純低溫余熱發電系統的控制策略優化

胡徐勝，劉 娟

（1.河海大學文天學院，安徽馬鞍山 243031；2.馬鞍山職業技術學院，安徽馬鞍山 243031）

純低溫余熱發電系統的控制策略優化

胡徐勝1，劉 娟2

（1.河海大學文天學院，安徽馬鞍山 243031；2.馬鞍山職業技術學院，安徽馬鞍山 243031）

為了提高純低溫余熱發電系統中余熱能量的利用率，對系統進行數學建模。著重研究蒸發器換熱效率的跟蹤和熱度控制，提出了純低溫余熱發電控制系統的改進方案，并對過熱度控制進行了優化策略分析。

控制策略；余熱發電；溫度控制；PID

0 引言

水泥、冶金、化工等企業由于自身生產工藝決定了其在生產的某些環節中會損耗大量的電能和熱能，并產生一定量的余熱。純低溫余熱發電通過回收這些高能耗企業排放的中低溫的廢蒸汽、煙氣來發電。純低溫余熱發電系統的溫度控制目前普遍采用DCS方案，控制效果一般。

1 低溫余熱發電系統原理

根據循環工質的特點，選擇沸點不高的有機物作為制冷劑。儲液罐的工質由工質泵作用泵入蒸發器，這時工質會因為受熱和換熱產生相變。隨后這些變成蒸汽的工質會進入渦輪機中，受熱膨脹做功，以此來推動渦輪機轉動，這樣完成了機械能和電能的轉換。冷凝器將工質冷凝后輸送到蒸發器中實現循環流程，如圖1和圖2所示。

圖1 有機朗肯循環示意圖

圖2 帶回熱器的有機肯循環示意圖

2 板式蒸發器的基本結構和模型的建立

蒸發器通過制冷劑液體的蒸發，吸收經過冷卻的介質的熱能。這樣一種用來換熱的裝置，對于制冷系統來說，是用來獲取熱能的。

2.1 板式蒸發器的基本結構

根據蒸發器冷卻對象的區別將其劃分成空氣型和液體型兩種類型。冷卻液體型能夠劃分成U型管、直管和板式。選擇板式蒸發器作為熱力交換裝置，如圖3和圖4板式蒸發器模型圖。其構造緊湊，使得液體流動時受到的阻力較小，不僅使得金屬的消耗減少，并且對于制冷劑的需求較少，重量也相對較輕，能夠適應流體之間差距不大的溫差傳熱。

圖3 由兩塊成形板組成的板式蒸發器

2.2 板式蒸發器的數學模型的建立

板式蒸發器的結構相對來說更加復雜，在建立模型時做了以下假設。

圖4 板式蒸發器模型圖

（1）外部的空氣和蒸發器的板片之間，可以對它們的熱對流暫時忽略不考慮；

（2）工質的流動是無逆流的、單向的現象；

（3）每個板壁和蒸發器的板片之間，它們的溫度是沒有溫差的；

（4）液相和氣相，這二者有同樣的飽和溫度以及飽和的壓力，也就是常說的熱力學平衡。

針對蒸發器換熱效率的要求，本次設置的模型屬于穩態模型，它是以分區集中參數為根基。根據操作員以及冷卻源在內部的情況，把蒸發器的構成劃分成兩相區，即過冷區與過熱區。

（1）過熱區制冷劑數學模型

式中：h-焓，單位J/kg；Ksh-換熱系數；A-單位換熱面積，單位m2；L-板長，單位m。

式中：Nu-整齊側冷凝的努謝爾特數；Re-流體雷諾數，u-動力粘度；Pr-流體普朗特數

式中：G-板間流體的質量流速，單位kg/（m2·s）；d-當量直徑，單位m。

（2）兩相區制冷劑數學模型

式中：X0- 蒸汽干度；γ- 氣化潛熱，單位 J/kg；ρl、ρg-進出口蒸汽密度，單位kg/m3。

（3）過冷區制冷劑數學模型

式中：Cp-定壓比熱容，單位J/（kg·k）。

其中，每個參數下標含義匯總如下：

e-控制體的平均參數，g-飽和氣體；l-飽和液體，R-有機工質；W-水；w-板壁，1-進水狀態，2-出水狀態

3 蒸發器換熱效率的跟蹤控制

蒸發器通過換熱的效率去跟蹤控制蒸發器，并將熱能傳遞給工質。本文設計余熱的熱源為液態的水。在熱交換時水不會產生相變，所以水的比熱容是個確定值，因此，熱源液態水含有的所有熱度可以記作：

其中C1是余熱水的比熱容，單位J/（kg·k）；M1為水的質量流量，單位kg/s；T2為水的出口溫度；T1為水的進口溫度。

R600a在板式蒸發器里進行了相變，所以針對它的熱量交換分段去計算：

式中，Cp1為余熱中介質發出潛熱之后，從入口的液態到產生相變整個流程的平均比。定壓的熱容，單位為J/（kg·k）；Cp2為余熱內介質由相變，再到出口整個流程的平均比，定壓熱容，單位J/（kg·k）；Δilatent為余熱內介質的比相變潛熱，單位J/kg。

所以蒸發器換熱的效率能夠表示為：

式中：C1、Cp1、Cp2、Δilatent因為和有機工質物性相關，能夠當作固有的值；在討論時，能進行如下設想：

（1）入口和出口的溫度以及熱源液態水流量都是固定的；

（2）比相變潛熱因為占用的比重很小，可以忽略不計。

所以，可以簡化成下式：

由于熱源水流量、入口以及出口溫度都是固定不變的，因此水的質量流量也是不變的，也就是水的熱量Q1是不變的值。根據公式知道，工質獲取的熱能Q2由有機工質的質量流量M2，ΔT得來，為了增加換熱的能力，需要探究這三個方面的聯系。

在模擬試驗后，就能夠獲取在一定區間里提高工質質量的流量M2，但根據質量和流量M2的上升ΔT就隨之減少。這一現象的發生導致不能獲取足夠的過熱，Q2也會隨之減少，所以，對適宜的工質的質量流量，使過熱度ΔT保持在一定數值范圍，對工質吸收熱量的增多是十分有利的，對換熱效率會產生一定的影響。

根據換熱效率跟蹤控制，確定變更工質的出入口溫度以及流量。再探究參數的特性，根據控制的方式來做跟蹤控制。這里面需要選擇恰當的工質流量，將過熱度的值保持接近設定值，板式蒸發器換熱系統的換熱力取決于其出口處的過熱度。

4 過熱度控制策略及其控制理論的建立

4.1 過熱度控制理論的分析

余熱發電系統運轉的穩定性以及是否能夠充分利用資源得到高的發電率，都受到蒸發器的出口過熱度的高低的影響。所謂出口過熱度，即蒸發器出口處的溫度值比飽和的值還高。在出口過熱度這個層面上，增加整個系統的效率是非常關鍵的。相對換熱來說，蒸發器過熱度的控制過程如下。

板式蒸發器出口過熱度ΔT=T1-Ts。當環境影響時，蒸發器出口的溫度值根據熱源溫度的改變而改變。在熱力學中，有機工質的每個飽和的壓力值都有相應的飽和溫度與之對應，具體的細節變化由圖5的溫熵曲線圖可以清楚了解。

圖5 T-S曲線圖

由圖5可以看出，該系統原來的工作曲線是1-2-3-4-5-6，T1為出口的溫值，Ts為飽和的溫值。假定熱源正在不斷地增加溫度，隨著其溫度值的提高，相應的蒸發器出口溫值隨之會不停地增加，記作T1，此刻的飽和的溫值依舊是先前的那個Ts，過熱度Δt=T1-Ts，其數值大于原先的數值，即Δt＞ΔT。

4.2 過熱度控制策略的分析

本研究的控制目標為板式蒸發器的出口過熱度。但這里不能直接去進行控制，僅僅允許跟蹤控制，再根據電機同軸有機工質泵轉動的速度的快慢進行相應的控制。因為被控對象擁有時變、不屬于線性系統、具有很大的滯后性這些特點，建造準確的數學模型的工程量十分大，所以去確定控制器的參數也就變得十分不易。這時，假如采用傳統的PID控制，就不能很好地得到滿意的答案，所以采用模糊PID控制器作為過熱度控制器。

5 結語

本文提出通過控制工質泵的質量流量，來達到調整蒸發器出口過熱度的目的。選擇三相異步電機作為工質泵同軸電動機，以改變轉速去保持蒸發器的出口過熱度，使該系統擁有的性能優化。

［1］張凱，賀慧寧.水泥余熱發電窯頭取熱技術研究及工程應用［J］.節能技術，2008，6（26）：496-498.

［2］許萍.DCS控制系統在余熱發電鍋爐中的應用［J］.中國有色金屬，2010，（1）：32-34.

［3］李朋，袁鑄鋼.水泥廠余熱發電DCS及模糊控制算法的應用［J］.濟南大學學報（自然科學版），2006，20（4）：322-325.

［4］嚴伯剛，吳韜，金磊，等.水泥窯雙壓系統純低溫余熱發電的應用［J］.能源研究與管理，2014，（4）：64-67.

［5］王立明.運用Matlab技術推進光學教學現代化的探索與實踐［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2015，15（5）：45-49.

［6］張亞如，張倩，閆杰，等.基于自適應控制的磨礦過程智能控制研究［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2016，16（2）：40-42.

Research on Control Strategy Optimization of Pure Low Temperature Waste Heat Power Generation System

HU Xu-sheng1，LIU Juan2
（1.Hohai University Wentian College，MaAnshan 243031，China；2.MaAnshan Technical College，MaAnshan 243031，China)

In order to improve the utilization rate of waste heat energy in the pure low temperature waste heat power generation system,the mathematical modeling of the system is carried out.The tracking and heat control of the heat transfer efficiency of evaporator are studied emphatically.The improvement scheme of the control system of pure low temperature waste heat power generation is put forward,and the optimization strategy of superheat control is analyzed.

control strategy；waste heat power generation；temperature control；PID

TP273

A

1674-3229（2017）04-0043-04

2017-09-21

安徽省高校省級自然科學研究重點項目（KJ2016A697）；河海大學文天學院校級科研項目（WT16013）

胡徐勝（1982-），男，碩士，河海大學文天學院電氣信息工程系講師，研究方向：電氣自動化、智能控制。