基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與設(shè)計

張雷　賈英　新劉申

摘要：以基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐為研究對象，介紹了其研發(fā)的背景及意義，并通過結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計三個方面介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐的研發(fā)過程，為新能源技術(shù)的應(yīng)用提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);新能源技術(shù);蓄能技術(shù)

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.089

0引言

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，商用、民用負荷也在逐年增大，從而加劇了電力供電曲線的谷峰差，低谷電蓄能供熱系統(tǒng)由此應(yīng)運而生。蓄能式電鍋爐通過蓄能技術(shù)將低谷時期的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存起來，在需要的時候釋放，起到了削峰填谷的作用，提高了發(fā)電機組的使用效率，是未來的發(fā)展趨勢。目前市場的蓄能式電鍋爐多是利用常壓水箱蓄熱，最高只能將熱水加熱到90多度，且蓄熱水箱體積龐大，即使采用最好的保溫材料，其表面散熱損失仍是十分巨大。另外雖然用戶工況千差萬別，生產(chǎn)企業(yè)在系統(tǒng)、運行算法設(shè)計上還使用根據(jù)負荷選型的簡單采購運行模式。以上都造成了能源的浪費，嚴重影響鍋爐效率。

本文以蓄能式電鍋爐為研究對象，以耐高溫的高密度、高比熱容固體材料為蓄熱介質(zhì)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及過程控制，研制出一種自動化程度高、性能可靠的基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐，顯著提高了蓄能式電鍋爐的供熱效率和管理效率，具有很好的經(jīng)濟和社會效益。

1設(shè)計原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐是由發(fā)熱介質(zhì)、蓄熱介質(zhì)、熱交換器、循環(huán)水系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成。利用特制的固體蓄熱材料，將低谷時的電能轉(zhuǎn)化成熱能存儲起來，在用電高峰時，通過送風系統(tǒng)將所存熱量以熱風轉(zhuǎn)熱水的方式傳遞出去。

本設(shè)備使用電發(fā)熱管作為發(fā)熱介質(zhì);采用氧化鎂作為蓄熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲起來;高溫熱能在蓄熱介質(zhì)和熱交換器之間通過空氣閉環(huán)通道，以熱風轉(zhuǎn)熱水的形式進行熱交換，從而達到水電分離，保障可靠絕緣;利用西門子S7-200 smart系列PLC作為控制核心，與上位機相結(jié)合組成監(jiān)控一體化的控制系統(tǒng)，提高電鍋爐的自動化控制水平;搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將電鍋爐工藝及生產(chǎn)參數(shù)遠傳至設(shè)備生產(chǎn)廠家和最終用戶，實現(xiàn)蓄能供熱的智能化管理及大數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

蓄能式固體電鍋爐硬件部分由蓄熱池、熱交換系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和外循環(huán)系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

蓄熱池選用92%純度的氧化鎂磚作為蓄熱體，其蓄熱溫度高達800℃，不需要專用水箱，占地面積僅為水蓄熱的八分之一;蓄熱池內(nèi)的發(fā)熱體選用鐵鉻鋁電阻絲，其發(fā)熱溫度可達1560℃，并且可以持續(xù)加熱;蓄熱池外層采用高等絕熱體，與外環(huán)境達到熱絕緣。熱交換系統(tǒng)采用水電分離技術(shù)，熱能通過循環(huán)風由高溫蓄熱體傳遞到熱交換器，進而轉(zhuǎn)換為熱水輸出，針對熱能由空氣到水的傳遞特性，選用管翅式換熱器作為換熱主體。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計的變頻風機驅(qū)動空氣閉環(huán)通道內(nèi)的熱空氣循環(huán)流動，根據(jù)供暖需要調(diào)整風機的運行頻率，可以改變熱空氣流動速度，達到調(diào)節(jié)輸出熱水溫度的目的。外循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)進出水溫度，通過變頻水泵來調(diào)節(jié)供熱管道內(nèi)水的流速，達到供暖所需效果。

整體系統(tǒng)分為三個工作階段：蓄熱階段、放熱階段和供暖階段。蓄熱階段設(shè)定在用電低谷時間，開始工作后，啟動電網(wǎng)為發(fā)熱體電阻絲持續(xù)供電，電阻絲將電能轉(zhuǎn)換為熱能，高溫蓄熱體氧化鎂不斷吸收熱能而升溫，當氧化鎂溫度達到800℃時，系統(tǒng)自動斷開電網(wǎng)，發(fā)熱體停止工作，蓄熱階段結(jié)束;放熱階段是風熱轉(zhuǎn)水熱的過程，系統(tǒng)通過自動調(diào)節(jié)，使供水溫暖的維持在90℃，為保證供暖效果，放熱階段貫穿于系統(tǒng)整個工作過程;供暖階段是指熱能經(jīng)交換器熱交換后，以熱水的形式，供給采暖末端。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

電鍋爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計分為下位機系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)，概含電鍋爐檢測系統(tǒng)、執(zhí)行監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制中心等。

3.1下位機系統(tǒng)

下位機以西門子系列可編程控制器S7-200 smart為控制核心，采集電鍋爐各個位置的溫度、風量、水量等參數(shù)，通過邏輯運算，實現(xiàn)蓄熱、放熱、供暖的全自動控制。

系統(tǒng)開始運行后，當蓄熱池內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度高限且在用電低谷時間段內(nèi)，啟動發(fā)熱體進行蓄熱，當蓄熱體的溫度達到設(shè)定溫度高限時，不論是在用電高峰還是低谷都要停止發(fā)熱體蓄熱，當蓄熱體低于設(shè)定溫度低限時，不論是在用電高峰還是低谷都要啟動發(fā)熱體蓄熱。

當放熱系統(tǒng)運行時，啟動變頻風機且打開風閥，當供水溫度低于85℃時，風機調(diào)整為最大頻率，風閥最大開度;當供水溫度在85℃～95℃之間時，風機頻率減小，風閥最大開度;當供水溫度大于95℃時，風機停止，風閥關(guān)閉。

供暖系統(tǒng)是通過供回水溫差，調(diào)整循環(huán)泵的頻率，控制熱水流量以達到供暖效果。當供水與回水溫差小于15℃時，循環(huán)泵調(diào)到最大頻率，當供回水溫差在15℃～20℃時，循環(huán)泵調(diào)到中等頻率，當供回水溫度大于20℃時，循環(huán)泵低速運行。由于供暖系統(tǒng)中的溫度變化導(dǎo)致管內(nèi)壓力波動比較大，為消除影響，在系統(tǒng)中安裝了膨脹罐。膨脹罐通過調(diào)節(jié)罐體與皮囊之間的空氣體積，使供暖系統(tǒng)達到壓力平衡。當系統(tǒng)壓力小于0.3MPa時，上水電磁閥啟動，對供暖系統(tǒng)進行補水;當系統(tǒng)壓力大于0.4MPa時，上水閥停止工作，使供暖系統(tǒng)壓力保持在0.3MPa～0.4MPa范圍內(nèi)，即可達到良好的供暖效果。

自動控制系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

3.2上位機系統(tǒng)

上位機系統(tǒng)是在工控機上建立友好的人機界面來模擬電鍋爐的運行狀況?？删幊炭刂破鞑杉婂仩t的溫度、壓力、流量等參數(shù)并實時上傳到工控機，用戶可以根據(jù)工藝要求設(shè)定用電高峰和低谷時間、加熱溫度高限和低限、供水溫度高限和低限等控制參數(shù)。

上位機系統(tǒng)作為用戶與電鍋爐系統(tǒng)交互信息的媒介，可以根據(jù)用戶的需求開發(fā)相應(yīng)的功能。例如，報表管理的功能可以記錄熱風和熱水溫度、風閥和水閥的狀態(tài)、變頻器運行頻率等數(shù)據(jù)并歸檔生成報表;事件記錄的功能可以記錄電鍋爐系統(tǒng)各個設(shè)備的啟動和停止時刻;趨勢曲線的功能可以將蓄熱體溫度、水溫度、風機頻率、水泵頻率等參數(shù)以曲線的形式呈現(xiàn)出來，用戶可以通過曲線對比總結(jié)蓄熱體溫度與水溫度、風機頻率與水溫度等之間的相互關(guān)系，從而優(yōu)化工藝，提高工作效率。

4物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

蓄能式固體電鍋爐物聯(lián)網(wǎng)平臺結(jié)合了最先進的云計算、傳感器等技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)分析對電鍋爐的橫向數(shù)據(jù)與縱向數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，為設(shè)備運行維護、售后服務(wù)、設(shè)備升級、故障報警等方面提供有力支持。

4.1系統(tǒng)構(gòu)架

電鍋爐物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架可分為三層：數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層通過鍋爐控制臺或?qū)Ｓ每刂葡鋪聿杉黝悅鞲衅餍畔?，如溫度、濕度、壓力等，電鍋爐物聯(lián)網(wǎng)平臺可以接入各種類型傳感器，給用戶更大的選擇空間，降低系統(tǒng)的實施成本。傳輸層主要通過Internet實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的云端上傳，采用WebSocket全雙工長鏈接協(xié)議，本地端向云端服務(wù)器ECS進行請求握手連接，進行密碼匹配后可實現(xiàn)持久性的穩(wěn)定連接，與傳統(tǒng)http和輪詢式數(shù)據(jù)傳輸方式相比，具有數(shù)據(jù)包小、硬件壓力小、安全性高等優(yōu)勢。將不同地點、不同規(guī)模的蓄能式電鍋爐項目各項信息采集并上傳到云端以后，通過遠程可視化界面對電鍋爐進行實時和多角度監(jiān)測，設(shè)備生產(chǎn)廠商可以得到設(shè)備的運行及報警信息，對售后維護進行統(tǒng)籌管理，用戶可以隨時隨地查看電鍋爐工作狀態(tài)及供熱效率，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

4.2功能設(shè)計

電鍋爐的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)從現(xiàn)場通過本地工控機上傳至云服務(wù)器ECS，云服務(wù)器ECS進行安全驗證并寫入云數(shù)據(jù)庫MySQL，Web可視化界面直接與ECS進行請求交互，后者從MySQL調(diào)取數(shù)據(jù)并返回Web界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，“蓄熱起停時間”、“爐腔氧化鎂加熱溫度”、“設(shè)備起?！钡萕eb端操控指令經(jīng)ECS直接下發(fā)至本地工控機，重要控制數(shù)據(jù)經(jīng)ECS寫入MySQL生成指令日志，實現(xiàn)采集層數(shù)據(jù)更新與應(yīng)用層操控指令的雙向傳輸。設(shè)備生產(chǎn)廠商及用戶可以通過PC端、手機或平板等移動端遠程訪問電鍋爐控制系統(tǒng)，輸入正確的鍋爐編號及密碼后，可視化界面動態(tài)顯示采暖系統(tǒng)的鍋爐蓄熱溫度、熱風溫度、水壓力、水流量等參數(shù)。

通過物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)了對工業(yè)電鍋爐的智能識別、監(jiān)控和管理，形成集鍋爐在線能耗診斷、遠程動態(tài)監(jiān)測為一體的鍋爐管理體系。隨著入網(wǎng)鍋爐的增多，數(shù)據(jù)采集量將更大、更廣，進而建立行業(yè)大數(shù)據(jù)庫，對電鍋爐的橫向數(shù)據(jù)與縱向數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，有助于科研機構(gòu)、環(huán)保監(jiān)督單位和鍋爐制造單位進行研究與分析，實現(xiàn)電鍋爐的集中檢測，推進精細化管理，提升鍋爐的生產(chǎn)效率和運行效率。

5結(jié)論

固體氧化鎂材料耐溫、耐火、絕緣，以氧化鎂作為蓄能材料，充分體現(xiàn)了蓄能式電鍋爐的優(yōu)勢;利用低谷電能，進行大功率熱能的存儲，可以緩解電網(wǎng)峰谷矛盾，起到了削峰填谷的作用，提高了電能利用率;在傳統(tǒng)電鍋爐中引入自動控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了自動化、智能化管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐拓展了新能源技術(shù)的應(yīng)用渠道，符合國家節(jié)能減排的基本國策，具有廣泛的推廣和使用空間。

參考文獻

[1]徐吉成.論物聯(lián)網(wǎng)為實施智能制造提供有力支撐[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017，（18）.