武漢科技大學(xué) 劉秋新  韋卜方  楊樹  朱傲  郎倩珺

      【摘  要】針對除塵系統(tǒng)風(fēng)量不穩(wěn)定、除塵效果不佳的問題，提出孔板+可調(diào)閥芯的新式閥體，通過實(shí)驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，證明可調(diào)孔板可穩(wěn)定風(fēng)量，具有良好的調(diào)節(jié)性能；綜合PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)管網(wǎng)壓力-可調(diào)孔板的控制系統(tǒng)，并通過MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真，證明了可調(diào)孔板采用自適應(yīng)模糊PID控制能很好地適應(yīng)除塵系統(tǒng)多變不穩(wěn)定的特性，維持系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定，保證除塵效果。

      【關(guān)鍵詞】通風(fēng)工程；除塵系統(tǒng)；孔板；可調(diào)閥芯

Abstract：Aiming at the problem of unstable air volume and poor dust removal in the dust removal system, a new valve body with an orifice plate and an adjustable valve core was proposed. Through the combination of experiments and CFD numerical simulation, it was proved that the adjustable orifice plate can stabilize the air volume and has good Adjust the performance; Integrated the advantages of PID control and fuzzy control, design the control system of pipe network pressure-adjustable orifice plate, and carry out Simulink simulation of the control system through MATLAB, which proves that the adjustable orifice plate adopts adaptive fuzzy PID control well To adapt to the volatile characteristics of the dust removal system, maintain system air flow stability and ensure dust removal.
Key words：Ventilation project，Dust removal system，Orifice plate，Adjustable spool

0 引言

      粉塵污染存在于眾多行業(yè)，嚴(yán)重危害著大氣環(huán)境，通風(fēng)除塵是工業(yè)生產(chǎn)中最直接有效、最廣泛的防治粉塵污染手段。通風(fēng)工程中的除塵系統(tǒng)是一個(gè)阻力不平衡系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥的使用受管道內(nèi)氣固兩相流的限制，導(dǎo)致風(fēng)量在除塵系統(tǒng)運(yùn)行過程中難以平衡和穩(wěn)定，無法保證除塵效果。目前研究大多采用阻力平衡器、插板閥、多孔節(jié)流孔板等平衡流量，但這些閥件都有局限性。結(jié)合阻力平衡器結(jié)構(gòu)簡單、易調(diào)試、增阻效應(yīng)明顯等優(yōu)勢，本文提出節(jié)流孔板^[1][2]+調(diào)節(jié)閥芯^[3]的新型除塵系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)——可調(diào)孔板，作為除塵系統(tǒng)定風(fēng)量閥，彌補(bǔ)阻力平衡器不可調(diào)的缺點(diǎn)，同時(shí)兼具風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的可調(diào)性能，對閥體配以自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其適應(yīng)除塵系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)風(fēng)量動(dòng)態(tài)穩(wěn)定與平衡，從而達(dá)到良好的除塵效果。

1 物理模型設(shè)計(jì)

      可調(diào)孔板，即在孔板的中心裝設(shè)一個(gè)可調(diào)節(jié)圓錐形閥芯，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      為穩(wěn)定除塵系統(tǒng)風(fēng)量和平衡壓力，需要測試不同壓力波動(dòng)下可調(diào)孔板的穩(wěn)定性能和阻力性能，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。由于條件限制，除塵系統(tǒng)形式僅選取裝設(shè)閥體的管段作為實(shí)驗(yàn)對象，管道中流體直接選取空氣取代除塵系統(tǒng)中的含塵氣體，簡化實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)。

      實(shí)驗(yàn)采用離心風(fēng)機(jī)作動(dòng)力源，額定風(fēng)量1828m³/h，全壓833Pa，管長4m，直徑200cm；通過變動(dòng)調(diào)節(jié)閥前后位移來改變系統(tǒng)壓力，模擬除塵系統(tǒng)中壓力波動(dòng)情況。測試孔設(shè)置在孔板前后，在風(fēng)機(jī)出口處設(shè)整流欄柵。運(yùn)用畢托管、壓力表可測管道內(nèi)流體的靜壓、動(dòng)壓、全壓，進(jìn)而算出流動(dòng)風(fēng)量，即可分析可調(diào)耐磨孔板穩(wěn)定性能和阻力特性。

2 可調(diào)耐磨孔板穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

      當(dāng)閥芯初始位置X0=0.1m，初始風(fēng)量920m3/h，管網(wǎng)在不同壓力波動(dòng)下，裝設(shè)可調(diào)耐磨孔板除塵系統(tǒng)風(fēng)量實(shí)測數(shù)據(jù)如表1。

      對比閥芯初始位置X0=0.06m，實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

      為得到孔板阻力系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系，現(xiàn)測試不同風(fēng)速下，調(diào)節(jié)某一閥芯位置，得出可調(diào)耐磨孔板阻力系數(shù)的變化情況，詳見表3～表5。

      2.1 除塵系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素

      從表1中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)壓力波動(dòng)小于350Pa時(shí)，風(fēng)量偏差均小于2%，表明在0～350Pa范圍內(nèi)，可調(diào)耐磨孔板調(diào)節(jié)性能好。綜合表1和表2，可知在可調(diào)耐磨孔板量程范圍內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)壓力波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥芯位置可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)量偏差都能控制在2%以內(nèi)，可見可調(diào)耐磨孔板調(diào)節(jié)性能較好。當(dāng)閥芯處于某一固定位置時(shí)，觀察表3～表5，改變流體風(fēng)速，其局部阻力系數(shù)基本恒定在某一數(shù)值附近，因此可得可調(diào)耐磨孔板的局部阻力系數(shù)不隨管道內(nèi)風(fēng)速的變化而變化，是閥體本身的物理屬性參數(shù)，與風(fēng)速無關(guān)。為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，從圖4中取各線性方程的斜率和截距的平均值分別為76.915、12.518，則可用比例函數(shù)y=76.915x+12.518表示上述孔徑的可調(diào)耐磨孔板局部阻力系數(shù)與閥芯位置的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得局部阻力系數(shù)與模擬計(jì)算所得局部阻力系數(shù)對比分析如圖3。

      圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合曲線與模擬結(jié)果擬合曲線基本重合，進(jìn)一步說明結(jié)論的準(zhǔn)確性。當(dāng)除塵系統(tǒng)風(fēng)19m/s時(shí)，其壓損范圍為2770～4377Pa，則其可調(diào)節(jié)壓力波動(dòng)絕對值范圍為0～1607Pa，調(diào)壓范圍較大。即可調(diào)耐磨孔板調(diào)節(jié)性遠(yuǎn)勝于一般耐磨孔板，運(yùn)用于除塵系統(tǒng)能消除系統(tǒng)大范圍的壓力波動(dòng)，保證系統(tǒng)阻力平衡和風(fēng)量穩(wěn)定。

3 調(diào)節(jié)性能仿真模擬

      CFD模擬軟件主要用于解決工程中流體和傳熱問題，可模擬出實(shí)際運(yùn)行過程中各種狀態(tài)的數(shù)據(jù)，因此可通過CFD模擬節(jié)流孔板閥體在除塵系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)性能。為使模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有可比性，模擬的物理模型完全按照實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ⅲ鐖D4所示。

      3.1 數(shù)學(xué)模型和湍流模型 

      流體流動(dòng)的控制方程中，結(jié)合連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程可完整的描述流場中任一點(diǎn)的瞬時(shí)速度、瞬時(shí)壓強(qiáng)之間的聯(lián)系及變化關(guān)系，聯(lián)合準(zhǔn)確的湍流模型解決流體的流動(dòng)問題[4]，模擬除塵管道內(nèi)流體流動(dòng)情況采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，模擬除塵管道中閥門的節(jié)流性能和調(diào)節(jié)性能。本研究用孔板孔徑120mm，底圓直徑80mm，閥芯頂圓直徑20mm，高度100mm，入口速度取10m/s、13m/s、16m/s、19m/s時(shí)，模擬可調(diào)耐磨孔板在不同閥芯位置下的局部阻力系數(shù)，結(jié)果如圖5。 

      將不同風(fēng)速的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合曲線均有R2>0.9945，可見擬合程度較高，即擬合曲線可描述局部阻力系數(shù)與閥芯位置的關(guān)系。  

4 可調(diào)孔板自控性仿真模擬

      采用MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真模擬，對采用配有控制系統(tǒng)的可調(diào)孔板與不采用可調(diào)孔板的除塵系統(tǒng)進(jìn)行仿真對比，分析可調(diào)孔板的調(diào)節(jié)性能。除塵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，從風(fēng)機(jī)啟動(dòng)到管網(wǎng)壓力穩(wěn)定是一個(gè)緩慢趨于穩(wěn)定的過程，改增壓過程可看作是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。因此，管網(wǎng)壓力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用比例環(huán)節(jié)與一階慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)而成^[5]，以圖6除塵系統(tǒng)圖為例求解管網(wǎng)，圖中每一吸塵點(diǎn)除塵風(fēng)量1300m³/h，系統(tǒng)風(fēng)量32800m³/h，離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量36800m³/h，風(fēng)壓2380Pa。

      管網(wǎng)傳遞函數(shù)為：

      可調(diào)孔板采用比例環(huán)節(jié)加一階慣性環(huán)節(jié)，則其傳遞函數(shù)為：

      經(jīng)過系統(tǒng)仿真，支管Ⅴ起始端裝設(shè)自適應(yīng)模糊PID控制形式的可調(diào)孔板，壓力輸入設(shè)定值為1460Pa，支管Ⅳ起始端裝設(shè)常規(guī)PID控制形式的可調(diào)孔板，壓力輸入設(shè)定值為1350Pa，支管Ⅲ上不裝設(shè)可調(diào)孔板進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，壓力輸入設(shè)定值為1367Pa，同時(shí)給3個(gè)支管一個(gè)壓力波動(dòng)干擾，壓力干擾采用階躍響應(yīng)，終值設(shè)定為400Pa。仿真模擬結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，支管Ⅳ、Ⅴ裝設(shè)可調(diào)孔板，其管網(wǎng)壓力受干擾發(fā)生波動(dòng)后能進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，維持除塵系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定；而沒有裝設(shè)可調(diào)孔板的支管Ⅲ，當(dāng)管網(wǎng)壓力收到干擾后，其受干擾影響較大，無法保證該支管上吸塵點(diǎn)的排風(fēng)量，影響除塵效果。

      對支管Ⅴ起始端分別裝設(shè)自適應(yīng)模糊PID控制形式的可調(diào)孔板和常規(guī)PID控制形式的孔板，分別進(jìn)行仿真模擬，壓力輸入設(shè)定值為1460Pa，壓力波動(dòng)干擾采用階躍響應(yīng)，終值設(shè)置為400Pa，仿真框圖如圖8所示。從圖7和圖8中可看出采用常規(guī)PID控制，系統(tǒng)超調(diào)量大，系統(tǒng)震蕩嚴(yán)重，且調(diào)節(jié)不及時(shí)。而采用自適應(yīng)模糊PID控制其控制調(diào)節(jié)性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制，自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，超調(diào)量小，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，故可調(diào)孔板采用自適應(yīng)模糊PID控制形式，可以及時(shí)、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)阻力和風(fēng)量動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和平衡。

5 結(jié)論

      1）確定了除塵系統(tǒng)用定風(fēng)量閥閥體結(jié)構(gòu)，主要由孔板和圓錐臺閥芯組成，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和CFD模擬證明了其閥體局部阻力系數(shù)與閥芯位移滿足線性關(guān)系y=76.915x+12.518，與管道內(nèi)流體風(fēng)速無關(guān)。

      2）當(dāng)除塵系統(tǒng)風(fēng)速為19m/s時(shí)，孔板壓損范圍為2770～4377Pa，則其可調(diào)節(jié)壓力波動(dòng)絕對值范圍為0～1607Pa，調(diào)壓范圍較大，即可調(diào)孔板調(diào)節(jié)性遠(yuǎn)勝于一般孔板。

      3）通過Simulink仿真，可調(diào)孔板采用自適應(yīng)模糊PID控制形式，對閥體閥芯進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，且除塵系統(tǒng)采用以管網(wǎng)壓力-可調(diào)孔板閥芯為對象的控制系統(tǒng)，可消除管網(wǎng)壓力波動(dòng)引起的阻力失調(diào)和風(fēng)量不穩(wěn)定問題，從而動(dòng)態(tài)地保證系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定和平衡。

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      備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。
                版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。