基于細(xì)紗車間全年逐時負(fù)荷計算的紡織廠空調(diào)自控調(diào)節(jié)

屈鑫凱 顏蘇芊 李斌 程源

摘 要：探討基于全年逐時負(fù)荷計算下紡織空調(diào)PLC自控系統(tǒng)的節(jié)能效果。夏季、過渡季節(jié)車間逐時負(fù)荷由室外空氣空調(diào)計算逐時綜合溫度，冬季逐時負(fù)荷根據(jù)室外溫度計算。在全年逐時負(fù)荷基礎(chǔ)上計算出車間全年逐時送風(fēng)量，對風(fēng)機運行頻率進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，利用PLC步進(jìn)算法對循環(huán)水泵變頻調(diào)節(jié)，并結(jié)合新風(fēng)窗比例控制算法合理利用室外新風(fēng)。系統(tǒng)在徐州某紡織車間運行穩(wěn)定，車間溫度誤差控制在±0.7℃，相對濕度誤差控制在3%以內(nèi)，平均節(jié)電率在6.36%。該系統(tǒng)對紡織車間溫濕度控制精度較高，節(jié)能效果顯著，實際應(yīng)用價值較大。

關(guān)鍵詞：全年逐時負(fù)荷;PLC自控;變頻調(diào)節(jié);比例控制算法;節(jié)電率

Abstract：This article discusses the energy-saving effect of the textile air-conditioning PLC automatic control system based on the hourly load calculation throughout the year. The hourly load of the workshop in summer and transition seasons was calculated by the outdoor air conditioner and the hourly integrated temperature was calculated. The hourly load in winter was calculated according to the outdoor temperature. Based on the hourly load of the whole year， the hourly air output of the workshop throughout the year was calculated for variable frequency regulation of the fan operation frequency. The PLC stepping algorithm was used to adjust the frequency of the circulating water pump， and the proportional control algorithm of new wind window was combined to rationally utilize the outdoor fresh air. The system was running stably in a textile workshop in Xuzhou. The temperature error of the workshop was controlled within ±0.7 ℃. The relative humidity error was controlled within 3%， and the average power saving rate was 6.36%. Therefore， it is believed that the system has high precision in temperature and humidity control in the textile workshop， significant energy saving effect， and great practical application value.

Key words：hourly load throughout the year; PLC self-control; frequency conversion regulation; proportional control algorithm; power saving rate

紡織廠車間由于生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量多、裝機功率大、發(fā)熱量高，導(dǎo)致了紡織廠空調(diào)設(shè)備能耗較大，造成空調(diào)設(shè)備的運行費用增加[1]。紡織空調(diào)能耗占紡織廠總能耗的30%左右，因此對紡織空調(diào)自控系統(tǒng)運行的策略優(yōu)化是紡織廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵[2]。目前國內(nèi)外紡織廠空調(diào)系統(tǒng)存在的問題：首先是對車間負(fù)荷進(jìn)行估算，缺乏全年詳細(xì)的逐時負(fù)荷和風(fēng)量計算，導(dǎo)致設(shè)備運行時與車間的負(fù)荷不夠匹配;其次空調(diào)自控系統(tǒng)在運行的過程中，對風(fēng)機、水泵的調(diào)節(jié)策略靈活性不夠，不僅造成車間的溫濕度控制不夠穩(wěn)定，還增加了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

本文通過對徐州某紡織廠細(xì)紗車間夏季和過渡季節(jié)室外空氣空調(diào)計算逐時綜合溫度與全年逐時負(fù)荷和風(fēng)量的詳細(xì)計算，完成設(shè)備的選型，并對風(fēng)機、水泵在運行過程中的變頻調(diào)節(jié)進(jìn)行研究，優(yōu)化紡織空調(diào)自控系統(tǒng)的策略，降低紡織廠空調(diào)系統(tǒng)的能耗，最大限度節(jié)約空調(diào)用電量。

1 細(xì)紗車間全年逐時負(fù)荷計算

細(xì)紗車間空調(diào)負(fù)荷主要由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、人員負(fù)荷、照明負(fù)荷和機器負(fù)荷四部分組成，其中機器負(fù)荷占比最大，全年車間逐時負(fù)荷的變化主要由室外溫度不同時刻的變化所引起。

1.1 車間空調(diào)設(shè)計參數(shù)及車間設(shè)備

根據(jù)紡織生產(chǎn)工藝對于細(xì)紗車間不同季節(jié)車間空調(diào)設(shè)計要求參數(shù)如表1。

細(xì)紗車間空調(diào)區(qū)域面積為3 825.9 m2，有78臺細(xì)紗機，每臺細(xì)紗機額定功率為16.5 kW，總錠數(shù)為50 000錠。細(xì)紗車間的空調(diào)區(qū)域分別由三套空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且3個空調(diào)室送風(fēng)主風(fēng)道連通。

1.2 夏季、過渡季室外空氣空調(diào)計算逐時綜合溫度

夏季、過渡季節(jié)，外墻、屋頂逐時冷負(fù)荷采用室外空調(diào)計算逐時綜合溫度，冬季逐時負(fù)荷利用室外溫度計算。室外空氣空調(diào)計算逐時綜合溫度twz是根據(jù)2018年徐州地區(qū)室外逐時溫度和一天不同時刻、不同朝向的外墻、屋頂太陽輻射照度進(jìn)行計算，具體計算如式（1）：

以8月1日為例，由式（1）得外墻、屋頂空調(diào)計算逐時綜合溫度結(jié)果見表2。

8月1日逐時綜合溫度變化情況如下圖1所示，一天中由于太陽輻射照度的變化，外墻、屋頂綜合溫度最高時刻為中午12時，在夜間0時左右其綜合溫度最低。

根據(jù)式（1）計算出最熱月8月份整月的外墻、屋頂逐時綜合溫度如圖2所示。由圖2可以看出，8月車間外墻、屋頂綜合溫度的波動幅度較大，但整體變化規(guī)律基本相同，受室外溫度和太陽輻射照度的影響，每天最高空氣綜合溫度外墻、屋頂都在中午12時左右，最低溫度在夜間21時至0時，但外墻逐時空氣綜合溫度均低于屋頂逐時空氣綜合溫度。

1.3 全年逐時負(fù)荷計算

細(xì)紗車間全年逐時負(fù)荷主要由外墻、屋頂逐時冷負(fù)荷的變化引起，因此在室外空氣空調(diào)計算逐時綜合溫度的基礎(chǔ)上，對車間夏季和過渡季節(jié)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷采用太陽輻射的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量，冬季根據(jù)室外溫度采用穩(wěn)態(tài)法計算負(fù)荷。

以8月1日為例，由式（2）對細(xì)紗車間逐時冷負(fù)荷計算結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，車間逐時冷負(fù)荷的變化主要由外墻、屋頂負(fù)荷變化引起。一天中，外墻、屋頂冷負(fù)荷最大值在中午12時，占總負(fù)荷的8.8%，此時機器負(fù)荷占總負(fù)荷的88.5%，車間由外向內(nèi)傳熱，車間總負(fù)荷為一天中最大。外墻、屋頂形成的冷負(fù)荷在夜間21時至0時最小，此時形成的冷負(fù)荷為負(fù)值，表明此時室外溫度低于車間溫度，車間由內(nèi)向外散熱，車間總負(fù)荷此時也為一天中最低。

圖3為最熱月8月份細(xì)紗車間冷負(fù)荷變化情況，8月份車間冷負(fù)荷最高時由外墻、屋頂形成的冷負(fù)荷約占總負(fù)荷的8.8%，機器負(fù)荷占比88.5%;整月中車間總負(fù)荷最低時在夜間并接近于機器負(fù)荷，車間向外散熱最大，此時可適當(dāng)利用室外新風(fēng)冷量來消除車間負(fù)荷。

全年車間逐時負(fù)荷變化情況如圖4所示，由于機器負(fù)荷較大，車間全年都存在冷負(fù)荷，但室外溫度的變化導(dǎo)致車間總負(fù)荷波動較大。夏季由于室外溫度較高，由外墻、屋頂形成的冷負(fù)荷也為全年最大，因此夏季夜間部分時間可以利用室外新風(fēng)冷量降低車間負(fù)荷;由圖4看出冬季和過渡季節(jié)部分時間車間總負(fù)荷低于機器負(fù)荷，表明此時車間通過外墻、屋頂向外散熱量較大，可以考慮利用全部或部分新風(fēng)冷量來消除車間負(fù)荷。

2 細(xì)紗全年風(fēng)量、空調(diào)阻力計算和設(shè)備選型

車間全年逐時風(fēng)量是在全年逐時冷負(fù)荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算，再計算出空調(diào)系統(tǒng)各段的送風(fēng)阻力。根據(jù)車間送風(fēng)量和阻力計算的結(jié)果，選出與車間負(fù)荷相匹配的空調(diào)設(shè)備。

2.1 車間送風(fēng)量和阻力計算

圖5以8月1日為例細(xì)紗車間送風(fēng)量，由圖5可以看出一天中由于車間逐時冷負(fù)荷的變化導(dǎo)致車間所需風(fēng)量最大時為中午12時，最小值在夜間21時至0時之間。

圖6為最熱月8月份細(xì)紗車間送風(fēng)量的變化情況，車間逐時送風(fēng)量變化是由于外墻、屋頂形成的冷負(fù)荷變化所引起，故整月送風(fēng)量變化規(guī)律與車間逐時冷負(fù)荷變化規(guī)律基本相同。

2.2 空調(diào)設(shè)備的選型

根據(jù)車間風(fēng)量和空調(diào)阻力的計算，在考慮15%設(shè)備富裕系數(shù)的情況下，選出與車間負(fù)荷相匹配的空調(diào)設(shè)備。徐州紡織廠共3個空調(diào)室，空調(diào)室1的空調(diào)區(qū)域為細(xì)紗車間26臺細(xì)紗機和絡(luò)筒車間;細(xì)紗空調(diào)室2所負(fù)責(zé)的空調(diào)區(qū)域為細(xì)紗車間的26臺細(xì)紗機;空調(diào)室3的空調(diào)區(qū)域為細(xì)紗車間26臺細(xì)紗機和開清棉車間。

通過車間空調(diào)系統(tǒng)平面圖對空調(diào)阻力計算，細(xì)紗空調(diào)室2各段阻力計算結(jié)果如表4。

由車間全年風(fēng)量計算結(jié)果得到全年所需的最大送風(fēng)量和空調(diào)系統(tǒng)阻力計算結(jié)果，對細(xì)紗空調(diào)室2進(jìn)行設(shè)備選型，表5為細(xì)紗空調(diào)室2設(shè)備選型結(jié)果。

3 空調(diào)設(shè)備運行的理論變頻調(diào)節(jié)

紡織空調(diào)設(shè)備運行的變頻調(diào)節(jié)是紡織空調(diào)自控系統(tǒng)策略優(yōu)化的關(guān)鍵。通過對設(shè)備的變頻調(diào)節(jié)，既要滿足車間一年中不同季節(jié)下的車間溫濕度要求，保證車間空調(diào)區(qū)域的溫濕度穩(wěn)定，還要在最大程度上降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，節(jié)約紡織空調(diào)運行的成本。

3.1 風(fēng)機運行頻率調(diào)節(jié)

風(fēng)機的變頻調(diào)節(jié)是通過加裝變頻器改變輸入風(fēng)機電機的頻率及電機轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機送風(fēng)量。電機轉(zhuǎn)速與電機頻率的關(guān)系見式（4）：

由式（4）可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)差率基本不變時，轉(zhuǎn)速與電機頻率成正比，改變電機頻率即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)機的性能曲線，風(fēng)機的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，即n1/n2=Q1/Q2，通過改變輸入電機頻率改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對風(fēng)機風(fēng)量的調(diào)節(jié)。圖7是以8月1日為例通過風(fēng)量計算對細(xì)紗空調(diào)室2風(fēng)機頻率進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)的結(jié)果。

風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)具體過程為：根據(jù)室外的實時溫度得到車間的逐時冷負(fù)荷，再根據(jù)風(fēng)量計算式（3）得到車間實時所需風(fēng)量，再由式（4）得到此時風(fēng)機的運行頻率，通過PLC自控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)節(jié)指令，對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制風(fēng)機的風(fēng)量，滿足車間的風(fēng)量需求。

3.2 加濕系統(tǒng)計算、運行頻率調(diào)節(jié)

3.2.1 加濕系統(tǒng)加濕量計算

通過車間送風(fēng)量計算的結(jié)果，對加濕量進(jìn)行確定，加濕系統(tǒng)計算見式（5）：

3.2.2 水泵運行頻率調(diào)節(jié)

紡織廠空調(diào)系統(tǒng)為工藝性空調(diào)，對濕度要求嚴(yán)格，為保證車間的濕度穩(wěn)定，該車間通過PLC自控系統(tǒng)對車間的實時濕度進(jìn)行監(jiān)測，再根據(jù)循環(huán)水泵控制算法對變頻器進(jìn)行控制，及時地調(diào)節(jié)車間濕度，保證車間濕度的穩(wěn)定性。循環(huán)水泵PLC步進(jìn)算法如式（6）：

圖8為一天中不同時間段循環(huán)水泵頻率與車間濕度的變化。由圖8可以看出，當(dāng)車間濕度大于設(shè)定濕度54.0%時，下一時刻循環(huán)水泵的頻率減小，使車間濕度下降;反之，車間濕度低時，則下一時刻循環(huán)水泵頻率加大，以增大車間的濕度。

循環(huán)水泵的的運行調(diào)節(jié)過程為：通過車間溫濕度探頭監(jiān)測車間實時濕度，傳回PLC控制柜中，PLC根據(jù)式（5）計算出下一時刻循環(huán)水泵的運行頻率，發(fā)出調(diào)節(jié)指令至循環(huán)水泵變頻器，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速變大或者變小，改變噴淋室的噴水量，來調(diào)節(jié)送至車間空氣的濕度。

3.3 全年室外新風(fēng)利用

根據(jù)負(fù)荷計算結(jié)果可以看出車間全年逐時冷負(fù)荷受室外溫度影響較大，因此室外新風(fēng)的合理利用是車間空調(diào)自控系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。車間新風(fēng)窗開度的控制通過比例調(diào)節(jié)算法，計算如式（7）：

由車間送風(fēng)量計算式（3）可知，在車間負(fù)荷和溫、濕度不變的情況下，車間送風(fēng)機器露點焓值的降低可以使車間送風(fēng)量減少，以過渡季節(jié)車間要求的溫濕度范圍為例，車間目標(biāo)機器露點焓值hmb如圖9所示，k1點的焓值為hmin，k4點的焓值為hmax，取k1、k4兩點焓差的20%，再與k1點處的焓值hmin相加即可得到目標(biāo)機器露點焓值hmb。

新風(fēng)窗的控制調(diào)節(jié)過程為：比較車間實時溫度和車間設(shè)定溫度值的大小，若此時車間溫度高于設(shè)定的車間溫度，通過溫濕度探頭測出室外溫度，在PLC中計算出此時的室外空氣焓值，再根據(jù)式（7）計算出在此溫度下的新風(fēng)窗開度，通過PLC控制系統(tǒng)發(fā)出命令增加新風(fēng)窗的開度，在運行一段時間后若車間溫度還是偏高，再通過PLC自控系統(tǒng)增加送風(fēng)機的頻率來降低車間溫度;反之，若車間溫度低于設(shè)定溫度值，則先降低送風(fēng)機的頻率，再通過式（7）減小新風(fēng)窗的開度。

4 自控系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)硬件部分由某型號PLC可編程控制器、觸摸屏、空氣參數(shù)檢測裝置和空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行裝置四部分組成?？諝鈪?shù)檢測裝置檢測車間內(nèi)外溫濕度、噴淋水池溫度工藝回風(fēng)溫濕度等，將檢測的實時溫濕度參數(shù)傳回PLC根據(jù)算法進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果通過空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行裝置改變風(fēng)窗開度，調(diào)節(jié)風(fēng)機、水泵的頻率，穩(wěn)定車間溫濕度，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

5 自控系統(tǒng)改造及回報分析

自控系統(tǒng)的改造成本包括了溫濕度探頭、自控裝置、空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行裝置等設(shè)備的采購和安裝以及運輸費，總計約2.1萬元。此系統(tǒng)在徐州某紡織車間運行以來，系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，車間溫濕度調(diào)節(jié)及時，空調(diào)系統(tǒng)耗電量明顯減少。取自控系統(tǒng)運行前后同期車間用電量進(jìn)行對比如表6，與2018年3、4、5月份相比，2019年3、4、5月份空調(diào)用電量明顯下降，平均每月節(jié)電量2 983 kW·h，平均每月節(jié)電率6.36%，根據(jù)2019年全國平均工業(yè)用電價格每千瓦時1元計算，此改造項目的成本回收時間約7個月。隨著自控系統(tǒng)策略的進(jìn)一步優(yōu)化，節(jié)電效果也會更加明顯。

6 結(jié) 語

根據(jù)2018年徐州室外逐時溫度對細(xì)紗車間全年逐時負(fù)荷進(jìn)行了詳細(xì)計算，并對各部分負(fù)荷占比進(jìn)行分析。通過負(fù)荷計算的結(jié)果，計算出全年不同時刻下的車間風(fēng)量，對送風(fēng)機頻率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)車間溫度的變頻控制;將車間濕度與水泵頻率通過具體算法進(jìn)行聯(lián)系，對車間濕度進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。根據(jù)車間逐時負(fù)荷計算的結(jié)果，在保證車間溫濕度的前提下，對室外新風(fēng)進(jìn)行合理的利用，通過對新風(fēng)窗的變頻調(diào)節(jié)，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，提高紡織廠車間的經(jīng)濟效益。

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