高温相变式固态储热装置控制系统研究

1、    高温相变式固态储热装置控制系统研究    李殿文 纪秀 王晖 白东平 王佳宁摘  要：高温相变式固态储热装置的应用既解决了清洁能源消纳的问题，又对电网调峰有很大帮助。鉴于此，设计了一款高温相变式固态储热装置，明确了加热阶段、蓄热阶段、放热阶段的工作过程，阐述了蓄热原理，设计了模糊自适应pid温度控制器，通过模糊控制对pid调节器的kp、ki、kd参数进行整定，不断修正调节过程，增强系统鲁棒性，使温度控制系统更加智能化。关键词：相变;固态储热装置;模糊自适应pid;鲁棒性0    引言随着国家新能源战略的提出，蓄热式电

2、锅炉得到飞速发展，尤其是在我国北方地区，固态蓄热式电锅炉已得到广泛應用。电锅炉采取电加热管组逐级投切方式，很好地解决了清洁能源消纳的问题，同时对电网调峰也有很大帮助1。蓄热式电锅炉其主要工作原理是把电能转换为热能存储于蓄热体内，在需要时再利用热交换释放热能。蓄热式电锅炉的工作过程可以分为加热阶段、蓄热阶段、放热阶段，其中蓄热阶段决定了蓄热式电锅炉的供热效率2。本文提出了一种更高效的可智能操控的蓄热式电锅炉，在已有结构上进行优化，增设控制单元，通过模糊pid控制方式，不断对控制参数进行优化，可根据当前室外温度，通过调节离心风机功率与增压水泵功率调节出水温度和回水温度，进而智能调节室内温度。蓄热式

3、电锅炉终端可以接入互联网，用户可以通过手机随时监察与调控其运行状态。1    相变式固态储热装置建立固态蓄热式电锅炉分为加热部分、蓄热部分、换热部分、供热部分和控制单元，共5个部分，如图1所示，主要应用到的元件有相变储热砖、离心风机、变频器、干烧管、换热器、增压水泵、散热器、石棉，高铝防火板等。1.1    工作原理整个高温相变式固态储热装置是通过对相变复合蓄热材料进行加热，使相变复合材料随温度的变化产生相变，吸收加热管产生的热量，实现蓄热的目的，再通过变频离心风机带动空气流动，被加热的空气经蓄热砖空隙流进换热器，在换热器内通过空气流动把热量换给水，冷却

4、后的空气被离心风机重新吸收，用于下一次循环。被加热的水在增压水泵的带动下流经散热器把热量换给外界空气，实现对外界供暖的目的。新型蓄热式电锅炉可以根据用户需求调节供热温度3。通过调节自适应变频离心风机的功率来调节电锅炉内部换热速度，通过调节水泵的功率来调节高温相变式固态储热装置放热效率，通过控制进水温度和回水温度，进而实现对室内温度的控制。1.2    加热部分加热部分主要由干烧管构成，干烧管内部装有耐高温的电加热丝，空隙填充导热性能好、绝缘性能好的氧化镁填充物。每根干烧管1 kw，采用长度为1 m的u型管，加热管的壁厚都是0.8 mm，弯曲半径r>2.5倍管径，采用碳

5、钢材质，耐高温1 200 。为适应不同的用户需求，每三根干烧管为一组，可根据用户需求自行组合改变加热功率。加热部分主要作用就是对蓄热材料进行加热，使蓄热材料在高温下产生相变，吸收大量热量，存储起来，在需要时通过相变再释放热量。1.3    蓄热部分蓄热部分是整个高温相变式固态储热装置供暖效率的关键，我们选用的蓄热材料是复合相变材料，主要成分是氧化镁、三氧化二铝等化合物，具体参数如表1所示。传统的显热蓄热材料吸收热量和释放热量的过程相对简单，显热材料普遍是直接接触式换热，效率低。因此，显热材料热量不能长期储存，放热过程不能恒温，蓄热密度小，导致蓄热效率低4。固体相变蓄热材料在

6、对热量进行吸收和释放时，利用材料本身在温度变化下产生的相变过程，伴随能量的变化。与传统的显热蓄热材料相比相变蓄热材料蓄热密度高，能通过相变在恒温下放出大量热量。虽然气液、气固转变的相变潜热值比液固、固固转变时潜热值大，但是根据实际需求，选用固固这种类型。蓄热砖的排列方式如图1所示，每两排蓄热砖夹一根干烧管，整个蓄热体由多层结构构成。1.4    换热部分和供热部分换热部分负责使蓄热材料相变释放能量，通过空气循环把热量带到换热器内，热空气与换热器壁充分接触，最终把热量换给换热器内的水，实现换热。被加热的水在水泵的带动下流过散热器，散热器把热量再次换给外界，失去热量的水再流回换

7、热器，实现对外部的供热。供热部分：换热器内被加热水在增压水泵的带动下流经散热器，对外部供热。这里可以通过控制增压水泵的功率，控制水流速度，进而可以控制进水温度和出水温度，达到智能供热的目的。1.5    控制单元控制单元分为供电、控制和通信三个部分，各部分之间关系如图2所示。供电部分实现对干烧管、增压水泵、风机和传感器等部分的供电。通信部分应用了wi-fi通信模块，在与用户同一网络环境下，用户就可以下载调试软件，通过调试软件进行对高温相变式固态储热装置相关参数进行预设置。同时，为实现相变式固态储热装置的运行数字化，提高系统安全性，这里的通信部分把锅炉当前运行参数上传到上位机

8、管控平台，供用户参考，当前运行参数主要有炉膛温度tk、室温tp、进水温度t1、回水温度t2、离心风机转速p1、水流速度p2等监测系统运行的必要参数。用户可以根据自己的不同需求自行设定蓄热时间、加热时长、供暖时间段、供暖温度。在离线模式下，锅炉控制系统会根据外界的温度变化调整自身运行状态，当外界温度实际值低于预设值时，增加离心风机转速，提高出水温度，增加放热;当外界温度实际值高于预设值时，减小离心风机转速，降低出水温度，减少放热，从而更加智能化地服务用户。2    模糊自适应pid温度控制器的设计模糊控制较传统的控制方式相比，鲁棒性好，能够较大范围地适应参数变化，不需要精确的

9、被控对象的数学模型，与常规pid控制相比，动态响应品质优良。pid控制规律：式中：kp为比例系数;ti为积分时间常数;td为微分时间常数。把模糊控制与pid调节相结合，形成模糊自适应pid控制，自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，根据实际需求，不断改变控制策略，其最终目的，是把要控制的参数保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在实践中pid算法仍被广泛应用5。如图3所示，控制系统的关键在于对pid参数进行整定，需要通过模糊控制的原理对kp、ki、kd三個参数进行不断修正，以适应e和ec的变化，主要的目的是建立e和ec与kp、k

10、i、kd三个参数之间的关系。主要起到调节作用的仍然是pid调节器，但与以往不同的是，pid调节器的参数是实时修正的，能使被控对象有良好的动、静态性能6。从系统的稳定性、响应速度、超调量和精度等各方面来考虑，kp、ki、kd的作用如下：（1）比例系数kp的作用是加快系统的响应速度，其取值的大小决定了系统的响应速度，过大、过小都会对系统有一定的负面影响，所以kp参数调整要有一定的范围限制，才可以既不产生超调，也不降低调节精度。（2）积分作用系数ki的作用是消除系统的稳态误差，主要是对系统的调节精度有一定的影响，如果设置ki参数过大，可能会出现积分饱和现象;如果设置ki参数过小，则难以消除静态误差。

11、（3）微分作用系数kd的作用是改善系统的动态特性，kd过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。3    matlab仿真实现如图4所示，从仿真实验结果可以看出，随时间的变化误差在逐渐减小，与传统的pid控制方式相比，误差减小到趋于稳定的时间较短。如图5所示，从模糊pid控制阶跃响应的速度来看，与传统控制方式进行比较，响应速度更快，效果更稳定。4    结语复合材料种类的逐渐丰富，为蓄热式电锅炉的发展提供了必要条件。通过相变的过程伴随能量的变化，从而实现相变复合材料的储热、放热，提高了储热能力，减少了能源的浪费，为清洁能源消纳做出了贡献。高温相变式固态储热装置应用模糊自适应pid调节方式，通过模糊控制对pid调节器的kp、ki、kd参数进行不断整定，使系统响应灵活，鲁棒性提高。与传统电锅炉相比较，蓄热式电锅炉具有占地面积小、蓄热能力强、保温时间长、控制灵活、造价低等优点。在未来清洁能源不断发展的背景下，相变式蓄热电锅炉定会走进千家万户。参考文献1 张勇胜.蓄热电锅炉技术及其移峰填谷效果的评价方法j.电力需求侧管理，2007，9（1）：29-31.2 祁兵，何承瑜，李彬，等.基于蓄热电锅炉不同工作模式的区域综合能源系统优化调度j.现代电力，2019，36（6）：45-51.3 王希鹏.固体材料蓄