閉式太陽集熱器檢測系統(tǒng)的流量控制

鐘毓寧，李明云，成家寶

（湖北工業(yè)大學機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

閉式太陽能集熱器的熱性能檢測，對系統(tǒng)的循環(huán)水流量的穩(wěn)定性有很高的要求。根據(jù)試驗方法（GB／T4271-2007）的要求，在太陽能集熱器檢測過程中循環(huán)水流量必須保持穩(wěn)定，流量在設定值的±1%以內(nèi)的時間必須超過15min。本文探討的是一種車載移動式太陽能集熱器檢測系統(tǒng)，整個循環(huán)系統(tǒng)是安裝在車，管徑較細、管路高高低低彎曲復雜，而且要求在溫度不同的（最高可達到70℃）多個工況下工作，為了保證流量穩(wěn)定對控制系統(tǒng)的要求很高。

本文將采用一種比較先進的控制方案，該方案利用LABVIEW軟件內(nèi)自帶的PID工具包，實現(xiàn)流量的負反饋控制。控制單相變頻器控制單相電機的轉(zhuǎn)速，把流量穩(wěn)定到標準要求的設定值± 1%以內(nèi)，并可以在流量計的測定范圍（0～0.2kg／s）內(nèi)任意設定流量。

1 閉式水循環(huán)系統(tǒng)

平板型集熱器和真空管集熱器熱性能參數(shù)的測定，按GB／T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗方法》布置。在熱性能測定過程中，循環(huán)工質(zhì)水從大水箱（250 L）流出，經(jīng)過二次加熱小水箱（18 L）進入太陽能集熱器，再從集熱器的出口流向膨脹箱，經(jīng)冷水機冷卻后返回大水箱。工質(zhì)水循環(huán)的動力由安裝在大水箱和小水箱之間的單相變頻水泵獲得，水泵后面安裝的電磁流量計可以測定水循環(huán)的流量。為了保證運行安全，循環(huán)系統(tǒng)中安裝了若干排氣閥及手動控制閥。循環(huán)水的流量采用工控機控制，利用流量計反饋的信息控制流量的穩(wěn)定。見圖1。

圖1 閉式水循環(huán)系統(tǒng)

集熱器效率等的各種參數(shù)根據(jù)進水口、出水口的溫度、太陽輻照和流量測量值計算。太陽能熱水器的熱性能要實現(xiàn)四個工況的檢測，檢測中工質(zhì)水溫可能超過75℃，在流動過程中產(chǎn)生氣泡，可能影響電磁流量計的計量，所以在水循環(huán)裝置的一些位置如大水箱的上面、小水箱旁邊以及集熱器的出水口安裝排氣閥。測定時先把大水箱注滿水，然后啟動流量水泵，沿水流方向依次開啟排氣閥，排出系統(tǒng)中的氣泡。膨脹箱和在一些安裝在重要位置上的手動調(diào)節(jié)閥，是為了保證閉式循環(huán)的安全。

2 循環(huán)水流量的控制

圖2 流量測控圖

流量的測控系統(tǒng)的由流量水泵、變頻器、研華PCI-1710模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和PCI-1730數(shù)字I／O卡，電磁流量計、研華工控機（內(nèi)部裝有LABVIEW軟件）、SM100-A HART協(xié)議轉(zhuǎn)RS232智能適配器等部件組成。其中，單相變頻水泵為循環(huán)系統(tǒng)提供動力，橫河一體型電磁流量計根據(jù)測定的流量產(chǎn)生4～20 mA的電流信號。

該信號經(jīng)過智能適配器通過串口傳送到工控機上，由帶PID功能的LABVIEW軟件對信號處理后，通過D／A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生0～10 V的電壓送入變頻器，控制變頻器的輸出頻率，用于調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速控制循環(huán)水的流量，見圖2。

3 軟件編程

安裝在PC工控機中的LABVIEW軟件采用G語言編程，自帶PID工具包，調(diào)用方便。流量信號經(jīng)過SM100-A HART協(xié)議轉(zhuǎn)RS232智能適配器通過串口協(xié)議讀取電磁流量計上的電流值，通過編程去除異常數(shù)據(jù)，再通過LABVIEW軟件自帶的PID工具包［7］把采集到的流量值接入PID的一個端口，然后把手動輸入的流量設定值M0接入另一端口。把計算得出的數(shù)字信號通過PCI-1710的D／A轉(zhuǎn)換成模擬信號控制變頻器的頻率輸出，變頻器頻率輸出的設定范圍為0～50 Hz，可以滿足多數(shù)情況水泵的性能要求。流量控制圖如圖3。

圖3 流量控制圖

圖4 采樣控制周期流程

圖5 測定開始后循環(huán)水流量的變化

所選電磁流量計的誤差小于0.25%，量程可以選定，根據(jù)太陽能熱水器測定的要求取0～0.2 kg／s（對應的輸出電流信號為4～20 m A）。循環(huán)水的流量控制效果與流量計的采樣時間有關(guān)，根據(jù)大量的試驗可知，采樣時間選定在500 ms能夠滿足控制的要求。采用多點采樣取平均值，可以消除在檢測過程中的隨機誤差和外部干擾而引起的錯誤數(shù)據(jù)。PID參數(shù)根據(jù)試驗流量和工況選擇。例如常溫下設定流量為0.02 kg／s時，比例系數(shù)Kc取10，積分系數(shù)Ti取0.01，微分系數(shù)Td取0.001。軟件編程流程如圖4。

4 效果

測定工質(zhì)流量應參照太陽能集熱器生產(chǎn)廠家的推薦值，當生產(chǎn)廠家沒有特別聲明時，通常應該選取0.02 kg／（m2s）。根據(jù)集熱器總面積選取具有代表性的幾個流量值進行試驗，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，在設定值較小的情況下循環(huán)水流量的波動比較大，但是在達到測定要求的流量后，流量的波動小于1%，調(diào)節(jié)時間越30 s左右，流量的穩(wěn)定時間都能在15 min以上（在實際檢測的過程中流量的穩(wěn)定時間甚至能在30 min以上），完全能夠滿足集熱器瞬時效率測定和壓力降落試驗、時間常數(shù)等在流量上的要求。