濕度50%；新風(fēng)溫度18 ℃，新風(fēng)濕度60%。紡紗車間模塊空調(diào)參數(shù)為:圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量200 kW，紡紗設(shè)備散熱量600 kW，棉紗回潮量50 g。二次回風(fēng)閥開度8%，新風(fēng)閥、地排風(fēng)閥、工藝排風(fēng)閥開度均為10%，水泵頻率為30 Hz，送風(fēng)機(jī)頻率為35 Hz。針對(duì)非制冷季節(jié)紡紗空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)仿真，噴水室空氣處理為等焓加濕過(guò)程。紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)設(shè)置參數(shù)Tab.1 Basic setting parameters

基于Python開發(fā)的紡紗空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)由仿真參數(shù)設(shè)置、仿真界面和仿真曲線3個(gè)部分組成，如圖4所示。仿真參數(shù)設(shè)置用于設(shè)置車間初始空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)及顯示調(diào)節(jié)過(guò)程參數(shù)；仿真界面可以設(shè)置車間設(shè)定的溫濕度、調(diào)控車間設(shè)備參數(shù)(如風(fēng)機(jī)和水泵頻率，風(fēng)窗開度)及動(dòng)態(tài)顯示車間溫濕度的變化值；仿真曲線可以實(shí)時(shí)顯示車間溫度及含濕量變化曲線。

仿真參數(shù)設(shè)置由基本設(shè)置模塊、紡紗車間模塊、噴水室熱工模塊、控制策略模塊和PID控制算法模塊共5個(gè)模塊組成，如圖5所示。基本設(shè)置模塊設(shè)定車間的基礎(chǔ)參數(shù)、室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)及工藝設(shè)備額定參數(shù)；紡紗車間模塊可以設(shè)置車間熱濕負(fù)荷及風(fēng)量；噴水室熱工模塊設(shè)置噴水室迎風(fēng)面積，顯示熱濕過(guò)程參數(shù)等；控制策略模塊實(shí)時(shí)顯示露點(diǎn)溫度、焓值控制和濕度控制各參數(shù)的變化；PID控制算法模塊設(shè)定溫濕度調(diào)節(jié)閾值、迭代時(shí)間、迭代步長(zhǎng)和kp、ki參數(shù)。

圖4 仿真平臺(tái)主界面Fig.4 Main interface of simulation platform

圖5 仿真參數(shù)設(shè)置Fig.5 Simulation parameter setting.(a) Basic setting module；(b) Spinning workshop module；(c) Spray chamber thermal module；(d) Control strategy module； (e) PID control module

4 仿真結(jié)果

由建立的紡紗空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備參數(shù)或改變車間設(shè)定參數(shù)分析車間溫濕度變化趨勢(shì)及規(guī)律。當(dāng)車間實(shí)時(shí)溫濕度偏離車間設(shè)定參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備各控制參數(shù)達(dá)到設(shè)定溫濕度，也可通過(guò)PID算法自動(dòng)控制空調(diào)設(shè)備參數(shù)將車間溫濕度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

4.1 新風(fēng)閥開度的影響

紡紗車間室外新風(fēng)的引入可以減小空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗，在非制冷季(如春秋季)可以充分利用新風(fēng)的冷卻和除濕能力來(lái)降低空調(diào)系統(tǒng)的制冷需求,因此，合理地引入新風(fēng)有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。增大新風(fēng)閥開度，最大程度地合理利用新風(fēng)，以引入新風(fēng)的冷量來(lái)減小送風(fēng)機(jī)及水泵的能耗，利用新風(fēng)閥開度的合理變化實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能。當(dāng)車間室外新風(fēng)溫度為18 ℃，相對(duì)濕度為60%時(shí)，新風(fēng)閥開度變化對(duì)噴水室機(jī)器露點(diǎn)溫度和送風(fēng)含濕量的影響如圖6所示。由圖可知，噴水室機(jī)器露點(diǎn)溫度、送風(fēng)含濕量隨新風(fēng)閥開度的增大而減小，這是由于新風(fēng)的溫度較低，新風(fēng)與一次回風(fēng)混合后的溫度隨新風(fēng)量的增大而減?。恍嘛L(fēng)與一次回風(fēng)混合后的總焓值降低，空氣處理為等焓加濕過(guò)程，最終導(dǎo)致送風(fēng)含濕量逐漸減小。因此，合理利用新風(fēng)的冷量可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但新風(fēng)閥的開度控制要與機(jī)器露點(diǎn)、車間溫濕度相關(guān)聯(lián)，否則易導(dǎo)致車間溫濕度的波動(dòng)及超調(diào)。

圖6 新風(fēng)對(duì)機(jī)器露點(diǎn)溫度和送風(fēng)含濕量的影響Fig.6 Influence of fresh air on machine dew-point temperature and moisture content

4.2 二次回風(fēng)閥開度的影響

在送風(fēng)量已達(dá)到車間氣流組織所要求的最小量時(shí)，若車間的溫度仍然偏低，相對(duì)濕度偏大，此時(shí)可采用增加二次回風(fēng)量的方法提高空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，以保持車間相對(duì)濕度穩(wěn)定，二次回風(fēng)閥開度變化對(duì)車間溫濕度的影響如圖7所示。仿真系統(tǒng)的二次回風(fēng)閥開度分別為10%、40%、70%，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫度分別為26.3、28.5、31.8 ℃，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間分別約為2 100、3 100、4 700 s,如圖7(a)所示；對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)含濕量分別為13.3、13.7、14.2 g/kg，系統(tǒng)含濕量達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間分別約為1 500、2 300、2 400 s，如圖7(b)所示?？梢?，二次回風(fēng)量越大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度越高、穩(wěn)態(tài)含濕量越大，而相對(duì)濕度逐漸減小，當(dāng)二次回風(fēng)閥開度分別為10%、40%、70%時(shí)，仿真程序基于含濕量經(jīng)驗(yàn)公式，利用溫度、含濕量計(jì)算出相應(yīng)的相對(duì)濕度并在界面實(shí)時(shí)顯示，穩(wěn)態(tài)時(shí)相對(duì)濕度分別為59.7%、53.8%、46.0%。當(dāng)車間濕度很大而溫度很低時(shí)，可提高二次回風(fēng)量使空氣達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖7 二次回風(fēng)閥開度對(duì)車間溫濕度的影響Fig.7 Influence of second return air valve opening on temperature and humidity.(a) Change of temperature；(b) Change of moisture content

4.3 送風(fēng)機(jī)頻率的影響

紡紗車間的軸流送風(fēng)機(jī)頻率一般在20～50 Hz范圍內(nèi)變化，提高送風(fēng)機(jī)頻率加大了噴水室處理的風(fēng)量，當(dāng)車間紡紗設(shè)備負(fù)荷增大導(dǎo)致車間溫度升高、濕度減小時(shí)，或在初夏季節(jié)冷水未開啟，若無(wú)其他的調(diào)控手段降溫，則需要增大送風(fēng)機(jī)頻率。若空調(diào)系統(tǒng)其他設(shè)備參數(shù)不變而增大送風(fēng)機(jī)頻率，則送風(fēng)量增大，回風(fēng)機(jī)頻率也相應(yīng)同步變化。送風(fēng)機(jī)頻率變化對(duì)溫濕度的影響如圖8所示?？芍?送風(fēng)機(jī)頻率分別為25、35、45 Hz時(shí)，車間達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫度分別為28.2、26.2、25.0 ℃，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間分別約為4 100、2 300、1 800 s，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)含濕量分別為13.6、13.3、13.0 g/kg，車間含濕量達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間分別約為1 800、1 600、1 000 s。送風(fēng)機(jī)頻率越高，相對(duì)濕度越大。當(dāng)送風(fēng)機(jī)頻率分別為25、35、45 Hz時(shí)，仿真程序基于含濕量經(jīng)驗(yàn)公式，利用溫度、含濕量計(jì)算出相應(yīng)的相對(duì)濕度并在界面實(shí)時(shí)顯示，穩(wěn)態(tài)時(shí)車間相對(duì)濕度分別為54.6%、60.0%、63.6%。送風(fēng)機(jī)頻率越高，送風(fēng)量越大，送風(fēng)在車間內(nèi)擴(kuò)散速度越快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短。

圖8 送風(fēng)機(jī)頻率對(duì)車間溫濕度的影響Fig.8 Influence of fan frequency on temperature and humidity.(a) Change of temperature；(b) Change of moisture content

4.4 車間設(shè)定參數(shù)的影響

紡紗車間不同的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品對(duì)車間溫濕度均有特定的要求，因此，紡紗車間溫濕度的改變要求紡紗空調(diào)系統(tǒng)能迅速地回應(yīng)及調(diào)整。當(dāng)車間的溫濕度偏離設(shè)定值時(shí)，仿真程序通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)定溫濕度的相應(yīng)調(diào)整。某一時(shí)刻新風(fēng)溫度為18 ℃、相對(duì)濕度為60%，車間溫度為28 ℃、相對(duì)濕度為55%，需要調(diào)整到溫度為26 ℃、相對(duì)濕度為65%。將二次回風(fēng)閥開度從8%調(diào)整為18%，新風(fēng)閥、地排風(fēng)閥、工藝排風(fēng)閥開度均從10%調(diào)整為62%，水泵頻率從30 Hz調(diào)整到32 Hz，送風(fēng)機(jī)頻率為35 Hz不變，達(dá)到車間新設(shè)定的溫濕度時(shí)車間溫度及含濕量變化曲線如圖9所示?？芍?經(jīng)過(guò)2 400 s后車間溫度由28 ℃調(diào)整為26.3 ℃，車間含濕量調(diào)整為14.6 g/kg，相對(duì)濕度為65.2%。通過(guò)新風(fēng)閥、二次回風(fēng)閥及水泵頻率的相應(yīng)變化完成了車間設(shè)定參數(shù)改變后車間溫濕度的調(diào)整，低溫新風(fēng)的引入減少了水泵的能耗，但新風(fēng)含濕量小，所以仍提高了2 Hz水泵頻率以增加空氣的含濕量。

圖9 車間設(shè)定參數(shù)調(diào)整時(shí)溫濕度的變化Fig.9 Changes of temperature and humidity with parameters of workshop

4.5 PID自動(dòng)控制

紡紗車間初始參數(shù)不變，初始時(shí)刻的新風(fēng)閥、地排風(fēng)閥、工藝排風(fēng)閥開度均為20%，二次回風(fēng)閥開度為10%，水泵頻率為30 Hz，送風(fēng)機(jī)頻率為33 Hz。根據(jù)制訂的控制策略結(jié)合增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)車間溫濕度的自動(dòng)控制，結(jié)果如圖10所示。

圖10 溫濕度的PID自動(dòng)控制Fig.10 PID automatic control of temperature and humidity

PID參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)試湊法整定，同時(shí)設(shè)置溫濕度閾值，即死區(qū)范圍，可以有效避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作次數(shù)。新風(fēng)閥、地排風(fēng)閥和工藝排風(fēng)閥開度均從20%自動(dòng)調(diào)整為9.7%，二次回風(fēng)閥開度從10%自動(dòng)調(diào)整為6.9%，水泵頻率保持30 Hz不變，送風(fēng)機(jī)頻率從33 Hz自動(dòng)調(diào)整為33.5 Hz。由圖10可知，經(jīng)過(guò)約2 600 s后車間溫度達(dá)到26.4 ℃，約2 000 s后車間濕度達(dá)到59.5%。

5 結(jié) 論

1)基于熱量平衡、風(fēng)量平衡及濕量平衡分別建立了噴水室、紡紗車間空調(diào)模型，利用Python面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)出紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)。

2)基于開發(fā)的紡紗車間空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，以某紡紗廠結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝設(shè)備參數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)置參數(shù)及邊界條件，調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備各控制參數(shù)，分析了噴水室機(jī)器露點(diǎn)、車間溫濕度的變化趨勢(shì)及規(guī)律，新風(fēng)量的變化改變了噴水室機(jī)器露點(diǎn)溫度從而對(duì)車間溫濕度產(chǎn)生影響。二次回風(fēng)提高了車間溫度，提高風(fēng)機(jī)頻率減小了車間溫度、提高了車間相對(duì)濕度。對(duì)于車間設(shè)定參數(shù)的改變，通過(guò)仿真平臺(tái)調(diào)整空調(diào)設(shè)備控制參數(shù)，空調(diào)系統(tǒng)能快速將車間溫濕度調(diào)整到新設(shè)定值。

3)基于焓值控制、濕度序列控制制訂車間溫濕度控制策略，結(jié)合增量式PID控制算法自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備各控制參數(shù)維持車間溫濕度在設(shè)定閾值附近。

4)開發(fā)的紡紗空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)提供了紡紗車間虛擬運(yùn)行環(huán)境，可為空調(diào)系統(tǒng)控制策略提供實(shí)施平臺(tái)，為控制策略合理、正確的制訂提供了技術(shù)支撐。