可移動式相變蓄熱裝置智能控制系統設計

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

可移動式相變蓄熱裝置智能控制系統設計

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

通過分析可移動式相變蓄能供熱系統的特點，確定了可移動式相變蓄能供熱控制系統設計思路和設計原則。本文設計了PLC電控柜，通過采集系統不同位置的測點信號，控制相應的電磁閥、電動調節閥，實現系統蓄能、運輸、供熱三個階段的自動控制流程，從而提高工作效率，提高產品品質，并能簡化操作。

蓄熱； 控制系統； 供熱

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.015

0　引言

傳統的集中式供暖系統采用大容量設備、集中生產，然后通過大熱網將熱量輸送給較大范圍內的眾多用戶，存在管網熱損失、管路輸送能耗、初期建設成本高等問題。可移動式相變蓄熱裝置可脫離集中管網的局限，將熱量直接輸送至各用戶端，實現靈活的“分布式”供暖方式。可移動式相變蓄熱裝置是將余熱蒸汽通過快速接口進入蓄熱裝置，加熱蓄熱體，使其內部蓄熱材料由固態變為液態，此過程實現熱能轉化和儲存。當營房、操作間、生產設備等需要供暖時，將供暖系統的供回水管口分別與蓄熱裝置的出口和供暖回水口相連，打開循環泵，通過循環水泵給采暖系統供熱，其相變材料中所儲存的熱量不斷通過蓄熱體均勻傳遞到導熱介質（水）中，根據需要將水加熱至45～80℃，相變蓄熱材料逐漸釋放所存的潛熱后，發生晶格變化凝固，其溫度開始下降并釋放顯熱，達到規定的溫度（50～60℃）時，釋熱過程結束；供熱水時先將該裝置的熱水出口與用戶供水系統的入口相連，其入口與自來水管或用戶熱水系統的回水相連，通過調節供水溫度調節閥與循環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

可移動式相變蓄熱裝置可分為蓄熱、運熱、放熱的三個過程。為提高蓄熱、放熱的效率。輸出較高品質的熱水，提高產品質量。易于操作、管理。以下分析了移動蓄熱車的三種過程：

蓄熱過程：前期產品通過手動的方式來調節蒸汽輸入時間，從而達到蓄熱過程。這種過程，由于完全是通過人的經驗來判定蓄熱是否已經完成。因此，可能出現蓄熱材料沒有達到飽和，還可以繼續蓄熱和蓄熱材料已經達到飽和但還在蓄熱的兩種情況。前一種情況是對蓄熱材料沒有充分利用，整車的蓄熱能力沒有達到要求，相當于在運輸成本沒有下降的情況下，運力下降，從而是經濟效益下降，沒有達到最優的經濟效益。后一種情況，是蓄熱已經完成，但還是繼續輸入熱蒸汽，從而使整個運輸效率下降，變相的增加了運輸成本。

運熱過程：前期的產品在運輸過程中沒有任何動作。對于運輸過程中泄漏等問題不能實時監控系統并報警。

放熱過程：以前產品通過人工調節旁路冷水閥，來控制輸出溫度。這樣會出現，出口水溫變動，品質不高和蓄熱材料沒有充分放熱就手動完成關閉出水閥的問題。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　控制系統設計原理

針對以上分析的可移動式相變蓄能供熱裝置，結合自動控制原理，設計了以下測點及控制量。

為了監測箱體中不同點的溫度，這里設置了10個溫度采集點如圖1、圖2所示。

（1）蓄熱袋與蓄熱袋之間的溫度情況3個。

（2）蒸汽換熱管排之間的溫度情況3個。

（3）箱體死角水溫情況4個。

圖1　蓄熱材料附近水溫測點布置

圖2　箱體死角水溫測點布置

測點設備清冊見表1。

表1　可移動式相變蓄熱裝置測點

根據可移動式相變蓄熱裝置的控制要求及特性分析，設計了可移動式相變蓄熱裝置的P&ID系統圖，如圖3所示。

根據圖3所示，可移動式蓄熱裝置智能控制系統主要需要完成以下幾個功能：

（1）蓄熱過程智能化：通過加在DN150管道上的流量計，熱電阻變送器實時監測熱蒸汽的流量、溫度；通過加在蓄熱材料的熱電阻實時監測蓄熱材料的溫度、熱水溫度及相關蓄熱材料的特性，從而判斷蓄熱材料是否達到熱飽和。如果達到熱飽和狀態，則自動關閉蒸汽管道上的電動球閥，并提醒工作人員蓄熱已經完成可以斷開蓄熱。

（2）運輸過程智能化：在運輸過程中實時監控箱內水溫，液位是否正常，實現判斷是否具有泄漏發生能功能。在后期還可以加上定位及無線數據傳輸功能，可以在遠方調度運輸情況。

（3）放熱智能化：出水管徑DN65上加熱電阻及流量計，首先打開出水開關閥及溫度閥，出水開關閥開度固定，輸出箱體內的熱水，溫度閥開度可調，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，與溫度閥形成閉環控制，通過PID控制調節調溫閥的開度大小，從而比較精確的實現客戶要求的出水溫度。其次，箱體的液位計實時監測箱體內熱水，當箱體液位低于某個值時打開冷水進水開關閥。當箱體液位高于某個值時，關閉冷水進水開關閥。從而使箱內水位一直保持在某一范圍內。最后，當箱內熱水溫度達不到客戶的要求時，關閉所有閥門，并提示已經完成放熱過程。

圖2　可移動式相變蓄熱裝置P&ID系統圖

3　控制系統設計

通過測控點計算，可以得出控制系統需要點數如下：

15個AI輸入通道：4～20mA；

1個AO輸出通道：4～20mA；

8個DO輸出通道：24V；

14個DI輸入通道：24V；

西門子s7-200系列的PLC，在工控領域被廣泛應用，其價格優惠，可靠性強，性能滿足本系統的要求。因此，這里選用西 門子CUP224XP DC/DC/DC+兩個EM231模擬量輸入模塊。西門子CUP 224XP，集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。16K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協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　可移動式相變蓄熱裝置智能控制圖

整個控制系統可以在手動和自動方式下切換，當切換到手動方式下，通過面板的按鈕，可以啟動、開啟各個電動閥的開關。這樣在一些特殊情況下，比如控制系統故障情況下，可以通過手動的方式關閉各個閥門。

控制系統采集到所有數據都可以在觸摸屏上顯示。也可以通過觸摸屏對系統進行操作。

在自動情況下，自動控制又分三種情況：蓄能、運輸、放熱。在蓄能情況下，控制對象只能對蒸汽閥門進行自動的控制，而不能對其他閥進行控制。在運輸情況下，系統只是對各種信號的采集，而不能對各個閥進行控制。在放熱情況下，系統能對實現放熱過程的自動響應，而不會對蒸汽閥進行操作。

由于控制對象的特性，各種閥，各種管徑，各種冷水壓力，甚至熱水的液位、溫度都會影響控制效果。因此需要分析相關控制對象的特性，設計相應的PID參數，由于熱水溫度會有變化，液位也會有變化，控制算法需要具有較快的響應，甚至需要自適應PID模塊來作為溫度控制器。要達到溫度的精度及響應速度，這一塊的控制算法是難點。

對于本系統中自動控制熱水出口溫度的PID控制策略如圖5所示。

圖5　可移動式相變蓄熱裝置溫度控制器

4　結語

因此，在蓄能過程中可移動事蓄能供熱智能控制系統能夠實時監測蓄熱材料的溫度，當蓄熱材料達到飽和狀態后，自動切除蒸汽供給，完成蓄熱過程。

在運輸過程中實時采集熱水溫度，液位等功能。起到泄漏報警的作用。在后期還可以加入定位系統，無線數據傳輸系統，從而能夠實現遠程調度等功能。

在供熱過程中實時采集出口溫度作為反饋，調節冷水旁路電動調節閥，形成閉環控制，能夠很好的控制出水溫度，提高熱水品質。通過實施檢測熱水箱溫度，當熱水溫度完全達不到客戶要求的溫度時，才切斷整個系統，能夠有效的利用蓄熱材料放熱，提高使用率。

可移動事蓄能供熱智能控制系統能夠很好的控制用戶出口溫度，提高熱水品質，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，能夠實時監控系統。最終提高整個系統的經濟效益。

［1］楊波，李汛，趙軍.移動蓄熱技術的研究進展［J］.化工進展，2013，32 （03）：515～520.

［2］孫振安.移動式供熱裝置［J］.節能與環保，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［J］.甘肅電力技術，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，主要從事工業自動控制研究工作；

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集成控制研究工作。

2014-12-05

2015-04-03