電加熱固體儲能供熱控制系統優化運行研究

劉春蕾 宋盼想 王 晨 郭麗姣 劉智民

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著霧霾治理攻堅戰的打響，結合風電就地消納的需要，替代燃煤供暖，實現清潔供暖受到了各方的重視[1].我國供暖區域集中于“三北”地區，此地區風能、太陽能豐富，且棄風、棄光現象嚴重，綜合應用清潔能源供暖前景廣泛[2].電加熱固體儲能供熱系統作為一種供熱行業的新興蓄熱熱源形式得到了大力發展，但現已運行的系統中仍存在諸多問題，本文以某商場的電加熱固體儲能供熱系統為研究對象，對系統的優化運行進行了深入研究.

1 電加熱固體儲能供熱系統運行分析

電加熱固體儲能供熱系統作為一種供熱行業的新興供熱形式得到了大力發展，但是目前已運行的控制系統仍然存在諸多問題，為更深入的分析電加熱固體儲能供熱系統的運行過程和運行特點，本文采用實驗法來進行研究.實驗設備具體參數如表1所示：

表1 設備參數

該商場的供熱熱源為1.6MW電加熱固體儲能供熱系統，該系統配備1個蓄熱體，3臺變頻風機，3臺真空相變換熱器，循環泵與補水泵均為1用1備.

該設備的觸摸屏界面如圖1所示:

圖1 觸摸屏界面

風機的控制方式采取傳統的單回路PID控制，風機的頻率隨供水溫度變化而變化，其中供水溫度的目標值采用就地分時段設定的方法，將一天分為了10個時段，每個時段對應的供水溫度目標值如表2所示：

表2 供水溫度目標值設定

該系統的運行調節方式為質調節，循環泵的流量維持不變，頻率始終為44Hz.本次實驗的時間為1月3日10∶00至1月5日10∶00，時間長度為48小時，每10分鐘采集一次數據，數據內容包括：蓄熱體內部溫度，供回水總管溫度，蓄熱體耗電量，總耗電量以及各設備的運行狀態等參數.其中5∶50至6∶40時段，供水溫度隨時間的變化如圖2所示：

從圖中可以看出，在5∶50至6∶00時段內，供水溫度趨于穩定，接近45 ℃，6∶00至6∶40時段內，由于供水溫度目標值發生改變，風機開始進行PID變頻調節，使供水溫度發生改變，供水溫度不斷升高，直至趨近50 ℃，并使其保持穩定.由采集的數據可以得出，系統在PID調節過程中，其超調量為1%，調節時間ts=30min.13∶50至14∶40時段供水溫度隨時間的變化如圖3所示：

圖2 供水溫度變化圖1 圖3 供水溫度變化圖2

從圖中可以看出在13∶50至14∶00時間段內，供水溫度趨于穩定，接近49 ℃，14∶00至14∶40時段內，由于供水溫度目標值發生改變，風機開始進行PID變頻調節，使供水溫度發生改變，供水溫度不斷降低，直至趨近50 ℃，并使其保持穩定.由采集的數據可以得出，系統在PID調節過程中，其超調量為1%，調節時間ts=34 min.

通過5∶50至6∶40與13∶50至14∶00兩個時間段供水溫度數據的對比，可以看出系統在供水溫度目標值發生改變時，其超調量較小，但調節時間過長，當供水溫度目標值由低變高時，系統的供熱量無法滿足用戶需求，當供水溫度目標值由高變低時，會產生過熱現象，造成能源浪費.從中可以看出單回路PID控制系統應用于電加熱固體儲能供熱系統時，控制品質較低，系統抗干擾能力較差.

通過對實驗數據的分析，現已運行的控制系統主要存在以下兩個問題：

(1)系統的穩定性差，運行調節過程緩慢，調節時間過長，導致系統的供水溫度無法在短時間內達到穩定的目標值，從一定程度上造成了能源的浪費.

(2)供熱系統熱源未能隨供回水溫度的變化及時和有效地調整供熱量，且供水溫度目標值的設定采用就地分時段設定的方法，使供水溫度無法隨室外條件的變化而發生改變，從而不能根據室外條件的變化及時調整供熱量，導致整個供熱系統部分時間段整體過熱，造成過量供暖損失，在供暖初期和末期尤為明顯.

2 控制系統優化運行方案

根據實驗分析得出的結論，可以看出現已運行的電加熱固體儲能供熱控制系統的主要問題在供水溫度的控制無法達到高效穩定的運行狀態，所以本文采用分級量調節控制的方式.

循環泵的工作頻率根據室外溫度的變化和設計熱負荷采用分級量調節控制，在整個供暖期中根據室外溫度分成4個階段，每個階段對應一個室外溫度區間，且在每個溫度區間內，循環泵的流量保持不變，調節方式為逐漸改變二次供水溫度的質調節.在調節過程中，需要保證水力工況，流量比應高于0.6，如果室外溫度較高，流量比應保持0.6不變，即系統中的循環水流量為設計流量的0.6倍.考慮到循環泵的使用壽命以及性能問題，其工作頻率范圍應保持在額定功率的70%-105%之間[3]，所以在實際運行調節中，在保證水力工況的情況下，循環泵的最低運行頻率應為額定工作頻率的70%.

根據實際運行情況循環泵的運行頻率的設定值隨室外溫度的變化應該如表3所示：

表3 循環泵頻率值設定

風機采用串級PID調節控制，通過變頻器的PID程序，控制風機的轉速.如圖4所示，將風機風量作為副被控量，組成一級閉環系統，將二次供水溫度作為主被控量，組成二級閉環系統，將這兩個閉環系統組成溫度控制的串級控制系統.

圖4 風機控制方框圖

對于供水溫度目標值的設定，則按照質調節計算公式，計算在不同室外溫度下所需要達到的供水溫度，其中室內溫度為18 ℃，室外計算溫度為-13.6 ℃，設計供水溫度為70 ℃，設計回水溫度為50 ℃，β取0.34，可得以下計算公式：

(1)

(2)

根據公式計算所得結果，考慮到控制系統中，當供水溫度的目標值發生改變的時候，系統會做出相應的調整，風機的運行頻率也會發生改變，所以系統需要一定的調整時間，供水溫度目標值根據室外溫度的變化發生改變的頻率不應過高，綜上所述，結合實際運行情況，供水溫度目標值的設定如表4所示：

表4 供水溫度目標值設定表

3 SIMULINK仿真實現

本文核心控制方案為串級PID控制，即將風機風量作為副被控量，組成一級閉環系統，將二次供水溫度作為主被控量，組成二級閉環系統，將這兩個閉環系統組成溫度控制的串級PID控制系統，根據上文中的控制方案，可將圖4等效轉化為圖5的形式：

圖5 串級PID控制等效結構圖

由圖可得副回路的傳遞函數為：

(3)

主回路的傳遞函數為：

(4)

其中主調節器函數為Gc1(s)，副調節器函數為Gc2(s)，主控對象函數為G1(s)，副控對象函數為G2(s)，采用Simulink進行編程，其仿真程序如圖6所示：

圖6 Simulink仿真程序

將Simulink仿真程序中的轉換開關切換到傳統單回路PID控制回路，設置運行時間為100 s，給定值為1，運行結束后其仿真結果如圖7所示：

圖7 單回路PID控制仿真

由圖可知，單回路PID控制在外加干擾信號后，其響應時間ts=1s，超調量為75%，穩態誤差為0.

將Simulink仿真程序中的轉換開關切換到串級PID控制回路，設置運行時間為10 s，給定值為1，其仿真結果如圖8所示：

圖8 串級PID控制仿真

由圖可知，串級PID控制在外加干擾信號后，其響應時間ts=1s，超調量為0%，穩態誤差為0.相比于傳統單回路PID控制，串級PID控制響應時間減少了94 s，超調量降低了75%，可以更快地到達穩定狀態.

對比傳統單回路PID控制和串級PID控制，可以看出串級PID控制在受到外界干擾后可以更快速的到達穩定狀態，其超調量和響應時間明顯低于傳統單回路PID控制.超調量的降低可以有效地避免電加熱固體儲能供熱控制系統在運行過程中出現整體過熱或過冷的問題，并且可以有效的節約能源；響應時間的降低可以提高系統的供熱效率.

綜上所述，串級PID控制相比于傳統單回路PID控制，抗干擾能力強，可以快速穩定的到達系統的目標值，串級PID控制可以有效的解決現已運行電加熱固體儲能供熱系統中出現的穩定性差，調節時間緩慢以及整體過熱或過冷的問題.

4 結 語

本文以某市某大型購物商場的電加熱固體儲能供熱系統為例采集實驗數據，通過實驗數據分析，最終歸納總結了系統的整體運行特點以及其主要存在的問題，并根據電加熱固體儲能供熱系統的運行特點，提出了一套切實可行的優化運行方案.最后對方案中的控制算法進行了模擬仿真，驗證了算法的可行性.但本文的方案若應用于實際工程當中，應根據具體的工程概況調整方案當中的具體運行參數，確保系統安全穩定運行.