烟厂恒温恒湿空调及自控系统设计.doc

烟厂恒温恒湿空调的自控系统设计李 梅 孔颖萍 沈丁洋 谢 辉 杨建昆（红云红河烟草（集团）有限责任公司昆明卷烟厂 昆明 650202）【摘 要】 以昆明烟厂为例，对烟厂空调自控系统进行了介绍和分析，提出烟厂空调自控应在保证工艺空气参数要求的基础上，最大程度的减少空调系统的能耗，并同时提出了自控策略，包括空调系统的高精度恒温恒湿控制策略、空调系统的安全控制策略及节能控制策略。【关键词】空调自控；烟厂；恒温恒湿空调；节能中图分类号TU83 文献标识码A 文章编号：1671-6612（2012）04-390-05Autonomous System Design of Constant Temperature and Humidity Air-conditioning in Cigarette FactoryLi Mei Kong Yingping Shen Dingyang Xie Hui Yang Jiankun(HongYun HongHe Group KunMing Cigarette Factory, Kunming, 650202)【Abstract】Based on Kunming cigarette factory, the autonomous system of air-conditioning system is introduced and analyzed, the autonomous system should not only meet the production demands but also can reduce the consumption of air-conditioning system at the maximum level. The autonomous strategy is proposed, which includes control strategy on constant temperature and humidity with high precision, safety control strategy for air-conditioning system and energy-saving strategy.【Keywords】Cigarette factory; Constant temperature and humidity air-conditioning system; Autonomous system; Energy-saving0 引言烟草行业中，生产车间对空气参数的要求较高，一般要求恒温恒湿空调。高品质的空调一方面满足了生产工艺的要求，但另一方面也造成了较高的能耗，根据相关资料可知，和相同空调面积的民用建筑相比，烟厂空调系统的换气次数是民用建筑的2.0-2.5 倍。大容量的空调系统导致了高运行成本的消耗，据不完全统计，每年烟厂因空调系统的运行消耗掉的能源（电能、锅炉燃料）约占全厂公用动力能耗的1/3。在目前的工程设计中，一般采用自动控制系统对空调进行管理，如何在保证烟厂空气要求的基础上最大程度的减少空调系统的能耗，就成为了自控设计的重点，因此，本文以昆明烟厂为例，对自控系统的设计进行了分析。1 工程简介昆明卷烟厂是中国卷烟工业四大重点骨干企业之一，其空调系统装机容量大，能耗高，整个厂房的自动化控制系统主要包括中央空调、制冷、空负压设备等。由于烟厂车间工艺设备产热量大，空调系统全年基本上都要送冷风以便对车间进行降温。其空气处理示意图如图1。图1 空气处理示意图Fig.1 air treating process冷水由溴化锂机组产生，送往卷包间、箱装、制丝、辅料等车间，冷却侧采用冷却塔进，空气通过冷热盘管、微雾加湿及蒸汽加湿的处理后达到不同厂房的温湿度要求。2 自控设计内容及设计参数本项目空调系统部分共计有44 台组合式空调机组和9 台排烟排风机组，本次空调自控部分的核心内容是如何利用先进的硬件平台和可靠的测量控制元件，提供一套技术先进、满足高精度恒温恒湿要求、具有完善的安全处理能力、可靠、节约能源的一体化解决方案。不同车间的空气参数要求见表1，每个车间中，在保证下表的基本温湿度要求的同时实现恒温恒湿控制，控制精度目标：温度1.5，相对湿度4%。同时由于烟厂生产工艺的特殊性，自控系统应保证365 天/24小时连续正常运行。表1 不同车间工艺要求Table 1 Requirements of different departments3 空调系统的高精度恒温恒湿策略空调自控系统首要的指标就是能连续不间断地满足生产过程中的高精度恒温恒湿要求，能快速有效地克服各种外界干扰，因此，本次设计主要采用以下几种控制算法。3.1 变参数智能PID 调节作为一个反馈控制系统，空调温湿度控制核心总体上还是来源于经典的PID 闭环控制算法，但传统的PID控制算法效果严重依赖P/I/D参数匹配情况，众所周知，空调系统一年四季的工作状况是不断变化的，显然，不同季节的环境下由于车间动态的热物理物性和变化的室外气象条件，温湿度控制回路的比例带（P）和积分常数（I）也应随之动态适应，以防较大的超调和无限振荡现象发生；另一方面，空调系统刚开始运行时，由于目标值和实际值差异很大，需要更灵敏更快速的对空调进行PID调节，而在系统进入稳定后，空调系统为了维持系统稳定性，要求系统PID 调节不要过于灵敏以防止不必要的扰动。因此本设计采用变参数的PID调节方法，通过让空调系统在不同工况下采用不同的PID 控制参数，达到既满足空调系统的快速响应，又能保证很高的控制精度。其中标准的PID 调节过程和变参数的PID 调节过程见图2。图2 标准PID与变参数PID调节过程Fig.2 Standard PID method and variable parameters PID method3.2 串级调节策略卷烟环境中，由于被控区域往往空间较大，而空气的温湿度特别是温度是一个缓慢变化的过程。然而，根据传统的反馈控制理论，只有在被控对象发生偏差也就是温湿度偏离设定值后才逐步开始进行纠正，外界干扰刚开始进入时还没有明显体现出来，等被控区域的温湿度出现偏离后执行机构（如表冷、加热、加湿阀）输出才开始变化，但这种事后的调节要在车间温湿度传感器感应出来，往往存在较大的滞后时间，从而导致温湿度超调现象，也就是人们常说的“系统反应慢”的感觉。为防止因滞后时间导致的温湿度超调现象，设计中采用以送风温湿度参数为中间变量进行串级控制，控制原理如图3（以相对湿度控制回路为例）。图 3 串级控制原理Fig.3 Cascade control method3.3 变积分抗饱和优化控制影响控制精度和稳定性的另一个重要问题在于控制器用两个PID 控制回路分别控制温度及湿度。常常出现在刚开机时温、湿度误差较大而引起积分量过大，导致超调过多，系统长时间无法稳定的问题。针对这一问题，设计方案在控制程序中从采用了变积分参数和积分分离带的算法来避免此问题，大大地提高了系统响应时间和稳定性。4 空调系统的安全控制策略4.1 精细的防凝水串级调节控制根据送风露点计算模型以及送风湿度变化趋势，控制器判断送风接近凝水的程度，当送风接近凝水区域时，控制器开始进行凝水程度偏差计算，然后根据此偏差对加湿阀进行串级调节来保证在不凝水的情况下最大地发挥加湿器的加湿能力，相对于很多公司采用的传统送风湿度过高就简单地开始关闭加湿阀，这种连续式的串级调节比简单地限制加湿量来防止凝水的效果好得多，对车间的湿度精度影响也更小。4.2 空调机的联动保护控制只有空调的送风风机运行后，控制系统才根据温湿度状况进行冷热控制，反之空调机程序停机时，控制器将先关掉加湿器、加热器、表冷器和喷淋循环系统，然后保持风机继续运行3-5 分钟（可以通过集中管理层设定）再停机，以达到吹干风道水分及降温的目的。4.3 空调送风高温保护策略空调自控系统均内置了送风温度高温保护策略，当送风温度高于预设的保护设定值时，控制器会自动开始抑制加热量，以确保送风温度不会继续上升，从而达到保护送风机电机的目的。当空调电机意外停机时，自控系统会立即自动关闭加热及加湿电动阀以保护空调机。4.4 空调低温保护策略空调自控系统均内置了预、加热器后温度低温保护策略，当预、加热器后温度低于预设的保护设定值时，控制器会自动开始微开预、加热量，以确保预、加热盘管温度不会继续下降，从而达到保护换热器的目的。4.5 采用防水击、防喷水控制此次空调系统都采用蒸汽加热和加湿，由于蒸汽管的水击作用，使加热盘管早期损坏，在加湿的初期，蒸汽管内的水也会喷到机箱内，我公司针对上述情况，结合蒸汽测温器，采用疏水加凝水判断控制，只有当蒸汽进管中的凝水排除完以后，才打开加热和蒸汽加湿阀，其控制过程见图4。图4 防水击控制示意图Fig.4 Facility of water hammer proof5 空调系统的节能控制策略5.1 全年动态分区多工况恒温恒湿控制节能技术全年动态分区多工况控制模型以烟厂的空调特点为基础，实现全年多工况节能运行方式，根据车间温湿度要求及最小新风量要求，自动将全年分成为若干个工况区域，每个工况区域内制定出一个最合理、最节能的温湿度控制模型，计算各区温湿度控制回路的输出值，保证全年各时刻的温湿度控制精度，寻求空调系统的最优控制精度和最佳节能运行方案。本算法建立在空调理论基础之上，控制器根据检测到的新回风温、湿度计算新回风的焓值，根据被控区（车间）的温、湿度算出车间的焓值，然后结合送风状况，综合判断焓值是否有利用价值来判断新风是否可利用，对新风进行比例调节。图5 空气处理过程Fig.5 Air treating process空气处理过程见图5，根据此图，综合判断的分区依据为：（1）除湿与加湿分区边界：当新回风混和状态点（C）的绝对含湿量dcdo时，此季节工况应对空气进行除湿处理，否则应对空气进行加湿处理。（2）加热与冷却分区边界：当新回风混和状态点（C）的温度tcto 时，此季节工况应对空气进行冷却处理，否则应对空气进行加热处理。（3）新回风比节能控制原则：除湿季节工况（dcdo）时，若iWiN，采用最小新风，若iWiN，采用最大新风。5.2 风机变风量调节由于烟厂车间工艺设备产热量大，空调系统全年基本上都要送冷风以便对车间进行降温。烟厂冷冻空调系统的各参数容量（如空调箱风量、冷冻机制冷量、空调加热、加湿量等）是按当地夏季最热的室外气象条件下进行的选型计算，全年室外气象参数在变化过程中，处于夏季最热的天气总是很少时间，如果总是按最大容量将冷冻空调系统投入运行，势必存在能源浪费问题，部分季节还存在冷热抵消现象。因此，通过对空调系统的容量进行调节可以大量节省空调系统的能耗。本项目中空调的风机电机配置了变频器，本设计方案在控制系统中集成了变频节能控制逻辑。其中心思路就是通过检测送风焓与室内焓之差的测量值与设定值的偏差控制变频器调节风机转速，控制变频器调节风机转速，实现部分负荷时节省运行费用。烟厂空调的额定风量应按夏季最热的室外气象条件进行设计，风量F的计算见式（1）其中：Cp 为空气比热，kJ/(kg)；t为送风温差，；QS为厂房设备负荷，kW；QW为围护结构负荷，kW。根据风机风量F与电机功率N的关系，可得：因此可知，当空气送风量改变时，风机功率是按其变化的立方进行变化，当F1=0.8F0 时，N1=0.512N0，即当风量减小到80%时，风机的功率减少了一半，据有关文献分析，烟厂80%的时间，空调系统可在80%的负荷下运行，因此，空调的变风量调节的节能效果非常明显。5.3 对立工况节能技术在除湿加热工况会出现对立运行（又制冷又加热），除采用常规的二次回风调节外，本设计中采用了另外二种技术：（1）根据空调的焓湿图曲线，通过控制程序预先判断空调处理后的结果，可大大节省能源，控制程序中考虑到能源成本的因素，即制冷成本大于加热成本，矛盾的情况下最大程度的节约制冷成本，这样做考虑到新风利用节能和能源成本双重因素。（2）电控旁通节能技术：对表冷器盘管进行改造的前提下，表冷器盘管为主盘管和副盘管分别加装冷水电动调节阀，当出现对立工况时可减小副盘管冷水电动阀开度以增加通过副盘管的送风温度，利用温度较高的副盘管出风来加热通过主盘管的冷风以节能。6 结论通过对昆明烟厂自控系统设计的分析，提出了相应的控制策略，包括空调系统的高精度恒温恒湿控制策略、空调系统的安全控制策略及节能控制策略，通过对后期的运行监测可知，采用此自控设计方案可达到工艺要求并减小了电量的消耗。参考文献：1 董爱国,张继东,岳红利,等.卷烟厂冷冻空调自动控制系统节能控制策略研究J.科技信息,2009,(3):61-62.2 胡烨,杨昌智,孙一坚,等.卷烟厂空调系统节能运行的优化研究J.湖南大学学报,1999,26(5):85-89.3 张竑斌,李梅,吴敏,等.变参数PID调节在烟厂卷包车间空调自控中的应用J.制冷与空调,2011,25(5):526-530.4 陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID 控制及其应用M.北京:机械工业出版社,1998.5 贾群,刘泽功,裴锋.中央空调系统的局部调节和自控系统J.制冷与空调,2003,17(3):23-26.6 郭南,张玉艳.基于变参数PID 的火电厂过热汽温控制J.沈阳工程学院学报,2008,4(2):150-152.7 Ziegler J G, Nichols N B. Optimum Settings for Automatic Con