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        自動化技術在節能節電中大有可為
        發布時間:2010-1-20 瀏覽次數:3992 [ 打印本頁 ] [返回上一頁]

        作者:深圳市萬嘉明科技發展有限公司  趙文成  許治東  張文修

          摘要:統計數據表明,我國是一個能源浪費超級大國,要改變這種狀態只有靠全國人民、各行各業共同努力,找出哪個地方浪費能源,有什么辦法可以節約能源,在這個過程中,自動化技術是可以大有作為的。本文介紹了深圳市萬嘉明科技發展有限公司在從事節能工程的過程中,如何采用模糊控制等先進技術取代PID控制技術的基本原理及在空壓機、供水系統、中央空調、電梯與扶梯、照明等實際項目中取得了很好的節能效果。

        關鍵詞:自動化    PID控制   模糊控制    節能節電

          近年來,我國GDP平均以10%左右的速度發展,能源消耗急驟增加,環境、生態不斷惡化。隨著經濟的快速發展,中國已經成為世界第二大能源消費國,能源消費量占世界的11%。統計數字表明,我國單位GDP能源消耗量比美國的高2.5倍,比歐盟的高4.5倍,比日本的高8.7倍,比世界平均水平的高2.2倍。其中的主要原因是我國工業生產普遍存在“三高”(高能耗、高消耗、高污染)現象十分嚴重。我國每千克標準煤創造的GDP僅為0.36美元,世界平均值為1.68美元,而日本為5.58美元。約是我國的15倍。這些數字不但反映出我國的能源消費過程中存在的巨大的浪費,也表明我國隱含著巨大的節能潛力。節能工作不但與我國國民經濟發展有著密切關系,還與我們每個人的切身利益息息相關。
          相關數據統計顯示,目前國內已探明的煤的儲量達4538.96億噸。2007年,中國原煤產量25.23億噸。預計每年增長速度為8.2%,從簡單計算可知,一百年時間中國將沒有煤。而石油儲量約為60億噸,僅夠開采20年左右。無論是單位國土面積的石油豐度值,還是石油可開采年數,人均儲油量,中國都遠遠低于世界平均水平,仍然是一個能源特別短缺的國家。設想我們不節能減排,二十年后、三十年、百年以后我們的子孫后代拿什么來生存?
           因此,面對如此嚴酷的現實,我們能夠無動于衷嗎?只有全國人民、各行各業都動員起來,認真反省檢查各自的領域,到底哪些地方在浪費能源?能不能,有沒有辦法減少這些浪費?如果我們能做到單位GDP能耗達到世界平均水平的話,我們的日子就會好過多了,也許不再需要進口能源,煤礦也不會死那么多人了。
           我們搞自動化的,“動”是一個消耗能源的重要方面,因此節能我們責無旁貸,認真看一下我們的領域能源浪費比比皆是,而且十分嚴重,我們的工作確實沒有做好。
        以下我們愿意在這幾年的節能工作中看到的如何用自動化技術實現節能的,碰到了哪些問題,走了哪些彎路,有哪些成功的經驗,寫出來和大家交流,并希望得到大家的幫助和指正。

        一、目前節能行業應用自動化技術的情況
           機電設備要實現節能運行,往往要對某些物理量,如:溫度、溫差、壓力、流量、速度……進行控制,使其按某值或某種規律運行,如果運行中偏離了這個設定值,就會達不到預定的節能效果,甚至還有其它惡果,這就要用到一項重要的自動化技術——反饋控制,一個反饋控制系統的核心是調節器。長期以來,大家都習慣用PID(比例、積分、微分)調節器,采用經典控制理論設計和計算出比較合適的P(比例)、I(積分)、D(微分)參數,使控制系統不論在啟、制動和受到擾動的過程中,具有較快的動態反應和較小的超調量,理論上系統可達到穩態無差。然而我們看到的實際情況卻相距甚遠,一些機械設備,如采用變頻調速的恒壓供水或供氣系統,PID參數調整好了,系統整天都處于調整過程中。偏差的正負、大小都在變,調整過于頻繁,幾乎沒有真正穩定的時候,更有甚者,我們看到,有的中央空調要維持蒸發器進出口水溫差恒定的變頻調速PID控制供水系統,水泵電機只有在上限高速值(50HZ)和下限低速值(35HZ)兩種狀態下各“穩定”運行一陣子,其它速度只是過度,還有的只能在很小的速度范圍內(如38HZ-39HZ)運行,其它速度沒有,不仔細看會覺得是穩定的,實際上都是不穩定的,是用上、下限速度的方法進行蒙騙,這樣不僅節能談不上,還給設備安全帶來隱患。
           為什么會出現這些現象?我們認為有以下幾種原因:
            1、要理解、掌握PID調節系統有一定難度,有些人不知道PID的原理、性能和參數設定方法買來就用,系統性能當然是一塌糊涂。
            2 、PID參數的設計計算方法必須知道系統中各環節(如水泵、閥門、管道、變頻器、電機、傳感器……)的傳遞函數(數學模型)然而一些環節明顯的非線性和時變性沒有考慮(要考慮很麻煩),因而各傳遞函數不準確,所得PID參數,系統性能難以最佳。
            3、因為PID調節器具有對誤差的積分調節,因此系統穩態精度極高,理論上無差,而由此又帶來另一個問題——超調。超調是這種系統的本性,一些系統擾動(如用水、用氣的變化)是經常發生的,過于靈敏的帶有超調的調節必然會出現那些現象。
           為解決上述問題,我們認為對于一般用的精度和快速性要求不很高的機電設備,采用模糊控制方法,可得到較好的效果。模糊控制不需要知道各環節的傳遞函數,更不用擔心環節的非線性與時變,它完全能夠自適應,系統可以避免振蕩和超調,調整次數可降到很低,又能保證足夠的精度與快速性。


        一個供水系統的模糊控制原理框圖所示:(附件)

        供水系統的模糊控制原理框圖doc

         

         模糊控制狀態表如表一所示
         

        表1    水壓模糊控制狀態表

         

                                      

         

        CU        CE

        E

        NB

        NS

        O

        PS

        PB

        NB

        PB

        PB

        PB

        PS

        PS

        NS

        PB

        PS

        PS

        O

        O

        O

        PS

        O

        O

        O

        NS

        PS

        O

        O

        NS

        NS

        NB

        PB

        NS

        NS

        NB

        NB

        NB

         

        其中:E :水壓的誤差
            CE:水壓誤差的變化率
            CU:輸出變量
         

         

           當然,這個圖和表是可以根據實際情況進行修訂和增簡,設置適合的參數,這個邏輯可用簡單的可編程控制器(PLC)和傳感器來實現,成本低。這個成果已被國家權威部門鑒定為“國內首創”,這項技術已被成功用到本公司的以下產品中,取得好的效果。

            在一個節能系統中采用的自動化技術還有許多,如智能控制、遙測與遙控、傳感、變頻器、PLC、電氣傳動……技術,在此不再聱述。在一個實際系統中往往還存在多種耗能的地方,這需要我們認真觀察現場,采取對策加以解決,如果不了解實際情況,找出存在問題,把某種方法生搬硬套上去,不是達不到預期效果,就是以失敗而告終。
           二、實際應用中的成效
              在節能節電中正確而靈活的運用自動化技術,是提高節能節電效果的根本,但如何應用才能做到錦上添花,更是在實際應用過程中的重中之重。下面通過幾個實際案例進行分析。
        1、中央空調節電
           隨著生活水平的不斷提高,中央空調成為人們生活中不可缺少的必備,在南方制冷更是普及,特別是的深圳這樣的大都市已是必不可少。在炎熱的季節,其耗電量占總電量的四成,是名符其實讓人頭痛的“電老虎”。
            針對這一情況,我們把中央空調節電作為重點,在充分利用自動化技術的基礎上對中央空調進行了節能改造,效果很好,輔助部分節電率最低都在40%以上。
           下面以我公司在深圳做的兩個項目為例進行分析,改造前后兩個月交的電費差算出節電率分別為56%和48%。
        其所以能獲得如此高的節電率,是采取了以下措施:
           ①原中央空調水泵揚程(含功率)選得太大,為水泵的調速(降速)留下了很大空間,采用模糊控制方式正確設定了各控制參數,使冷凍水進出口溫差維持在10%的偏差以內,水泵節能都在60%以上,并使主機也得到10%左右節電率,系統無超調、調節次數少,十分穩定,節電有保證。
           ②原系統中除了泵選大了以外,供水管道系統中也存在一些耗能的地方,如一些閥門沒有完全打開,一些并聯泵的逆止閥已損壞,關不嚴。冷卻水的溫度嚴重升高等。在和甲方一起處理了這些問題后,不僅水泵節能了,并使主機進一步節能。
           ③清理規范了盤管風道系統、冷卻塔系統,使系統效率提高,根據國家規定重新設定了控制溫度。
        2、空壓機節電
           有一家公司接受了一臺空壓機的節電工程,用PID調節器控制變頻器,頻率、電機、壓縮機轉速實現壓力恒定節能。安裝好以后,調整半年也調不穩定,是我公司接手后,采用模糊控制技術才實現運行穩定。無超調、無振蕩的。此后我們公司在全國各地又對一些空壓機用這一技術進行了節能改造,均獲成功,節電率都在30%以上。
           另外,我公司在為廣鋼集團做空壓機節能改造中,節電率達到了74%,而且設備運行非常穩定,得到了廣鋼集團領導及工程技術人員的高度贊揚,并在廣鋼系統技術交流評比中獲得金獎。
        這個節電率也曾出乎我們預料,研究分析后,認為是因為采取的措施得當所致:
        ①控制輸出壓力在需求的壓力(這往往是原加載壓力、甚至更低,當然遠遠低于卸載壓力)
        ②在用氣量很小的時候用停機取代卸載。
        ③正確妥善處理并機,電機發熱,潤滑等問題。
        3、風機、水泵節電
           風機、水泵系統采用自動化技術、變頻恒壓方式,搞得最早,技術是最沒有爭議的,其實不然,有些是搞錯了,不僅不節能,反而更費電了。大家知道,風機、水泵如果選型正確,變頻實現恒壓化,是補償管道水頭(氣壓)損失而已,因此,一個多層(房子不高),小區(管網長而復雜,用量變化大)用這種方法比水泵直供具有較高的節電率,是可取的,我們采用上述模糊控制技術均取得20%以上的節電率。而我們看到,在深圳有些超高層樓房,取消高位水箱,采用變頻恒壓供水這就不一定合適了。因為管道水頭損失在水泵揚程中所占比例很小,調速的范圍就小,節電率當然就會不高,算一算也能得出結論:得不償失!
           當然也不能一概而論,如我們看到一個供水系統,恒速泵向高位水池供水,開、停工作方式,一般看來這是一種很節能的系統,沒有必要變頻恒壓,但仔細調查后發現,水池高三十多米,而水泵額定揚程七十多米,這個系統要么管道(含泵)損耗大,要么出口水沖力很大,系統效率很低,耗電嚴重。換低揚程泵或用變頻(降速降壓)恒壓方式都將獲得可觀的節電率,高層建筑也相同。

        4、電梯及扶梯
           深圳電梯早已超過五萬臺,民用設備用電量十分大,僅次于空調,節電潛力很大。在哪里呢?現在客梯都已采用變頻調速技術,和老式雙速電機電梯相比,起、制動平穩,平層準確,性能大為提高,然而從能耗方面考慮,卻是倒退了。因為現在的“電梯專用變頻器”都是不能四相限運行,向電網回饋能量的,而只能用“制動電阻”將再生電能白白消耗掉,十分可惜。我們采用專用的能量回饋器,對許多電梯進行節能改造,都取得了30%以上的節電率。
           扶梯也存在幾乎相同的問題,恒速扶梯能量回饋通道順暢。為了節能,沒人時轉為低速,用變頻器,同樣帶來能量回饋問題,要么投資加大,要么效率低,節電少。我公司改造了一批扶梯,采用變頻低速,定時后停車,取得了50%以上的節電率。同時成本還很低,沒用昂貴的能量回饋器。扶梯節能改造后也可根據現場的需要增加智能化功能,我公司改造過的扶梯,分別增加了以下一些功能:在停止狀態下可根據來人情況自動響應上或下的功能;人離開后,自動延時進入低速(或停止)功能;雙機或四機同步控制功能等,不僅節能了,還實現了人性化。
        5、路燈照明節能
           路燈照明節電潛力很大,因未加節能改造的路燈亮度與需要的正好相反,到后半夜需要亮度降低,它反而更亮(電網電壓高了)造成很大浪費,也使燈泡壽命縮短。我公司已做了許多城市路燈節能工程,采用模糊控制技術,適時調節亮度,節電率均達28%以上。我們也看到有的公司的路燈節電器,廣告上也能適時調節,實際根本不能調,因為不太穩定,燒接觸器,只好取消這一功能,變為一次降低電壓10%,亮度普遍降低了近30%。

        三、加強聯合,將實用技術做得更完美
           自動化技術在節能行業的運用已相當普遍,但基本是各自為戰,各自保密,沒有形成一個開放型性整體。運用的自動化技術水平不高,發展和推廣的速度較慢,跟不上社會需求。由于技術能力不強,造成節能不徹底,又造成人力物力及資金浪費的情況比比皆是。我們在云湖硫鐵礦看到的情況就是這樣,變頻公司裝了二百多臺變頻器,但都沒有閉環,工人操作仍然是手工進行,說是節能了,但沒有發揮出應有效果,浪費仍然存在。有些操作人員圖省事,干脆不去人工調節,不僅沒節電,而且變頻器自耗反而費了電。
           因此,加強聯合勢在必行,政府部門要加強管理,職能部門(例如自動化學會)更要加強指導和引導,積極推廣好的產品和技術。同時企業與企業之間也要加強技術交流,不能總是固步自封,只有廣泛提高技術水平才能完成更多更好的項目,才能讓節能行業健康、快速的成長。
           以上是我們公司在多年的工作實踐中摸索出的一條技術創新的成功之路,在這條路上,我們嘗到了甜頭,得到了實惠,也受到客戶們的認可和尊敬。這些寶貴經驗我們整理出來與同仁共享,攜手共同為國家倡導的節能減排出一份力。
         

         

         

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