呂　科， 俞鐵銘， 趙志惠， 向　陽（.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州30030；.浙江華東機(jī)電工程有限公司，浙江杭州30030）

可移動(dòng)式相變蓄熱裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂科1， 俞鐵銘1， 趙志惠2， 向陽1
（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.浙江華東機(jī)電工程有限公司，浙江杭州310030）

通過分析可移動(dòng)式相變蓄能供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定了可移動(dòng)式相變蓄能供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原則。本文設(shè)計(jì)了PLC電控柜，通過采集系統(tǒng)不同位置的測(cè)點(diǎn)信號(hào)，控制相應(yīng)的電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)蓄能、運(yùn)輸、供熱三個(gè)階段的自動(dòng)控制流程，從而提高工作效率，提高產(chǎn)品品質(zhì)，并能簡(jiǎn)化操作。

蓄熱； 控制系統(tǒng)； 供熱

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.015

0　引言

傳統(tǒng)的集中式供暖系統(tǒng)采用大容量設(shè)備、集中生產(chǎn)，然后通過大熱網(wǎng)將熱量輸送給較大范圍內(nèi)的眾多用戶，存在管網(wǎng)熱損失、管路輸送能耗、初期建設(shè)成本高等問題?？梢苿?dòng)式相變蓄熱裝置可脫離集中管網(wǎng)的局限，將熱量直接輸送至各用戶端，實(shí)現(xiàn)靈活的“分布式”供暖方式?？梢苿?dòng)式相變蓄熱裝置是將余熱蒸汽通過快速接口進(jìn)入蓄熱裝置，加熱蓄熱體，使其內(nèi)部蓄熱材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，此過程實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存。當(dāng)營(yíng)房、操作間、生產(chǎn)設(shè)備等需要供暖時(shí)，將供暖系統(tǒng)的供回水管口分別與蓄熱裝置的出口和供暖回水口相連，打開循環(huán)泵，通過循環(huán)水泵給采暖系統(tǒng)供熱，其相變材料中所儲(chǔ)存的熱量不斷通過蓄熱體均勻傳遞到導(dǎo)熱介質(zhì)（水）中，根據(jù)需要將水加熱至45～80℃，相變蓄熱材料逐漸釋放所存的潛熱后，發(fā)生晶格變化凝固，其溫度開始下降并釋放顯熱，達(dá)到規(guī)定的溫度（50～60℃）時(shí)，釋熱過程結(jié)束；供熱水時(shí)先將該裝置的熱水出口與用戶供水系統(tǒng)的入口相連，其入口與自來水管或用戶熱水系統(tǒng)的回水相連，通過調(diào)節(jié)供水溫度調(diào)節(jié)閥與循環(huán)回水或自來水混合提供所需供水溫度。［1，2］

1　智能控制需求分析

可移動(dòng)式相變蓄熱裝置可分為蓄熱、運(yùn)熱、放熱的三個(gè)過程。為提高蓄熱、放熱的效率。輸出較高品質(zhì)的熱水，提高產(chǎn)品質(zhì)量。易于操作、管理。以下分析了移動(dòng)蓄熱車的三種過程：

蓄熱過程：前期產(chǎn)品通過手動(dòng)的方式來調(diào)節(jié)蒸汽輸入時(shí)間，從而達(dá)到蓄熱過程。這種過程，由于完全是通過人的經(jīng)驗(yàn)來判定蓄熱是否已經(jīng)完成。因此，可能出現(xiàn)蓄熱材料沒有達(dá)到飽和，還可以繼續(xù)蓄熱和蓄熱材料已經(jīng)達(dá)到飽和但還在蓄熱的兩種情況。前一種情況是對(duì)蓄熱材料沒有充分利用，整車的蓄熱能力沒有達(dá)到要求，相當(dāng)于在運(yùn)輸成本沒有下降的情況下，運(yùn)力下降，從而是經(jīng)濟(jì)效益下降，沒有達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。后一種情況，是蓄熱已經(jīng)完成，但還是繼續(xù)輸入熱蒸汽，從而使整個(gè)運(yùn)輸效率下降，變相的增加了運(yùn)輸成本。

運(yùn)熱過程：前期的產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中沒有任何動(dòng)作。對(duì)于運(yùn)輸過程中泄漏等問題不能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)并報(bào)警。

放熱過程：以前產(chǎn)品通過人工調(diào)節(jié)旁路冷水閥，來控制輸出溫度。這樣會(huì)出現(xiàn)，出口水溫變動(dòng)，品質(zhì)不高和蓄熱材料沒有充分放熱就手動(dòng)完成關(guān)閉出水閥的問題。前一問題熱水溫度可能到不到客戶要求，后一問題沒有提高蓄熱車的利用率。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

針對(duì)以上分析的可移動(dòng)式相變蓄能供熱裝置，結(jié)合自動(dòng)控制原理，設(shè)計(jì)了以下測(cè)點(diǎn)及控制量。

為了監(jiān)測(cè)箱體中不同點(diǎn)的溫度，這里設(shè)置了10個(gè)溫度采集點(diǎn)如圖1、圖2所示。

（1）蓄熱袋與蓄熱袋之間的溫度情況3個(gè)。

（2）蒸汽換熱管排之間的溫度情況3個(gè)。

（3）箱體死角水溫情況4個(gè)。

圖1　蓄熱材料附近水溫測(cè)點(diǎn)布置

圖2　箱體死角水溫測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)設(shè)備清冊(cè)見表1。

表1　可移動(dòng)式相變蓄熱裝置測(cè)點(diǎn)

根據(jù)可移動(dòng)式相變蓄熱裝置的控制要求及特性分析，設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式相變蓄熱裝置的P&ID系統(tǒng)圖，如圖3所示。

根據(jù)圖3所示，可移動(dòng)式蓄熱裝置智能控制系統(tǒng)主要需要完成以下幾個(gè)功能：

（1）蓄熱過程智能化：通過加在DN150管道上的流量計(jì)，熱電阻變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱蒸汽的流量、溫度；通過加在蓄熱材料的熱電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄熱材料的溫度、熱水溫度及相關(guān)蓄熱材料的特性，從而判斷蓄熱材料是否達(dá)到熱飽和。如果達(dá)到熱飽和狀態(tài)，則自動(dòng)關(guān)閉蒸汽管道上的電動(dòng)球閥，并提醒工作人員蓄熱已經(jīng)完成可以斷開蓄熱。

（2）運(yùn)輸過程智能化：在運(yùn)輸過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控箱內(nèi)水溫，液位是否正常，實(shí)現(xiàn)判斷是否具有泄漏發(fā)生能功能。在后期還可以加上定位及無線數(shù)據(jù)傳輸功能，可以在遠(yuǎn)方調(diào)度運(yùn)輸情況。

（3）放熱智能化：出水管徑DN65上加熱電阻及流量計(jì)，首先打開出水開關(guān)閥及溫度閥，出水開關(guān)閥開度固定，輸出箱體內(nèi)的熱水，溫度閥開度可調(diào)，輸出冷水。冷熱水混合后輸出給客戶。通過出口出的熱電阻反饋出口水溫，與溫度閥形成閉環(huán)控制，通過PID控制調(diào)節(jié)調(diào)溫閥的開度大小，從而比較精確的實(shí)現(xiàn)客戶要求的出水溫度。其次，箱體的液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱體內(nèi)熱水，當(dāng)箱體液位低于某個(gè)值時(shí)打開冷水進(jìn)水開關(guān)閥。當(dāng)箱體液位高于某個(gè)值時(shí)，關(guān)閉冷水進(jìn)水開關(guān)閥。從而使箱內(nèi)水位一直保持在某一范圍內(nèi)。最后，當(dāng)箱內(nèi)熱水溫度達(dá)不到客戶的要求時(shí)，關(guān)閉所有閥門，并提示已經(jīng)完成放熱過程。

圖2　可移動(dòng)式相變蓄熱裝置P&ID系統(tǒng)圖

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過測(cè)控點(diǎn)計(jì)算，可以得出控制系統(tǒng)需要點(diǎn)數(shù)如下：

15個(gè)AI輸入通道：4～20mA；

1個(gè)AO輸出通道：4～20mA；

8個(gè)DO輸出通道：24V；

14個(gè)DI輸入通道：24V；

西門子s7-200系列的PLC，在工控領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其價(jià)格優(yōu)惠，可靠性強(qiáng)，性能滿足本系統(tǒng)的要求。因此，這里選用西 門子CUP224XP DC/DC/DC+兩個(gè)EM231模擬量輸入模塊。西門子CUP 224XP，集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。因此，PLC配置圖如圖4所示。［3］

圖4　可移動(dòng)式相變蓄熱裝置智能控制圖

整個(gè)控制系統(tǒng)可以在手動(dòng)和自動(dòng)方式下切換，當(dāng)切換到手動(dòng)方式下，通過面板的按鈕，可以啟動(dòng)、開啟各個(gè)電動(dòng)閥的開關(guān)。這樣在一些特殊情況下，比如控制系統(tǒng)故障情況下，可以通過手動(dòng)的方式關(guān)閉各個(gè)閥門。

控制系統(tǒng)采集到所有數(shù)據(jù)都可以在觸摸屏上顯示。也可以通過觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。

在自動(dòng)情況下，自動(dòng)控制又分三種情況：蓄能、運(yùn)輸、放熱。在蓄能情況下，控制對(duì)象只能對(duì)蒸汽閥門進(jìn)行自動(dòng)的控制，而不能對(duì)其他閥進(jìn)行控制。在運(yùn)輸情況下，系統(tǒng)只是對(duì)各種信號(hào)的采集，而不能對(duì)各個(gè)閥進(jìn)行控制。在放熱情況下，系統(tǒng)能對(duì)實(shí)現(xiàn)放熱過程的自動(dòng)響應(yīng)，而不會(huì)對(duì)蒸汽閥進(jìn)行操作。

由于控制對(duì)象的特性，各種閥，各種管徑，各種冷水壓力，甚至熱水的液位、溫度都會(huì)影響控制效果。因此需要分析相關(guān)控制對(duì)象的特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的PID參數(shù)，由于熱水溫度會(huì)有變化，液位也會(huì)有變化，控制算法需要具有較快的響應(yīng)，甚至需要自適應(yīng)PID模塊來作為溫度控制器。要達(dá)到溫度的精度及響應(yīng)速度，這一塊的控制算法是難點(diǎn)。

對(duì)于本系統(tǒng)中自動(dòng)控制熱水出口溫度的PID控制策略如圖5所示。

圖5　可移動(dòng)式相變蓄熱裝置溫度控制器

4　結(jié)語

因此，在蓄能過程中可移動(dòng)事蓄能供熱智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)蓄熱材料的溫度，當(dāng)蓄熱材料達(dá)到飽和狀態(tài)后，自動(dòng)切除蒸汽供給，完成蓄熱過程。

在運(yùn)輸過程中實(shí)時(shí)采集熱水溫度，液位等功能。起到泄漏報(bào)警的作用。在后期還可以加入定位系統(tǒng)，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度等功能。

在供熱過程中實(shí)時(shí)采集出口溫度作為反饋，調(diào)節(jié)冷水旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，形成閉環(huán)控制，能夠很好的控制出水溫度，提高熱水品質(zhì)。通過實(shí)施檢測(cè)熱水箱溫度，當(dāng)熱水溫度完全達(dá)不到客戶要求的溫度時(shí)，才切斷整個(gè)系統(tǒng)，能夠有效的利用蓄熱材料放熱，提高使用率。

可移動(dòng)事蓄能供熱智能控制系統(tǒng)能夠很好的控制用戶出口溫度，提高熱水品質(zhì)，能夠很好的提高蓄熱車的熱量利用率，能夠提高蓄能、放熱的效率，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。最終提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］楊波，李汛，趙軍.移動(dòng)蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2013，32 （03）：515～520.

［2］孫振安.移動(dòng)式供熱裝置［J］.節(jié)能與環(huán)保，1991，（3）：6～9.

［3］金瓏，殷中華，李洋.基于PLC控制的電蓄熱智能控制系統(tǒng)［J］.甘肅電力技術(shù)，2009，（1）：32～35.

Design of Control System for Mobile Phase Change Heat Stroage Device

LV Ke1， YU Tie-ming1， ZHAO Zhi-hui2， XIANG Yang1
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Zhejiang East China Mechnical&Electrical Engineering Co.，Ltd，Hangzhou 310030，China）

Through the analysis made on the characteristics of mobile phase change heat stroage device，the concept and principle for the design of control system for mobile phase change heat stroage device are determined herein.This paper desins the PLC electric control cabinet.PLC by collecting diffferent measuring signal to control the corresponding electrical valve，so as to realize heat stroage，transport，heating three stages of the automotic control requiremnets.It will improve the work efficiency and product quality，and can simplify the operation..

heat stroage； control system； heating

TP273+.5

B

2095-3429（2015）02-0056-04

呂科（1985-），男，浙江舟山人，碩士，工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)控制研究工作；

俞鐵銘（1987-），男，浙江杭州人，碩士，工程師，主要從事蓄能材料與系統(tǒng)集成控制研究工作。

2014-12-05

2015-04-03