周校冉

摘要：郎肯循環(huán)是一種以水蒸氣為工質(zhì)的理想循環(huán)過程，郎肯循環(huán)在能源再利用和環(huán)保領(lǐng)域為我國的節(jié)能減排事業(yè)做出了重要貢獻。本文主要介紹朗肯循環(huán)過程及余熱回收利用，并設(shè)計一種基于PID控制的溫度控制系統(tǒng)，便于提高余熱回收效率。

關(guān)鍵詞：朗肯循環(huán);余熱回收;PID控制

1 ?朗肯循環(huán)余熱回收

1.1 朗肯循環(huán)工作過程

朗肯循環(huán)是指以水蒸氣作為工質(zhì)的一種理想循環(huán)過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹、以及一個等壓冷凝過程，用于蒸汽裝置動力循環(huán)。朗肯循環(huán)的整個工作流程可以被簡化成為四個部分，而對于余熱利用來說最重要的就是壓縮和冷凝這兩個過程。以柴油機為例，主要循環(huán)如下：首先通過工質(zhì)泵將液態(tài)工質(zhì)加壓（一般情況下是水）送往預(yù)熱器中;預(yù)熱器利用柴油機缸套水的溫度將工質(zhì)溫度升高，此時還依然呈液態(tài);預(yù)熱后的液態(tài)工質(zhì)再進入到蒸發(fā)器中，從液態(tài)經(jīng)高溫蒸發(fā)汽化作用變成了高溫高壓的氣態(tài)工質(zhì);此時高溫高壓的蒸汽可以進入汽輪機中膨脹并推動汽輪機做功;做工結(jié)束后的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過冷凝后重新變回液態(tài)，繼續(xù)下一次的循環(huán)。

1.2 朗肯循環(huán)的作用

①提高過熱器出口蒸汽壓力與溫度。由于朗肯循環(huán)的作用，能夠回收利用余熱，工質(zhì)經(jīng)過過熱裝置可以提高蒸汽壓力與初始溫度，促進做工效果。

②降低排汽壓力。將一部分熱蒸汽回收，有效降低了排氣壓力。

③減少排煙、散熱損失。由于循環(huán)過程工質(zhì)為水蒸氣，可以抑止煙霧排放并利用自身比熱較高的特點回收余熱。

④提高鍋爐、汽輪機內(nèi)效率?；厥绽玫母邿岣邏赫羝梢赃M入下一次做功環(huán)節(jié)，有效提升了輪機效率。

朗肯循環(huán)是一種應(yīng)用廣泛的循環(huán)系統(tǒng)過程，它可以應(yīng)用在很多方面。除了上面提到的內(nèi)燃機，還可以應(yīng)用于燃料電池的冷卻，對于燃料電池來說，溫度的控制要比內(nèi)燃機更要精準(zhǔn)，因此相比較于內(nèi)燃機而言，燃料電池更需要精準(zhǔn)一些的控制來調(diào)節(jié)進入其循環(huán)中的工質(zhì)溫度。

2 ?余熱回收溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模型的建立

由于內(nèi)燃機等進行朗肯循環(huán)的能源動力裝置是由很多部分構(gòu)成的，蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)輪機、工質(zhì)泵等設(shè)備之間會有熱損耗，為了控制進入每一部分的工質(zhì)溫度達到一定標(biāo)準(zhǔn)，我們需要做一套控制系統(tǒng)來控制溫度情況。由于不設(shè)置具體研究對象，我們假設(shè)某設(shè)備功率為3000W，目標(biāo)輸入溫度為180℃，根據(jù)科恩-庫恩公式得到被控對象的傳遞函數(shù)為：

2.2 PID控制策略研究

PID控制是比例積分微分控制的簡稱，是最早發(fā)展起來并廣泛應(yīng)用的控制策略之一。本次控制方式選擇PID控制，是因為它的算法較為簡單，魯棒性好，可靠性高，比較適合這種大規(guī)模簡單的控制類型。

2.3 PID仿真工具的選用的

本次仿真設(shè)計使用的是MATLAB之中的Simulink模塊，Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。

3 ?系統(tǒng)設(shè)計仿真分析

采用MAELAB中的Simulink模塊對系統(tǒng)進行仿真，在Simulink中建立溫度仿真模型如圖1所示。

在階躍中設(shè)定初始參數(shù)，從0時刻開始，最終值設(shè)定為150℃，在傳遞函數(shù)模塊中輸入我們所需的傳遞函數(shù)，由于朗肯循環(huán)是一個有時間間隔的循環(huán)過程，工質(zhì)在每一個設(shè)備之間進入排除有時間間隔，所以在實際中有一定的滯后;我們在TransportDelay模塊中設(shè)定滯后時間為30s。在里一個輸出端再輸入一個階躍信號150，方便結(jié)果對照。設(shè)置PID三參數(shù)，如圖2所示。

多次調(diào)整比例積分微分得到最佳仿真曲線，當(dāng)輸入Proportional（P）=3;Integral（I）=0.007;Derivative（D）=0.001;Filtercoefficient（N）=150時得到如圖3的仿真曲線。

由結(jié)果可以看出調(diào)節(jié)時間約為800s，超調(diào)量σ約為3.3%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。基本可以達到所需的控制要求。

根據(jù)上述條件，本此設(shè)計還采用了另一種控制方式，依然是采用PID控制的模式。根據(jù)所具備的條件在Simulink中建立第二種溫度仿真模型如圖4所示。

和第一種模型一樣，在Library Browser模型庫中找到我們所需的模型，添加連接起來，得到仿真模型。第二個模型同樣有延遲30s，它的PID控制三參數(shù)由三個Gain模塊控制，多次調(diào)整后得到的參數(shù)為Gain=0.007;Gain1=0.001;Gain2=2。同樣模型2中也有一個對比階躍信號，方便觀察對比。完成之后，雙擊Scope模塊得到如圖5的仿真曲線。

從仿真結(jié)果不難看出，仿真模型2的調(diào)節(jié)時間約為850s，超調(diào)量σ約為1.1%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0;基本可以達到所需的控制要求。

比較兩種控制模式我們發(fā)現(xiàn)，第一種結(jié)構(gòu)較為簡單方便，控制調(diào)節(jié)時間也較短，但是超調(diào)量略大于第二種模型，第二種模型的模塊較多，但是超調(diào)量較小，二者穩(wěn)態(tài)誤差都為0，說明兩種模型都能達到基本穩(wěn)定控制溫度的目的。

4 ?結(jié)語

本文主要介紹了在環(huán)保與余熱利用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛朗肯循環(huán)，簡述了朗肯循環(huán)的作用;由于朗肯循環(huán)工質(zhì)是需要熱交換的，所以穩(wěn)定控制進入各個設(shè)備工質(zhì)的溫度就尤為重要了，本文提出了兩種基于PID控制的一種溫度控制系統(tǒng)，通過matlab中的Simulink模塊進行仿真，得到了效果較好的仿真結(jié)果，為以后的精準(zhǔn)溫度控制打下了基礎(chǔ)。由于研究條件受限，這次研究并沒有采用實際實驗裝置進行試驗，本次設(shè)計的控制系統(tǒng)為簡單PID控制，能夠基本滿足系統(tǒng)要求，然而很多時候需要更加精準(zhǔn)快速的控制方式，所以在未來的設(shè)計中，需要引入PID模糊控制等一系列先進的控制技術(shù)。

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