基于细纱车间全年逐时负荷计算的纺织厂空调自控调节

屈鑫凯 颜苏芊 李斌 程源

摘 要：探讨基于全年逐时负荷计算下纺织空调PLC自控系统的节能效果。夏季、过渡季节车间逐时负荷由室外空气空调计算逐时综合温度，冬季逐时负荷根据室外温度计算。在全年逐时负荷基础上计算出车间全年逐时送风量，对风机运行频率进行变频调节，利用PLC步进算法对循环水泵变频调节，并结合新风窗比例控制算法合理利用室外新风。系统在徐州某纺织车间运行稳定，车间温度误差控制在±0.7℃，相对湿度误差控制在3%以内，平均节电率在6.36%。该系统对纺织车间温湿度控制精度较高，节能效果显著，实际应用价值较大。

关键词：全年逐时负荷;PLC自控;变频调节;比例控制算法;节电率

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

纺织厂车间由于生产设备数量多、装机功率大、发热量高，导致了纺织厂空调设备能耗较大，造成空调设备的运行费用增加[1]。纺织空调能耗占纺织厂总能耗的30%左右，因此对纺织空调自控系统运行的策略优化是纺织厂空调系统节能的关键[2]。目前国内外纺织厂空调系统存在的问题：首先是对车间负荷进行估算，缺乏全年详细的逐时负荷和风量计算，导致设备运行时与车间的负荷不够匹配;其次空调自控系统在运行的过程中，对风机、水泵的调节策略灵活性不够，不仅造成车间的温湿度控制不够稳定，还增加了空调系统的能耗。

本文通过对徐州某纺织厂细纱车间夏季和过渡季节室外空气空调计算逐时综合温度与全年逐时负荷和风量的详细计算，完成设备的选型，并对风机、水泵在运行过程中的变频调节进行研究，优化纺织空调自控系统的策略，降低纺织厂空调系统的能耗，最大限度节约空调用电量。

1 细纱车间全年逐时负荷计算

细纱车间空调负荷主要由外围护结构负荷、人员负荷、照明负荷和机器负荷四部分组成，其中机器负荷占比最大，全年车间逐时负荷的变化主要由室外温度不同时刻的变化所引起。

1.1 车间空调设计参数及车间设备

根据纺织生产工艺对于细纱车间不同季节车间空调设计要求參数如表1。

细纱车间空调区域面积为3 825.9 m2，有78台细纱机，每台细纱机额定功率为16.5 kW，总锭数为50 000锭。细纱车间的空调区域分别由三套空调系统进行调节，并且3个空调室送风主风道连通。

1.2 夏季、过渡季室外空气空调计算逐时综合温度

夏季、过渡季节，外墙、屋顶逐时冷负荷采用室外空调计算逐时综合温度，冬季逐时负荷利用室外温度计算。室外空气空调计算逐时综合温度twz是根据2018年徐州地区室外逐时温度和一天不同时刻、不同朝向的外墙、屋顶太阳辐射照度进行计算，具体计算如式（1）：

以8月1日为例，由式（1）得外墙、屋顶空调计算逐时综合温度结果见表2。

8月1日逐时综合温度变化情况如下图1所示，一天中由于太阳辐射照度的变化，外墙、屋顶综合温度最高时刻为中午12时，在夜间0时左右其综合温度最低。

根据式（1）計算出最热月8月份整月的外墙、屋顶逐时综合温度如图2所示。由图2可以看出，8月车间外墙、屋顶综合温度的波动幅度较大，但整体变化规律基本相同，受室外温度和太阳辐射照度的影响，每天最高空气综合温度外墙、屋顶都在中午12时左右，最低温度在夜间21时至0时，但外墙逐时空气综合温度均低于屋顶逐时空气综合温度。

1.3 全年逐时负荷计算

细纱车间全年逐时负荷主要由外墙、屋顶逐时冷负荷的变化引起，因此在室外空气空调计算逐时综合温度的基础上，对车间夏季和过渡季节的围护结构冷负荷采用太阳辐射的围护结构得热量，冬季根据室外温度采用稳态法计算负荷。

以8月1日为例，由式（2）对细纱车间逐时冷负荷计算结果如表3所示。

由表3可以看出，车间逐时冷负荷的变化主要由外墙、屋顶负荷变化引起。一天中，外墙、屋顶冷负荷最大值在中午12时，占总负荷的8.8%，此时机器负荷占总负荷的88.5%，车间由外向内传热，车间总负荷为一天中最大。外墙、屋顶形成的冷负荷在夜间21时至0时最小，此时形成的冷负荷为负值，表明此时室外温度低于车间温度，车间由内向外散热，车间总负荷此时也为一天中最低。

图3为最热月8月份细纱车间冷负荷变化情况，8月份车间冷负荷最高时由外墙、屋顶形成的冷负荷约占总负荷的8.8%，机器负荷占比88.5%;整月中车间总负荷最低时在夜间并接近于机器负荷，车间向外散热最大，此时可适当利用室外新风冷量来消除车间负荷。

全年车间逐时负荷变化情况如图4所示，由于机器负荷较大，车间全年都存在冷负荷，但室外温度的变化导致车间总负荷波动较大。夏季由于室外温度较高，由外墙、屋顶形成的冷负荷也为全年最大，因此夏季夜间部分时间可以利用室外新风冷量降低车间负荷;由图4看出冬季和过渡季节部分时间车间总负荷低于机器负荷，表明此时车间通过外墙、屋顶向外散热量较大，可以考虑利用全部或部分新风冷量来消除车间负荷。

2 细纱全年风量、空调阻力计算和设备选型

车间全年逐时风量是在全年逐时冷负荷的基础上进行计算，再计算出空调系统各段的送风阻力。根据车间送风量和阻力计算的结果，选出与车间负荷相匹配的空调设备。

2.1 车间送风量和阻力计算

图5以8月1日为例细纱车间送风量，由图5可以看出一天中由于车间逐时冷负荷的变化导致车间所需风量最大时为中午12时，最小值在夜间21时至0时之间。

图6为最热月8月份细纱车间送风量的变化情况，车间逐时送风量变化是由于外墙、屋顶形成的冷负荷变化所引起，故整月送风量变化规律与车间逐时冷负荷变化规律基本相同。

2.2 空调设备的选型

根据车间风量和空调阻力的计算，在考虑15%设备富裕系数的情况下，选出与车间负荷相匹配的空调设备。徐州纺织厂共3个空调室，空调室1的空调区域为细纱车间26台细纱机和络筒车间;细纱空调室2所负责的空调区域为细纱车间的26台细纱机;空调室3的空调区域为细纱车间26台细纱机和开清棉车间。

通过车间空调系统平面图对空调阻力计算，细纱空调室2各段阻力计算结果如表4。

由车间全年风量计算结果得到全年所需的最大送风量和空调系统阻力计算结果，对细纱空调室2进行设备选型，表5为细纱空调室2设备选型结果。

3 空调设备运行的理论变频调节

纺织空调设备运行的变频调节是纺织空调自控系统策略优化的关键。通过对设备的变频调节，既要满足车间一年中不同季节下的车间温湿度要求，保证车间空调区域的温湿度稳定，还要在最大程度上降低空调系统的能耗，节约纺织空调运行的成本。

3.1 风机运行频率调节

风机的变频调节是通过加装变频器改变输入风机电机的频率及电机转速，从而改变风机送风量。电机转速与电机频率的关系见式（4）：

由式（4）可以看出，当转差率基本不变时，转速与电机频率成正比，改变电机频率即可改变电动机的转速。根据风机的性能曲线，风机的风量与转速成正比，即n1/n2=Q1/Q2，通过改变输入电机频率改变风机的转速，从而实现对风机风量的调节。图7是以8月1日为例通过风量计算对细纱空调室2风机频率进行变频调节的结果。

风机变频调节具体过程为：根据室外的实时温度得到车间的逐时冷负荷，再根据风量计算式（3）得到车间实时所需风量，再由式（4）得到此时风机的运行频率，通过PLC自控系统发出调节指令，对变频器进行调节，控制风机的风量，满足车间的风量需求。

3.2 加湿系统计算、运行频率调节

3.2.1 加湿系统加湿量计算

通过车间送风量计算的结果，对加湿量进行确定，加湿系统计算见式（5）：

3.2.2 水泵运行频率调节

纺织厂空调系统为工艺性空调，对湿度要求严格，为保证车间的湿度稳定，该车间通过PLC自控系统对车间的实时湿度进行监测，再根据循环水泵控制算法对变频器进行控制，及时地调节车间湿度，保证车间湿度的稳定性。循环水泵PLC步进算法如式（6）：

图8为一天中不同时间段循环水泵频率与车间湿度的变化。由图8可以看出，当车间湿度大于设定湿度54.0%时，下一时刻循环水泵的频率减小，使车间湿度下降;反之，车间湿度低时，则下一时刻循环水泵频率加大，以增大车间的湿度。

循环水泵的的运行调节过程为：通过车间温湿度探头监测车间实时湿度，传回PLC控制柜中，PLC根据式（5）计算出下一时刻循环水泵的运行频率，发出调节指令至循环水泵变频器，调节水泵的转速变大或者变小，改变喷淋室的喷水量，来调节送至车间空气的湿度。

3.3 全年室外新风利用

根据负荷计算结果可以看出车间全年逐时冷负荷受室外温度影响较大，因此室外新风的合理利用是车间空调自控系统节能的关键。车间新风窗开度的控制通过比例调节算法，計算如式（7）：

由车间送风量计算式（3）可知，在车间负荷和温、湿度不变的情况下，车间送风机器露点焓值的降低可以使车间送风量减少，以过渡季节车间要求的温湿度范围为例，车间目标机器露点焓值hmb如图9所示，k1点的焓值为hmin，k4点的焓值为hmax，取k1、k4两点焓差的20%，再与k1点处的焓值hmin相加即可得到目标机器露点焓值hmb。

新风窗的控制调节过程为：比较车间实时温度和车间设定温度值的大小，若此时车间温度高于设定的车间温度，通过温湿度探头测出室外温度，在PLC中计算出此时的室外空气焓值，再根据式（7）计算出在此温度下的新风窗开度，通过PLC控制系统发出命令增加新风窗的开度，在运行一段时间后若车间温度还是偏高，再通过PLC自控系统增加送风机的频率来降低车间温度;反之，若车间温度低于设定温度值，则先降低送风机的频率，再通过式（7）减小新风窗的开度。

4 自控系统介绍

系统硬件部分由某型号PLC可编程控制器、触摸屏、空气参数检测装置和空调系统执行装置四部分组成。空气参数检测装置检测车间内外温湿度、喷淋水池温度工艺回风温湿度等，将检测的实时温湿度参数传回PLC根据算法进行计算，根据计算结果通过空调系统执行装置改变风窗开度，调节风机、水泵的频率，稳定车间温湿度，降低空调系统的能耗。

5 自控系统改造及回报分析

自控系统的改造成本包括了温湿度探头、自控装置、空调系统执行装置等设备的采购和安装以及运输费，总计约2.1万元。此系统在徐州某纺织车间运行以来，系统整体运行平稳，车间温湿度调节及时，空调系统耗电量明显减少。取自控系统运行前后同期车间用电量进行对比如表6，与2018年3、4、5月份相比，2019年3、4、5月份空调用电量明显下降，平均每月节电量2 983 kW·h，平均每月节电率6.36%，根据2019年全国平均工业用电价格每千瓦时1元计算，此改造项目的成本回收时间约7个月。随着自控系统策略的进一步优化，节电效果也会更加明显。

6 结 语

根据2018年徐州室外逐时温度对细纱车间全年逐时负荷进行了详细计算，并对各部分负荷占比进行分析。通过负荷计算的结果，计算出全年不同时刻下的车间风量，对送风机频率进行控制调节，实现车间温度的变频控制;将车间湿度与水泵频率通过具体算法进行联系，对车间湿度进行变频调节。根据车间逐时负荷计算的结果，在保证车间温湿度的前提下，对室外新风进行合理的利用，通过对新风窗的变频调节，降低空调系统的能耗，提高纺织厂车间的经济效益。

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