结合季节条件的PLC空调自控系统在纺织企业的应用

李 斌,颜苏芊,张军鹏

(1.陕西省现代建筑设计研究院,陕西 西安710048；2.西安工程大学,陕西 西安710048；3.甘肃省建筑设计研究院有限公司,甘肃 兰州730030)

纺织空调作为一种工艺空调,首要任务是满足纺织工艺生产需要。纺织车间设备、机器发热量大,粉尘浓度高,为了消除车间余热,保证空气洁净度,纺织企业空调系统一般规模大,能耗高[1]。通常纺织企业空调系统用电占企业总用电量的25%以上[2],是除工艺耗电外的主要用电部分。因此,使用自控系统实现纺织空调精细化及自动化控制对企业节能降耗十分重要。

以盐城某纺织厂细纱车间空调系统为例,通过分析盐城地区全年气象参数,得到盐城全年空调气象调节区,研究了不同季节模式空调对空气处理的处理过程；研究了PLC自控系统的功能及采用步进算法实现对各设备的精细控制；分析了增设结合季节条件的PLC自控系统后系统运行的稳定性、节能效果及经济效益。

1 盐城空调气象调节区

盐城地区季风气候明显,随着季风的进退,空气相对湿度变化有很明显的季节性,夏季室外空气温度高且湿度大,冬季室外空气温度较低,过渡季和冬季室外空气参数早晚变化很大[3-4]。根据盐城射阳气象站近三年以每3小时为间隔记录的气象参数,在焓湿图上标记出对应点；用圆滑曲线将焓值极值点连接起来得到盐城地区气象包络线；气象包络线为盐城地区空调气象调节区。

图1 盐城空调气象调节区

由图1可知,盐城全年气象参数焓值在h-d图上呈现明显的季节性聚集,特别是夏季和过渡季界限明显,过渡季和夏季大体以h=70.4 kJ/kg等焓线为界,冬季和过渡季大体以h=25.8 kJ/kg为界。盐城某纺织厂细纱车间温度、湿度控制调节范围如表1所示:

表1 车间内温度、湿度控制参数

结合季节条件的PLC 自控系统,根据新风温度、湿度与车间温度、湿度控制参数进行比较,当新风焓值h w≥70.4 kJ/kg时自控系统运行夏季模式；当h w＜25.8 kJ/kg时自控系统运行冬季模式；除此之外,自控系统运行过渡季模式。

2 不同季节空调系统调节方案

空调采用多工况分区PLC 控制,可以充分利用室内外空气能,避免冷热抵消,达到节能的目的[5]。

2.1 夏季调节方案

采用夏季模式时,如图2所示:图中1-2-3-4为车间夏季温湿度区间,h4为最高点4 所在的等焓线,取空调区域最高点4和最低点1处等含湿量线与相对湿度95%相交于L x4和L x1点,减去挡水板过水量为0.5 g/kg,得机械露点L x4'和L x1',h x4'和h x1'分别为机械露点L x4'和L x1'所在的等焓线。

图2 夏季调节原理

当h w≥h4时,新风和回风按照1∶9混合,由喷淋室喷冷水对空气进行除湿降温处理；当h x4'≤h w＜h4时,使用全新风由喷淋室喷冷水进行除湿降温处理；当h x1'≤h w＜h x4'时,使用100%新风喷淋循环水对空气进行等焓加湿处理。当车间外新风温度T x1'≤T≤T x4',且相对湿度φ≥95%时,水泵关闭,车间外空气直接由风机送入车间内。

2.2 过渡季调节方案

过渡季空调温湿度控制区间为1-2-3-4,如图3所示,取空调区域最高点4和最低点1处等含湿量线与相对湿度95%相交于L g4和L g1点,减过水量为0.5 g/kg,得机械露点L g4'和L g1',h g4'和h g1'分别为机械露点L g4'和L g1'所在的等焓线。

当h g1'≤h w≤h g4'时,新风窗全开由喷淋室循环水等焓加湿处理；当h w＜h g1'时,新回风窗开度由步进算法计算调节,当车间外空气温度由高到低变化时,新风由100%逐渐变到10%。

2.3 冬季调节方案

冬季模式运行时,冬季模式车间空调区域1-2-3-4,取空调区域最低点1 处等含湿量线与相对湿度90%相交于L1点,h1为最低点机器露点L1所在的等焓线。

图3 过渡季调节原理

图4 冬季调节原理

新风和回风按照1∶9混合,喷淋室喷循环水等焓加湿处理。对盐城近三年冬季气象参数进行分析发现,盐城地区冬季无需对空气预热。

3 空调自控系统配置及功能

盐城某纺织厂细纱车间空调系统温湿度测点分布位置为:新风、混风、工艺回风、机器露点和车间；在喷淋室回水池设置水温探头；在送风机、工艺回风机、地排风机、循环水泵和冷冻水泵上加装变频器；在新风窗、工艺回风窗和地排风窗加装风阀执行器。

自控系统实时采集所有温度、湿度传感器测量数据,每5 min在控制器PLC 内根据自控算法计算出设置值与测量值的差值,再根据差值PLC 进行计算后,发出指令到执行器来调节空调系统各设备的运行状态及大小。自控系统人机主界面上侧按钮包括系统运行模式(过渡季、夏季、冬季),当自控系统运行哪个模式时,对应按钮会不停闪烁。界面最下侧按钮从左到右分别为:设备状态、数据一览、报警信息、信息趋势、风窗控制、电机控制、温湿度设定和修正系数设定,点击主界面上的各子界面按钮即可进入各子界面。

从设备状态模块查看空调系统各设备的运行状态,有运行、停止两种,控制模式有手动、自动；数据一览模块可以查看各设备的实时数据,同时该模块可以通过输出值与返回值之差判断自控系统各设备是否正常运行；信息趋势模块将空调系统各设备生成运行状态曲线并且保留,可以判断设备运行是否正常,车间温、湿度是否稳定；温湿度设定可以根据车间纺纱种类调整目标温度和相对湿度。

4 自控系统主要设备算法

分季节PLC自控系统采用步进算法对各设备进行控制。步进算法根据传感器测量值与设置值之差进行划步,调节各设备运行状态,使车间温度值、湿度值逐步接近控制目标,这种算法能够有效避免设备变频器频率和执行器开度来回跳动。该系统各个风机根据温度偏差值进行控制；循环水泵根据相对湿度偏差值来控制；新风窗和地排风窗开度根据新风焓值和车间焓值的偏差值来控制,工艺风窗开度根据湿度偏差来控制[6-7]。各设备具体的算法如下:

4.1 风机、水泵频率计算

式中:f(t-1)—上一时刻设备运行频率,Hz；k i—修正系数(取值范围0～1,初始值为0.5)；fmax、fmin—设备频率上、下限,Hz；Smax、Smin—车间目标温、湿度上下限；Psp、Ppv—车间目标、实测温湿度。

4.2 风窗开度计算

4.2.1 新风窗开度调节算法

式中:k i—修正系数；h n、h mb、h w—车间实测、目标机器露点、新风温湿度计算的焓值,kJ/kg。

4.2.2 地排风窗开度调节算法

4.2.3 工艺风窗开度调节算法

式中:O(t-1)—上一时刻工艺风窗开度。

5 空调自控系统的稳定性及经济效益分析

对自控系统安装一年内新风及车间日平均温湿度进行测试,车间温湿度波动情况见图5。

图5 车间内外温、湿度变化曲线

当温湿度传感器需清理时,车间温湿度偶有跳跃。其它时间车间温湿度在规定范围内有小范围波动。对全年运行间隔2小时数据进行分析,如图6和图7所示可以看出,车间温度误差在±0.7 ℃以内,相对湿度误差在±3%以内,车间温湿度基本稳定。

图6 温度差累积曲线图

图7 湿度差累积曲线图

安装自控系统前后,空调各月耗电量见表2。

未安装自控系统时,空调系统年耗电量为552 300 k W·h,安装自控系统后年耗电469 660 k W·h,年节电量为82 640 k W·h。按照盐城某纺织厂电价0.6元/k W·h来计算,安装自控系统后,该空调室每年可节约电费49 584元,节能及经济效益明显。

表2 安装自控系统前后空调耗电量对比

6 结论

(1)根据盐城地区气候特点,将空调自控系统分为夏季、过渡季和冬季3个调节区,各区域采用不同的控制模式,系统温湿度波动小,车间温湿度相对稳定。

(2)细纱车间空调系统自控结合盐城地区季节条件并采用步进算法调节设备运行状态,能够对车间温湿度进行精细控制。

(3)盐城某纺织厂采用结合季节条件的PLC 自控系统后,系统稳定性提高的同时,耗电量较手动调节明显降低,年节电82 640k W·h,若按照该厂工业用电电价0.6元/k W·h计算,安装自控系统后每年可节电49 584元。