高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置控制系統(tǒng)研究

李殿文 紀(jì)秀 王暉 白東平 王佳寧

摘? 要：高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置的應(yīng)用既解決了清潔能源消納的問(wèn)題，又對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰有很大幫助。鑒于此，設(shè)計(jì)了一款高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置，明確了加熱階段、蓄熱階段、放熱階段的工作過(guò)程，闡述了蓄熱原理，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID溫度控制器，通過(guò)模糊控制對(duì)PID調(diào)節(jié)器的kp、ki、kd參數(shù)進(jìn)行整定，不斷修正調(diào)節(jié)過(guò)程，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，使溫度控制系統(tǒng)更加智能化。

關(guān)鍵詞：相變;固態(tài)儲(chǔ)熱裝置;模糊自適應(yīng)PID;魯棒性

0? ? 引言

隨著國(guó)家新能源戰(zhàn)略的提出，蓄熱式電鍋爐得到飛速發(fā)展，尤其是在我國(guó)北方地區(qū)，固態(tài)蓄熱式電鍋爐已得到廣泛應(yīng)用。電鍋爐采取電加熱管組逐級(jí)投切方式，很好地解決了清潔能源消納的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰也有很大幫助[1]。

蓄熱式電鍋爐其主要工作原理是把電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)于蓄熱體內(nèi)，在需要時(shí)再利用熱交換釋放熱能。蓄熱式電鍋爐的工作過(guò)程可以分為加熱階段、蓄熱階段、放熱階段，其中蓄熱階段決定了蓄熱式電鍋爐的供熱效率[2]。

本文提出了一種更高效的可智能操控的蓄熱式電鍋爐，在已有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，增設(shè)控制單元，通過(guò)模糊PID控制方式，不斷對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可根據(jù)當(dāng)前室外溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)功率與增壓水泵功率調(diào)節(jié)出水溫度和回水溫度，進(jìn)而智能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。蓄熱式電鍋爐終端可以接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以通過(guò)手機(jī)隨時(shí)監(jiān)察與調(diào)控其運(yùn)行狀態(tài)。

1? ? 相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置建立

固態(tài)蓄熱式電鍋爐分為加熱部分、蓄熱部分、換熱部分、供熱部分和控制單元，共5個(gè)部分，如圖1所示，主要應(yīng)用到的元件有相變儲(chǔ)熱磚、離心風(fēng)機(jī)、變頻器、干燒管、換熱器、增壓水泵、散熱器、石棉，高鋁防火板等。

1.1? ? 工作原理

整個(gè)高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置是通過(guò)對(duì)相變復(fù)合蓄熱材料進(jìn)行加熱，使相變復(fù)合材料隨溫度的變化產(chǎn)生相變，吸收加熱管產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)蓄熱的目的，再通過(guò)變頻離心風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣流動(dòng)，被加熱的空氣經(jīng)蓄熱磚空隙流進(jìn)換熱器，在換熱器內(nèi)通過(guò)空氣流動(dòng)把熱量換給水，冷卻后的空氣被離心風(fēng)機(jī)重新吸收，用于下一次循環(huán)。被加熱的水在增壓水泵的帶動(dòng)下流經(jīng)散熱器把熱量換給外界空氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界供暖的目的。新型蓄熱式電鍋爐可以根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)供熱溫度[3]。

通過(guò)調(diào)節(jié)自適應(yīng)變頻離心風(fēng)機(jī)的功率來(lái)調(diào)節(jié)電鍋爐內(nèi)部換熱速度，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的功率來(lái)調(diào)節(jié)高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置放熱效率，通過(guò)控制進(jìn)水溫度和回水溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。

1.2? ? 加熱部分

加熱部分主要由干燒管構(gòu)成，干燒管內(nèi)部裝有耐高溫的電加熱絲，空隙填充導(dǎo)熱性能好、絕緣性能好的氧化鎂填充物。每根干燒管1 kW，采用長(zhǎng)度為1 m的U型管，加熱管的壁厚都是0.8 mm，彎曲半徑R>2.5倍管徑，采用碳鋼材質(zhì)，耐高溫1 200 ℃。為適應(yīng)不同的用戶需求，每三根干燒管為一組，可根據(jù)用戶需求自行組合改變加熱功率。

加熱部分主要作用就是對(duì)蓄熱材料進(jìn)行加熱，使蓄熱材料在高溫下產(chǎn)生相變，吸收大量熱量，存儲(chǔ)起來(lái)，在需要時(shí)通過(guò)相變?cè)籴尫艧崃俊?/p>

1.3? ? 蓄熱部分

蓄熱部分是整個(gè)高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置供暖效率的關(guān)鍵，我們選用的蓄熱材料是復(fù)合相變材料，主要成分是氧化鎂、三氧化二鋁等化合物，具體參數(shù)如表1所示。

傳統(tǒng)的顯熱蓄熱材料吸收熱量和釋放熱量的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，顯熱材料普遍是直接接觸式換熱，效率低。因此，顯熱材料熱量不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存，放熱過(guò)程不能恒溫，蓄熱密度小，導(dǎo)致蓄熱效率低[4]。

固體相變蓄熱材料在對(duì)熱量進(jìn)行吸收和釋放時(shí)，利用材料本身在溫度變化下產(chǎn)生的相變過(guò)程，伴隨能量的變化。與傳統(tǒng)的顯熱蓄熱材料相比相變蓄熱材料蓄熱密度高，能通過(guò)相變?cè)诤銣叵路懦龃罅繜崃?。雖然氣—液、氣—固轉(zhuǎn)變的相變潛熱值比液—固、固—固轉(zhuǎn)變時(shí)潛熱值大，但是根據(jù)實(shí)際需求，選用固—固這種類型。蓄熱磚的排列方式如圖1所示，每?jī)膳判顭岽u夾一根干燒管，整個(gè)蓄熱體由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

1.4? ? 換熱部分和供熱部分

換熱部分負(fù)責(zé)使蓄熱材料相變釋放能量，通過(guò)空氣循環(huán)把熱量帶到換熱器內(nèi)，熱空氣與換熱器壁充分接觸，最終把熱量換給換熱器內(nèi)的水，實(shí)現(xiàn)換熱。被加熱的水在水泵的帶動(dòng)下流過(guò)散熱器，散熱器把熱量再次換給外界，失去熱量的水再流回?fù)Q熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部的供熱。

供熱部分：換熱器內(nèi)被加熱水在增壓水泵的帶動(dòng)下流經(jīng)散熱器，對(duì)外部供熱。這里可以通過(guò)控制增壓水泵的功率，控制水流速度，進(jìn)而可以控制進(jìn)水溫度和出水溫度，達(dá)到智能供熱的目的。

1.5? ? 控制單元

控制單元分為供電、控制和通信三個(gè)部分，各部分之間關(guān)系如圖2所示。供電部分實(shí)現(xiàn)對(duì)干燒管、增壓水泵、風(fēng)機(jī)和傳感器等部分的供電。通信部分應(yīng)用了Wi-Fi通信模塊，在與用戶同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶就可以下載調(diào)試軟件，通過(guò)調(diào)試軟件進(jìn)行對(duì)高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)置。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行數(shù)字化，提高系統(tǒng)安全性，這里的通信部分把鍋爐當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)上傳到上位機(jī)管控平臺(tái)，供用戶參考，當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)主要有爐膛溫度TK、室溫TP、進(jìn)水溫度T1、回水溫度T2、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速P1、水流速度P2等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的必要參數(shù)。用戶可以根據(jù)自己的不同需求自行設(shè)定蓄熱時(shí)間、加熱時(shí)長(zhǎng)、供暖時(shí)間段、供暖溫度。在離線模式下，鍋爐控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)外界的溫度變化調(diào)整自身運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)外界溫度實(shí)際值低于預(yù)設(shè)值時(shí)，增加離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高出水溫度，增加放熱;當(dāng)外界溫度實(shí)際值高于預(yù)設(shè)值時(shí)，減小離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低出水溫度，減少放熱，從而更加智能化地服務(wù)用戶。

2? ? 模糊自適應(yīng)PID溫度控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制較傳統(tǒng)的控制方式相比，魯棒性好，能夠較大范圍地適應(yīng)參數(shù)變化，不需要精確的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，與常規(guī)PID控制相比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良。PID控制規(guī)律：

式中：kp為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。

把模糊控制與PID調(diào)節(jié)相結(jié)合，形成模糊自適應(yīng)PID控制，自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需求，不斷改變控制策略，其最終目的，是把要控制的參數(shù)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。因此，在實(shí)踐中PID算法仍被廣泛應(yīng)用[5]。

如圖3所示，控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，需要通過(guò)模糊控制的原理對(duì)kp、ki、kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷修正，以適應(yīng)e和ec的變化，主要的目的是建立e和ec與kp、ki、kd三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。主要起到調(diào)節(jié)作用的仍然是PID調(diào)節(jié)器，但與以往不同的是，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)是實(shí)時(shí)修正的，能使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能[6]。

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和精度等各方面來(lái)考慮，kp、ki、kd的作用如下：

（1）比例系數(shù)kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，其取值的大小決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，過(guò)大、過(guò)小都會(huì)對(duì)系統(tǒng)有一定的負(fù)面影響，所以kp參數(shù)調(diào)整要有一定的范圍限制，才可以既不產(chǎn)生超調(diào)，也不降低調(diào)節(jié)精度。

（2）積分作用系數(shù)ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，主要是對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度有一定的影響，如果設(shè)置ki參數(shù)過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象;如果設(shè)置ki參數(shù)過(guò)小，則難以消除靜態(tài)誤差。

（3）微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，kd過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。

3? ? Matlab仿真實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨時(shí)間的變化誤差在逐漸減小，與傳統(tǒng)的PID控制方式相比，誤差減小到趨于穩(wěn)定的時(shí)間較短。如圖5所示，從模糊PID控制階躍響應(yīng)的速度來(lái)看，與傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行比較，響應(yīng)速度更快，效果更穩(wěn)定。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料種類的逐漸豐富，為蓄熱式電鍋爐的發(fā)展提供了必要條件。通過(guò)相變的過(guò)程伴隨能量的變化，從而實(shí)現(xiàn)相變復(fù)合材料的儲(chǔ)熱、放熱，提高了儲(chǔ)熱能力，減少了能源的浪費(fèi)，為清潔能源消納做出了貢獻(xiàn)。高溫相變式固態(tài)儲(chǔ)熱裝置應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)方式，通過(guò)模糊控制對(duì)PID調(diào)節(jié)器的kp、ki、kd參數(shù)進(jìn)行不斷整定，使系統(tǒng)響應(yīng)靈活，魯棒性提高。與傳統(tǒng)電鍋爐相比較，蓄熱式電鍋爐具有占地面積小、蓄熱能力強(qiáng)、保溫時(shí)間長(zhǎng)、控制靈活、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。在未來(lái)清潔能源不斷發(fā)展的背景下，相變式蓄熱電鍋爐定會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張勇勝.蓄熱電鍋爐技術(shù)及其移峰填谷效果的評(píng)價(jià)方法[J].電力需求側(cè)管理，2007，9（1）：29-31.

[2] 祁兵，何承瑜，李彬，等.基于蓄熱電鍋爐不同工作模式的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[J].現(xiàn)代電力，2019，36（6）：45-51.

[3] 王希鵬.固體材料蓄熱式電鍋爐的研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（4）：76.

[4] 房叢叢.相變蓄熱裝置的數(shù)值模擬與優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2012.

[5] 楊國(guó)強(qiáng).基于模糊自適應(yīng)控制的鍋爐溫度控制[J].輕工機(jī)械，2013，31（2）：52-55.

[6] 劉朝榮，馬立新.基于自適應(yīng)模糊PID的鍋爐主汽溫控制方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2019，42（19）：85-89.

收稿日期：2020-06-28

作者簡(jiǎn)介：李殿文（1995—），男，吉林農(nóng)安人，碩士在讀，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用。