CN109719107A

CN109719107A - 一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法

Info

Publication number: CN109719107A
Application number: CN201910089534.9A
Authority: CN
Inventors: 党小庆; 李世杰; 于欣; 黄准
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109719107B

Abstract

本发明提供了一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法，步骤一：收集有机废气之前，确定有机废气收集系统所有的工作模式；步骤二：确定有机废气收集系统不同工作模式下总风量控制参数；步骤三：数值模拟法确定有机废气收集系统不同工作模式下各支路调节阀的阀门开度；步骤四：将步骤二和步骤三确定的参数编写到PLC控制系统中，利用PLC控制系统调节变频风机频率和调节阀的阀门开度，然后对有机废气进行收集。本发明的方法，提前确定有机废气收集系统的工作模式并计算所需的阀门开度和变频风机频率，然后在不同工作模式下利用PLC控制系统同时调节有机废气收集系统的变频风机频率和支路阀门开度，有效的减少有机废气收集系统运行能耗。

Description

一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法

技术领域

本发明属于环境保护领域，具体涉及一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法。

背景技术

挥发性有机化合物(简称VOCs)是臭氧和二次有机气溶胶的关键前体物质，对大气环境有较大不利影响。同时，大气环境中或生产车间VOCs浓度超过一定限值后还会对人体健康造成危害。2018年下发的关于《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的通知，明确提出对工业VOCs实行总量控制要求。

当前VOCs治理最有效的技术手段仍然是末端治理。在末端治理过程中，若要达到总量控制的要求，首先需要提高VOCs的收集效率，减少无组织排放。现阶段废气收集系统中的阻力不平衡问题会直接导致各支路风量无法达到设计要求，降低VOCs的收集效率。

许多VOCs排放企业往往有多条生产线，共用一套废气收集系统，但各条生产线并一定同时生产，存在各种不同的工作模式。而不同模式对应需要不同的风量。目前大多企业使用恒频风机，即风机开启后风量恒定，无法根据不同工作模式而做必要的调整。这样势必会造成不必要的电量消耗，同时还可能使得部分支路风量过大而造成局部管件损耗。

针对不同工作模式下VOCs废气收集系统中每一支路具有确定收集风量的特征，各支路必须进行阻力平衡计算，使得实际运行过程中支路管道的阻力与初始设计要求保持一致，各支路风量偏差小于1％。针对不同工作模式下收集系统总风量不同的特征，系统所使用的引风机应为变频风机，并根据实际所需风量来调整电机频率，从而保证实际风机风量与不同模式下需要的收集风量一致。不同工作模式下需要有确定的总风量以及与之相对应的支路风量，利用PLC控制系统同时对电机频率和阀门开度进行调节，从而达到收集系统风量控制和收集系统各工作支路阻力平衡的目的。

现有技术提供了一种基于数值模拟的通风管道烟气净化系统，通过调节管道管径或增加节流管，调节风量不平衡率。现有技术还提供了一种用于除尘管道的动态平衡变风量调节装置，安装于除尘管道上实现动态变风量调节。以上发明或实用新型主要适用于除尘净化系统，且在实际操作上存在一定困难。最主要的是以上方法未考虑不同的工作情景模式，没有加设PLC控制系统，无法实现准确的快速调节系统风量平衡。

现有技术公开了一种制药行业废气收集控制装置，利用感应装置和PLC控制系统实现制药行业废气收集装置的自动控制。主要是根据是否有废气收集需求来控制风阀开合，其废气收集系统只涉及工作和不工作两种情景模式。而实际上很多企业同一废气收集系统往往对应多种工作情景模式，只涉及工作和不工作两种情景模式是不够用的。

发明内容

针对上述现有技术的不足与缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法，解决现有技术中废气收集方法能耗偏高的问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：确定有机废气收集系统所有的工作模式，所述的工作模式为，每个支路的工作模式只有开启与关闭两种；

步骤二：确定有机废气收集系统不同工作模式下总风量控制参数，所述的总风量控制参数包括设计风量、变频风机风量、电机频率和电机的输入功率；

步骤三：数值模拟法确定有机废气收集系统不同工作模式下各支路调节阀的阀门开度；

步骤3.1：根据有机废气收集系统结构确定各支路管道调节阀结构；根据调节阀安装要求，在支路的距主风管与支路交接口某个距离确定调节阀的布置位置，设定调节阀阀门开度为90°时表示全开，阀门开度为0°时表示全关；

步骤3.2：选取有机废气收集系统的某一工作模式，通过数值模拟方法确定各支路调节阀的阀门开度，使得在此工作模式下支路风量达到设计风量要求；

步骤3.3：调节有机废气收集系统其余的工作模式下的各支路调节阀阀门开度的方法同步骤3.2；

步骤四：将步骤二和步骤三确定的参数编写到PLC控制系统中，利用PLC控制系统同时调节有机废气收集系统的变频风机频率和调节阀的阀门开度，对不同工作模式下的有机废气进行收集。

步骤一中所述的有机废气收集系统包括主风管和若干支路，每个支路上包括一个调节阀，每个调节阀还连接有调节阀执行器，支路分别与主风管相连通，每个支路上连接有若干集气罩，集气罩分别与支路相连通；

所述的主风管上还连接有变频风机，变频风机与电机连接，所述的电机上还连接有变频器；

所述的有机废气收集系统还包括PLC控制系统，所述的PLC控制系统分别与变频器和调节阀执行器相连接。

步骤3.2具体包括如下步骤：

步骤3.2.1：有机废气收集系统工作支路初始阀门开度为90°，未工作支路的调节阀初始阀门开度为0°，根据选定的工作模式、调节阀尺寸和参数进行几何建模并生成计算网格；

步骤3.2.2：读入已经建立好的网格文件，设定边界条件，集气罩进口边界条件设定为压力进口边界条件，主风管出口边界条件采用压力出口边界条件，其余的管壁及调节阀叶片边界条件采用固体壁面的边界条件；在计算机上计算求解控制方程，根据计算流体力学的原理，控制方程有连续性方程、动量守恒方程；

步骤3.2.3：边界条件设定好后，选择计算模型，所述的计算模型包括湍流模型、数值格式和离散格式，湍流模型选择标准k-e模型，数值格式选择数值格式分离式，离散格式选用二阶格式；

步骤3.2.4：根据此工作模式下的设计风量参数进行计算求解，通过求解，可以获得定量描述此工作模式下有机废气收集系统管道内部流场的数值解，并保存各支路的风量结果数据；

步骤3.2.5：检验各工作支路管道风量是否达到设计风量要求，对有机废气收集系统管道来说，当各工作支路模拟风量与设计风量之间的偏差小于1％时，认为达到设计风量要求，如果模拟风量未达到设计风量的要求，进行步骤3.2.6；

步骤3.2.6：调整模拟风量大于设计风量的支路阀门开度具体过程如下：将调节阀阀门开度减小2°，重新构建调节阀的物理模型，并划分网格；其他边界条件和求解参数保持不变；然后检验各工作支路管道风量是否达到设计风量要求，并保存阀门开度数据和此支路的模拟风量结果数据；

若风量仍不满足要求，则重复步骤3.2.5和步骤3.2.6，直到模拟的此支路的风量达到原设计风量的要求；并保存当支路模拟风量达到设计风量时阀门开度数据和此支路的风量结果数据。本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本发明中的有机废气收集方法，提前确定有机废气收集系统的工作模式并计算所需的阀门开度和变频风机频率，然后在不同工作模式下利用PLC控制系统同时调节有机废气收集系统的变频风机频率和支路阀门开度，实现不同工作模式下有机废气收集系统运行参数的精准控制，有效的减少有机废气收集系统运行能耗。

(Ⅱ)本发明中的有机废气收集方法，利用数值模拟实验，通过调节阀门开度使各支路阻力达到平衡，保证不同工作模式下各支路风量达到设计风量，提高废气收集效率，并减少局部管件的损耗。

附图说明

图1是本发明主风管与支路结构示意图。

图2是有机废气收集系统PLC控制系统示意图。

图3是有机废气收集系统模式1的内部流场模拟图。

图4是有机废气收集系统模式2的内部流场模拟图。

图5是有机废气收集系统模式3的内部流场模拟图。

图6是有机废气收集系统模式4的内部流场模拟图。

图7是有机废气收集系统模式5的内部流场模拟图。

图8是有机废气收集系统模式6的内部流场模拟图。

图9是有机废气收集系统模式7的内部流场模拟图。

图中各个标号的含义为：1-有机废气收集系统，2-主风管，3-支路，4-调节阀，5-调节阀执行器，6-集气罩，7-变频风机，8-电机，9-变频器，10-PLC控制系统；

301-第一支路，302-第二支路，303-第三支路。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

遵从上述技术方案，本实施例给出一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法，该方法包括有机废气收集系统1，有机废气收集系统1包括主风管2、第一支路301、第二支路302和第三支路303，第一支路301、第二支路302和第三支路303上分别包括一个调节阀4，每个调节阀4还连接有调节阀执行器5，第一支路301、第二支路302和第三支路303分别与主风管2相连通，第一支路301、第二支路302和第三支路303上分别连接有若干集气罩6，集气罩6分别与第一支路301、第二支路302和第三支路303相连通；

主风管2上还连接有变频风机7，变频风机7与电机8连接，电机8上还连接有变频器9；

有机废气收集系统还包括PLC控制系统10，PLC控制系统分别与变频器9和调节阀执行器5相连接。

该方法具体包括以下步骤：

步骤一：确定有机废气收集系统的工作模式；

本实施例中的有机废气收集系统共有七种工作状态，如表1所示：

表1有机废气收集系统各工作模式表

步骤二：确定有机废气收集系统各工作模式下总风量控制参数；

本实施例中各工作模式下总风量控制参数如表2所示：

表2有机废气收集系统各工作模式风量控制参数表

在不同工作模式下的系统总风量可以根据有机废气收集系统设计手册确定，所使用的风机为变频风机，传动方式为皮带传动。利用变频器调整电机工作频率改变电机转速，从而改变风机的转速，进而调节风机的风量。由理论可知，风机风量与风机功率成正相关，而风机功率与电机功率成正相关，电机功率与电机频率成正相关，则电机频率与风机风量成正相关。

在所有支路全部工作状态下，风机风量最大，达到全负荷运行状态。风机全负荷运行时电机频率为50Hz，则其他工作模式下的电机频率根据实际情况确定。

假定风机满负荷运行时的风量为Q₀，对应输入功率为P₀，每种工作模式下的工作时间均为t，在不调频的情况下，系统总能耗W₀＝nP₀t。针对不同工作模式进行调频后，n种工作模式的总能耗W₁＝ΣP_it(i＝1，2，……n)，显然，P_i≤P₀，故ΣP_i＜nP₀，则W₁＜W₀。在每种工作模式下均运行时间t后，系统节能W＝W₀-W₁。

步骤三：数值模拟法确定有机废气收集系统不同工作模式下各支路阀门开度；具体包括以下步骤：

步骤3.1：根据有机废气收集系统结构确定各支路管道调节阀结构；本实施例中所用阀门为三片式矩形蝶阀，每片宽250mm，高70mm；本实施例中有3条支路和1条总管，支路管道尺寸为250mm×200mm，总管尺寸为250mm×500mm；根据调节阀安装要求，在支路上距主风管与支路交接口1m处布置调节阀，设定调节阀阀门开度为90°时表示全开，阀门开度为0°时表示全关；

步骤3.2：选取有机废气收集系统的某一工作模式，以模式7为例，通过数值模拟方法确定各支路调节阀的阀门开度，使得在此工作模式下支路风量达到设计风量要求；支路301设计风量2.003m³/s，支路302设计风量1.496m³/s，支路303设计风量1.496m³/s；

步骤3.3：有机废气收集系统其余的工作模式下的各支路调节阀阀门开度的方法同步骤3.2。

步骤3.2具体包括如下步骤：

步骤3.2.1：有机废气收集系统工作支路初始阀门开度为90°，未工作支路初始阀门开度为0°，根据调节阀尺寸和参数进行几何建模并生成计算网格，网格数为403289；

步骤3.2.2：启动计算流体力学软件，读入已经建立好的网格文件，在软件中设定边界条件，集气罩进口边界条件设定为压力进口边界条件，主风管出口边界条件采用压力出口边界条件，其余的管壁及调节阀叶片边界条件采用固体壁面的边界条件；采用编程或计算流体力学的软件，在计算机上计算求解控制方程，根据计算流体力学的原理，控制方程有连续性方程、动量守恒方程等；

步骤3.2.3：边界条件设定好后，选择计算模型，计算模型包括湍流模型、数值格式和离散格式，湍流模型选择标准k-e模型，数值格式选择数值格式分离式，离散格式选用二阶格式；

步骤3.2.4：根据此工作模式下的设计风量参数进行计算求解，通过求解，可以获得定量描述此工作模式下有机废气收集系统管道内部流场的数值解，并保存各支路的风量结果数据；支路303模拟风量为2.122m³/s，支路302模拟风量为1.544m³/s，支路301模拟风量为1.334m³/s；

步骤3.2.5：检验各工作支路管道风量是否达到设计风量要求，对有机废气收集系统管道来说，当各工作支路模拟风量与设计风量之间的偏差小于1％时，认为达到设计风量要求，如果模拟风量未达到设计风量的要求，进行步骤3.2.6；三条支路阀门开度均为90°时，支路303风量偏差为41.81％，支路302风量偏差为3.20％，支路301风量偏差为-33.42％，先调节支路303的阀门开度；

步骤3.2.6：调整模拟风量大于设计风量的支路阀门开度具体过程如下：将调节阀阀门开度减小2°，重新构建调节阀的物理模型，并划分网格；其他边界条件和求解参数保持不变；并通过Fluent软件对收集系统进行风量模拟，并保存阀门开度数据和此支路的风量结果数据。支路303阀门调为88°时风量偏差为37.22％，风量依然较大，需继续减少阀门开度。当支路303阀门开度调为52°时，风量偏差为0，满足小于1％的要求。此时支路302风量偏差为23.32％，支路301风量偏差为-17.21％，需继续调节支路302阀门开度。当支路302阀门开度从90°调为52°时，支路301、302、303的风量偏差分别为0.15％、-0.09％、0.14％，三条支路的风量偏差均满足小于1％的要求。至此，工作模式7下各支路的阀门开度调节完毕，保存三条支路模拟风量达到设计风量时的阀门开度数据。其他工作模式下的阀门开度调节方法与上述过程相同。

有机废气收集系统各工作模式阀门开度和风机负荷参数如表3所示：

表3有机废气收集系统各工作模式阀门开度和风量控制参数表

工作模式	支路1阀门开度	支路2阀门开度	支路3阀门开度	风机负荷
					模式1	90°	0°	0°	40％
模式2	0°	90°	0°	30％
					模式3	0°	0°	90°	30％
模式4	90°	60	0°	70％
					模式5	90°	0°	60°	70％
模式6	0°	90°	72°	60％
					模式7	90°	60°	52°	100％

将有机废气收集系统不同工作模式下各支路达到设计风量时的阀门开度参数和电机频率参数数据，即表2、3中的数据编写到PLC控制系统中，实现PLC控制系统对有机废气收集系统不同工作模式下各支路达到设计风量时的阀门开度和电机频率的同时控制。从而保证不同工作模式下收集系统总风量和各支路风量同时达到设计要求，实现提高废气收集效率，降低能耗，节约企业运行成本的目的。

以模式7为例进行说明，其他模式控制过程与此相同。模式7为支路301、支路302和支路303三条支路同时开启，当废气收集控制系统工作后，利用PLC控制系统9通过调节阀执行器5调节各支路的阀门开度，其中支路303为52°，支路302为60°，支路301为90°。同时，利用PLC控制系统9通过变频器8调节电机频率为50Hz，使得变频风机7的风量为18000m3/h。

假设每年每种模式下有机废气收集系统均工作350h，若不进行总风量的调节，则7种模式耗能为W₀＝7×350×30＝73500kw·h。

进行风量调节后，每种工作模式下对应确定的输入功率，系统耗能为W₁＝(12.6+9.6+9.6+20.6+20.6+18.6+30)×350＝42560kw·h。则收集系统每年节省能耗W＝73500-42560＝30940kw·h。

Claims

1.一种适用于不同工作模式的有机废气收集方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤二：确定有机废气收集系统不同工作模式下总风量控制参数；

所述的总风量控制参数包括设计风量、变频风机风量、电机频率和电机的输入功率；

2.如权利要求1所述的适用于不同工作模式的有机废气收集方法，其特征在于，步骤一中所述的有机废气收集系统(1)包括主风管(2)和若干支路(3)，每个支路(3)上包括一个调节阀(4)，每个调节阀(4)还连接有调节阀执行器(5)，支路(3)分别与主风管(2)相连通，每个支路(3)上连接有若干集气罩(6)，集气罩(6)分别与支路(3)相连通；

所述的主风管(2)上还连接有变频风机(7)，变频风机(7)与电机(8)连接，所述的电机(8)上还连接有变频器(9)；

所述的有机废气收集系统还包括PLC控制系统(10)，所述的PLC控制系统分别与变频器(9)和调节阀执行器(5)相连接。

3.如权利要求1所述的适用于不同工作模式的有机废气收集方法，其特征在于，步骤3.2具体包括如下步骤：

步骤3.2.4：根据此工作模式下的设计风量参数进行计算求解，通过求解，获得定量描述此工作模式下有机废气收集系统管道内部流场的数值解，并保存各支路的风量结果数据；

步骤3.2.6：调整模拟风量大于设计风量的支路阀门开度具体过程如下：将调节阀阀门开度减小2°，重新构建调节阀的物理模型，并划分网格；边界条件和求解参数保持不变，然后检验各工作支路管道风量是否达到设计风量要求，并保存阀门开度数据和此支路的模拟风量结果数据；

若风量仍不满足要求，则重复步骤3.2.5和步骤3.2.6，直到模拟的此支路的风量达到原设计风量的要求；并保存当支路模拟风量达到设计风量时阀门开度数据和此支路的风量结果数据。