特定工業(yè)環(huán)境下的余熱應用研究

王成均

摘 要：本文主要針對中車貴陽公司螺桿式空壓機的余熱，設計了一套空壓機余熱智能回收控制系統(tǒng)，控制精度高，響應時間快，節(jié)能效果顯著。采用PLC為核心設計硬件和軟件，通過對進出水溫、進出油溫的監(jiān)測，結合PID調節(jié)控制調節(jié)閥開度，將高溫熱油的能量通過換熱器提升水的溫度，實現(xiàn)對出水溫度或出油溫度的精確控制。

本文對產(chǎn)水量及節(jié)能情況進行了全面的分析對比，并已將此控制系統(tǒng)制作成實物應用于工業(yè)螺桿式空壓機的余熱回收，實際測試表明，系統(tǒng)超調量小，上升時間快，且控制方便，可用余熱回收效率高達80%，既能回收余熱也能及時準確有效的對空壓機進行冷卻。

本系統(tǒng)設計實用性強，熱回收效率高、融合智能控制等特點，具有較高的推廣價值。

關鍵詞：余熱回收;PID控制;PLC;人機界面;溫度控制;模擬量控制

1 系統(tǒng)總體設計及要求

1.1現(xiàn)實需求

在空壓機的工作過程中，輸入電能的80%轉化成熱能，剩余20%轉化為壓縮空氣能。壓縮機在工作過程中所消耗電能轉變成熱量后，大部分被壓縮后的油氣混合物帶走。分別在各自的冷卻器中被冷卻介質帶走，熱量白白地浪費了。從理論上講，除了2%的輻射熱量不能回收外，幾乎98%的熱量均可以被回收利用。

對于風冷式噴油螺桿壓縮機，大約72%的能源消耗在熱油回路，熱能回收裝置正是為了在對壓縮機性能不產(chǎn)生任何負面影響的前提下，以熱水或溫水的形式回收以上絕大部分的熱能，回收率可達實際輸入軸功率的70%左右。

公司現(xiàn)有16臺空壓機，白班開機量為6臺，夜班開機量為一到兩臺，一臺空壓機每天平均運行時間為8小時。英格索蘭空壓機單耗最小，開機時間最多，因此對英格索蘭空壓機進行余熱回收升級設計?？諌簷C配置情況見表1.1

根據(jù)統(tǒng)計，2016年1-5月份公司浴室的月均用水量為1920.4噸，總用電量257434度，每月按20天計算，每天的用水量96.02噸/天，每噸水消耗電量為26.8度/噸（主要采用空氣源熱源泵加熱）。

1.2控制系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)結構框圖是系統(tǒng)產(chǎn)品化的基礎，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開發(fā)，是在對系統(tǒng)功能、技術指標、性價比、元器件的可購性等因素進行可行性分析的基礎上，對多個方案比較權衡后確定。本系統(tǒng)采用的單閉環(huán)負反饋式控制系統(tǒng)，其控制框圖參考圖1.2所示。

1.3系統(tǒng)總體設計方案

本文所設計的是基于PLC的余熱回收控制系統(tǒng)，其目的是利用控制系統(tǒng)對空壓機高溫油的熱量回收，通過熱交換器對水加熱后經(jīng)過循環(huán)水管輸送至浴室水箱，水的溫度控制范圍在室溫0到100攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士0.1℃，在控制水溫的同時要求空壓機冷卻液溫度下降不低于60℃。系統(tǒng)的總體設計技術參數(shù)如表1.3所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

空壓機余熱回收系統(tǒng)的構架主要包括控制模塊和換熱模塊的設計?？刂颇K主要包括控制電路的設計、主要硬件的選型和控制箱體設計.

2.1系統(tǒng)硬件總體結構

系統(tǒng)硬件總體結構包括PLC模塊、EM235模塊、人機界面模塊、測量模塊、執(zhí)行機構、電源模塊電路等。硬件總體結構框圖如圖2.1所示。

系統(tǒng)設置人機界面和按鈕并行控制，按鈕設置啟動、停止和復位，人機界面設置在具有按鈕功能的同時，增加顯示監(jiān)控，負責溫度數(shù)據(jù)的設置，時間的修改，密碼設置和PID參數(shù)修改等功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

本余熱回收控制系統(tǒng)帶PID負反饋功能，采用在線程方式，并根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境對PID參數(shù)做整定。

3.1 主程序模塊

主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對設定溫度值的初始化、PID參數(shù)初始化、可視界面初始化、密碼初始化等。程序實時監(jiān)測進出水和進出油的溫度值并在人機界面上顯示，若選擇全自動控制，當空壓機開機后，油溫大于80℃時，系統(tǒng)將自動開啟空壓機余熱回收，調用PID模塊計算實測溫度與對應的出油溫度或出水溫度的偏差，最終計算出對應輸出信號傳輸至執(zhí)行器;若選擇半自動控制，則需要手動啟動余熱回收控制系統(tǒng)，當進油溫度達到預設值時，啟動余熱回收，計算相應的PID輸出。主程序模塊的程序流程圖如圖3.1所示.

3.2? PID控制方案模塊

在控制系統(tǒng)設計中，控制方案是靈魂，直接影響控制效果的好壞，本文在控制方案上主要介紹了PID控制和模糊PID控制。

（1）模擬PID控制系統(tǒng)組成

（2）模擬PID調節(jié)器的的參數(shù)整定

PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它將給定值r（t）與實際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。經(jīng)過現(xiàn)場PID參數(shù)整定，采樣時間為1秒，得出較為準確的比例P=-2.75、積分時間TI=3.22、微分時間TD=0。

4 綜合效益分析

4.1測試記錄

整個余熱回收系統(tǒng)安裝調試完成后，開始投入空壓機余熱回收使用，效果顯著，回收效率較高，測試記錄如表4.1.1和表4.1.2所示。

4.2熱值計算

水的比熱容：4.2×10? J/（kg℃），計算公式 Q=c×m×△t ，Q表示熱量 c表示比熱容 m表示質量 △t表示變化的溫度

通過分析，此系統(tǒng)在循環(huán)和直熱狀態(tài)下，只要保證油溫下降梯度不變，其回收的能量基本一致，詳細如表4.2所示，從表中可看出兩種模式下每小時節(jié)約電能都約為123度。

4.3效益分析

本空壓機余熱回收系統(tǒng)在循環(huán)加熱和直熱的狀態(tài)下，對空壓機的熱回收效率大于60%（空壓機功率200kW·h，熱回收約123kW·h，對熱油回收效率達80%）

空壓機按每天工作6小時計算，每年按250天工作日計算，每度電按0.81元計算，結合測試數(shù)據(jù)綜合分析如表4.3所示。

經(jīng)過測試分析：5臺余熱回收系統(tǒng)每年可為公司浴室節(jié)約43.5萬元。

結? ? 論

工業(yè)余熱的回收和利用是提高能源利用率和環(huán)境保護的有效途徑，同時也能降低企業(yè)成本。本系統(tǒng)通過對中車貴陽公司空壓機運行現(xiàn)狀分析，設計一套余熱回收系統(tǒng)，將空壓機余熱轉化為高溫水供公司浴室使用，不僅達到節(jié)約能的目的還能優(yōu)化空壓機的運行工況。將該系統(tǒng)運用于實際現(xiàn)場，效果顯著，熱油能量回收效率達80%，實際情況表明本控制系統(tǒng)控制精度高、響應時間快、穩(wěn)定性好，年節(jié)約費用可觀，成本回收周期短。

參 考 文 獻：

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