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基于变频风机和流量调节阀的流量快速节能调节方法研究

一、概述

本文研究的标准表法气体流量标准装置流量调节范围宽达(0.5~2000)m3/h,无论是变频风机法还是阀门节流法都难以达到理想效果,因此本文提出结合两种方法,且采用两台不同通径的调节阀,从而实现装置在全流量范围的精确调节。由于调节阀的气动阀门定位器定位准确度低且重复性差,同时超出量程的流量易损坏标准表罗茨流量计,直接进行实验研究风险较大,因此本文提出采用开环实验结合仿真模拟的方法完成控制算法初步研究,再进一步进行实验验证。

二、装置介绍

本文研究的并联式标准法气体流量装置原理如图1所示,采用4台Elster罗茨流量计作为标准表,具有压损小、重复性好、量程比宽等优点。气体从直管段依次通过被检表、截止阀、标准表、流量调节阀,最后经风机排出到大气。采用虚拟仪器加PLC的方式构成测控系统。

图1 装置基本结构示意图

图1 装置基本结构示意图

 

装置设计最大设计流量为2000m3/h,选用德国ELEKTROR高压变频风机,型号为HRD-7FU 105/15,风机最大转速6250r/min,最大功率15k W,最高工作频率105Hz,其在工作频率80Hz、压差8000Pa时,排气量为4200m3/h。根据风机性能参数,我们选择施耐德ATV61系列型号为HD18N4Z的节能型变频器,其适用于工业中泵和风机的控制,性能优越、功能强大,支持最大额定功率可以达到18.5k W,可以满足高压变频风机的需要。选用HTS系列口径DN40调节阀配套YT-2300L型智能阀门定位器作为小流量调节使用;选取JTCPC系列口径DN150气动衬胶蝶阀配套YT-2300R型智能阀门定位器作为大流量调节使用。两种型号的智能阀门定位器控制信号为(4~20)m A,线性度为±0.5%FS,灵敏度为±0.2%FS,重复性为0.3%FS。

三、流量调节开环实验研究

通过智能阀门控制器控制的调节阀调节准确度有限,且阀门挡板式机械结构并不适合对气体流量进行实时连续调节;而通过变频器控制,风机转速能够实现精确调节,因而适合对管路流量进行持续调节,故在实际流量调节时,将先根据流量范围设置调节阀开度,再进行风机变频调速以实现装置流量的调节。

由于调节阀不适合处于极大或极小开度状态工作,故其开度设置范围为10%~90%。试验时,首先设置调节阀处于某一开度,然后指定风机转速(风机转速大于200r/min时才能处于稳定状态,故试验时设置不低于此转速),待流量稳定后结束单次试验,然后逐次增加风机转速重复试验。

理论上标准装置某一流量在调节阀最大开度以及风机最低频率的情况下将会达到最佳节能效果,故在某一段流量范围试验时调节阀开度按从大到小的顺序进行改变,若阀门较大开度不能满足流量范围要求,再降低阀门开度进行试验,直至试验流量范围覆盖(0.5~2000)m3/h。试验时,采样周期设置为1s,连续采集10个流量值,若流量相对波动小于1%,则认为当前流量已稳定。

以流量范围(0.5~20)m3/h为例,首先设置小阀开度为90%,当风机转速为200r/min时,流量稳定于4.61m3/h,增大风机转速至800r/min时,流量稳定于22.54m3/h,可以看出,此时流量范围(0.5~4.61)m3/h并未覆盖,故应降低阀门开度继续进行试验,直至小阀开度为20%,风机转速为200r/min时,流量小于0.5m3/h,至此,流量范围(0.5~20)m3/h完全覆盖。

通过以上实验,对标准装置在不同流量范围进行了最佳阀门开度的设定,在满足流量调节的情况下,使风机处于较低转速以达节能的目的,如表1所示。同时得到风机频率与流量以及管路中压降的关系曲线,如图2所示。

表1 流量范围与阀门开度对应详情

表1 流量范围与阀门开度对应详情

图2 风机频率、压降、流量曲线

图2 风机频率、压降、流量曲线

 

四、基于AMESim的流量调节仿真与实验验证

对于风机流量调节系统,调节过程可以采用一阶惯性加纯滞后环节来模拟,控制算法上采用鲁棒性强、实用性高的PID控制。基于一阶惯性加纯滞后系统模型,在AMESim中搭建的气体流量调节仿真模型如图3所示。

仿真模型中主要参数如下:连接管道通径150mm,长度根据实际设置;一、二号标准表节流孔大小为40mm;三、四号标准表节流孔大小为150mm;开关阀节流口大小为150mm;调节阀最大口径分别为40mm与150mm。

图3 气体流量调节仿真模型

图3 气体流量调节仿真模型

 

1.被检表;2、3.一号、二号通道;4、5.三号、四号通道;6、7.调节阀;8.变频风机模型;9.PID模型

图4 500m3/h流量点PI控制仿真结果

图4 500m3/h流量点PI控制仿真结果

 

表2 不同流量点仿真PI整定参数

表2 不同流量点仿真PI整定参数

由于本系统中风机、阀门和管路的精确数学模型难以获得,因此参数整定时采用工程上更为实用的经验试。以目标流量500m3/h为例,通过试凑获得衰减比为4∶1时Kp=1.1,进一步减小Kp,引入积分作用,经多次调整,得到流量曲线较为理想时的控制参数为:Kp=0.71,Ti=0.12,得到流量响应曲线如图4所示。

在此基础上,针对其他流量点分别整定,得到如表2所示的控制参数组合。

图5 500m3/h流量点实验曲线

图5 500m3/h流量点实验曲线

 

实验验证环节,参考仿真得到的控制参数,在实验中进行参数微调,得到Kp=0.78、Ti=0.13时流量响应曲线如图5所示。对比仿真结果可知,系统在启动阶段有明显的滞后,总体调整时间和仿真结果接近,都在40s左右,稳态准确度优于1%,达到流量调节快速、准确、无超调的目标。同理,对其他流量点分别做测试和参数微调,确定了不同流量点的控制参数,实现装置全流量范围的精确控制。在小流量区间(100m3/h以内)流量超调小于5%,大流量区间(100m3/h以上)流量超调小于1%,总体调节时间小于90s。

五、总结

本文提出了采用变频风机加流量调节阀的方法用于标准表法气体流量标准装置的流量调节,采用固定风机频率的方法初步确定不同流量范围的阀门开度,在此基础上结合AMESIM仿真与实验验证的方法,通过经验试凑法确定了不同流量点的PI控制参数,结果表明装置可以实现全流量范围的快速、精确、无超调控制,小流量区间(100m3/h以内)流量超调小于5%,大流量区间(100m3/h以上)流量超调小于1%,总体调节时间小于90s。

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