武汉科技大学 刘秋新  韦卜方  杨树  朱傲  郎倩珺

      【摘  要】针对除尘系统风量不稳定、除尘效果不佳的问题，提出孔板+可调阀芯的新式阀体，通过实验和CFD数值模拟相结合的方法，证明可调孔板可稳定风量，具有良好的调节性能；综合PID控制和模糊控制的优点，设计管网压力-可调孔板的控制系统，并通过MATLAB对控制系统进行Simulink仿真，证明了可调孔板采用自适应模糊PID控制能很好地适应除尘系统多变不稳定的特性，维持系统风量稳定，保证除尘效果。

      【关键词】通风工程；除尘系统；孔板；可调阀芯

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

      粉尘污染存在于众多行业，严重危害着大气环境，通风除尘是工业生产中最直接有效、最广泛的防治粉尘污染手段。通风工程中的除尘系统是一个阻力不平衡系统，调节阀的使用受管道内气固两相流的限制，导致风量在除尘系统运行过程中难以平衡和稳定，无法保证除尘效果。目前研究大多采用阻力平衡器、插板阀、多孔节流孔板等平衡流量，但这些阀件都有局限性。结合阻力平衡器结构简单、易调试、增阻效应明显等优势，本文提出节流孔板^[1][2]+调节阀芯^[3]的新型除尘系统风量调节阀结构——可调孔板，作为除尘系统定风量阀，弥补阻力平衡器不可调的缺点，同时兼具风量调节阀的可调性能，对阀体配以自动控制系统，使其适应除尘系统管网压力波动，实现动态调节，保证系统风量动态稳定与平衡，从而达到良好的除尘效果。

1 物理模型设计

      可调孔板，即在孔板的中心装设一个可调节圆锥形阀芯，结构如图1所示。

      为稳定除尘系统风量和平衡压力，需要测试不同压力波动下可调孔板的稳定性能和阻力性能，实验系统设计如图2所示。由于条件限制，除尘系统形式仅选取装设阀体的管段作为实验对象，管道中流体直接选取空气取代除尘系统中的含尘气体，简化实验台设计。

      实验采用离心风机作动力源，额定风量1828m³/h，全压833Pa，管长4m，直径200cm；通过变动调节阀前后位移来改变系统压力，模拟除尘系统中压力波动情况。测试孔设置在孔板前后，在风机出口处设整流栏栅。运用毕托管、压力表可测管道内流体的静压、动压、全压，进而算出流动风量，即可分析可调耐磨孔板稳定性能和阻力特性。

2 可调耐磨孔板稳定性实验

      当阀芯初始位置X0=0.1m，初始风量920m3/h，管网在不同压力波动下，装设可调耐磨孔板除尘系统风量实测数据如表1。

      对比阀芯初始位置X0=0.06m，实测数据如表2所示。

      为得到孔板阻力系数与风速的关系，现测试不同风速下，调节某一阀芯位置，得出可调耐磨孔板阻力系数的变化情况，详见表3～表5。

      2.1 除尘系统稳定性影响因素

      从表1中数据可以看出，当压力波动小于350Pa时，风量偏差均小于2%，表明在0～350Pa范围内，可调耐磨孔板调节性能好。综合表1和表2，可知在可调耐磨孔板量程范围内，当系统压力波动时，调节阀芯位置可实现系统风量稳定，风量偏差都能控制在2%以内，可见可调耐磨孔板调节性能较好。当阀芯处于某一固定位置时，观察表3～表5，改变流体风速，其局部阻力系数基本恒定在某一数值附近，因此可得可调耐磨孔板的局部阻力系数不随管道内风速的变化而变化，是阀体本身的物理属性参数，与风速无关。为验证其准确性，从图4中取各线性方程的斜率和截距的平均值分别为76.915、12.518，则可用比例函数y=76.915x+12.518表示上述孔径的可调耐磨孔板局部阻力系数与阀芯位置的关系，实验数据计算所得局部阻力系数与模拟计算所得局部阻力系数对比分析如图3。

      图中实验结果拟合曲线与模拟结果拟合曲线基本重合，进一步说明结论的准确性。当除尘系统风19m/s时，其压损范围为2770～4377Pa，则其可调节压力波动绝对值范围为0～1607Pa，调压范围较大。即可调耐磨孔板调节性远胜于一般耐磨孔板，运用于除尘系统能消除系统大范围的压力波动，保证系统阻力平衡和风量稳定。

3 调节性能仿真模拟

      CFD模拟软件主要用于解决工程中流体和传热问题，可模拟出实际运行过程中各种状态的数据，因此可通过CFD模拟节流孔板阀体在除尘系统中的调节性能。为使模拟结果和实验结果有可比性，模拟的物理模型完全按照实验室实验模型建立，如图4所示。

      3.1 数学模型和湍流模型 

      流体流动的控制方程中，结合连续性方程、运动方程和能量方程可完整的描述流场中任一点的瞬时速度、瞬时压强之间的联系及变化关系，联合准确的湍流模型解决流体的流动问题[4]，模拟除尘管道内流体流动情况采用标准k-ε方程模型，模拟除尘管道中阀门的节流性能和调节性能。本研究用孔板孔径120mm，底圆直径80mm，阀芯顶圆直径20mm，高度100mm，入口速度取10m/s、13m/s、16m/s、19m/s时，模拟可调耐磨孔板在不同阀芯位置下的局部阻力系数，结果如图5。 

      将不同风速的模拟数据进行回归分析，拟合曲线均有R2>0.9945，可见拟合程度较高，即拟合曲线可描述局部阻力系数与阀芯位置的关系。  

4 可调孔板自控性仿真模拟

      采用MATLAB对控制系统进行Simulink仿真模拟，对采用配有控制系统的可调孔板与不采用可调孔板的除尘系统进行仿真对比，分析可调孔板的调节性能。除尘系统运行时，从风机启动到管网压力稳定是一个缓慢趋于稳定的过程，改增压过程可看作是一个一阶惯性环节。因此，管网压力系统的数学模型可以用比例环节与一阶惯性环节加滞后环节串联而成^[5]，以图6除尘系统图为例求解管网，图中每一吸尘点除尘风量1300m³/h，系统风量32800m³/h，离心风机风量36800m³/h，风压2380Pa。

      管网传递函数为：

      

      可调孔板采用比例环节加一阶惯性环节，则其传递函数为：

       

      经过系统仿真，支管Ⅴ起始端装设自适应模糊PID控制形式的可调孔板，压力输入设定值为1460Pa，支管Ⅳ起始端装设常规PID控制形式的可调孔板，压力输入设定值为1350Pa，支管Ⅲ上不装设可调孔板进行动态调节，压力输入设定值为1367Pa，同时给3个支管一个压力波动干扰，压力干扰采用阶跃响应，终值设定为400Pa。仿真模拟结果如图7所示，从图中可以看出，支管Ⅳ、Ⅴ装设可调孔板，其管网压力受干扰发生波动后能进行自我调节，维持除尘系统风量稳定；而没有装设可调孔板的支管Ⅲ，当管网压力收到干扰后，其受干扰影响较大，无法保证该支管上吸尘点的排风量，影响除尘效果。

      对支管Ⅴ起始端分别装设自适应模糊PID控制形式的可调孔板和常规PID控制形式的孔板，分别进行仿真模拟，压力输入设定值为1460Pa，压力波动干扰采用阶跃响应，终值设置为400Pa，仿真框图如图8所示。从图7和图8中可看出采用常规PID控制，系统超调量大，系统震荡严重，且调节不及时。而采用自适应模糊PID控制其控制调节性能明显优于常规PID控制，自适应模糊PID控制系统响应及时，超调量小，系统稳定性良好，故可调孔板采用自适应模糊PID控制形式，可以及时、准确实现调节，保证系统阻力和风量动态稳定和平衡。

5 结论

      1）确定了除尘系统用定风量阀阀体结构，主要由孔板和圆锥台阀芯组成，经实验和CFD模拟证明了其阀体局部阻力系数与阀芯位移满足线性关系y=76.915x+12.518，与管道内流体风速无关。

      2）当除尘系统风速为19m/s时，孔板压损范围为2770～4377Pa，则其可调节压力波动绝对值范围为0～1607Pa，调压范围较大，即可调孔板调节性远胜于一般孔板。

      3）通过Simulink仿真，可调孔板采用自适应模糊PID控制形式，对阀体阀芯进行自动调节控制，且除尘系统采用以管网压力-可调孔板阀芯为对象的控制系统，可消除管网压力波动引起的阻力失调和风量不稳定问题，从而动态地保证系统风量稳定和平衡。

参考文献

      [1] Huang S, Ma T, Wang D, et al. Study on discharge coefficient of perforated orifices as a new kind of flowmeter. Experimental Thermal and Fluid Science, 2013, 46 :74-83.
      [2] S.F Huang, T Ma, Wang D. Discharge coefficient analysis of perforated orifices plates.in:19th Int.Conf.Nucl.Eng.(ICONE19) China,Japan,Paper-43330,2011
      [3] Guo B Y, Hou Q F, Yu A B, et al. Numerical modelling of the gas flow through perforated plates. Chemical Engineering Research and Design, 2013, 91 :403-408.
      [4] Tom Plikas,Jennifer Woloshyn,Dale Johnson. Application of CFD Modeling to the Design of Fume Control Systems in the Steel Industry[J].Iron & Steel Technology 2007,11(11).
      [5] 张雨玲,姚加飞.变风量空调系统的模糊PID控制策略仿真研究[J].煤炭技术,2010,(10):34-35+44.

      备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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