高溫相變式固態儲熱裝置控制系統研究

李殿文 紀秀 王暉 白東平 王佳寧

摘? 要：高溫相變式固態儲熱裝置的應用既解決了清潔能源消納的問題，又對電網調峰有很大幫助。鑒于此，設計了一款高溫相變式固態儲熱裝置，明確了加熱階段、蓄熱階段、放熱階段的工作過程，闡述了蓄熱原理，設計了模糊自適應PID溫度控制器，通過模糊控制對PID調節器的kp、ki、kd參數進行整定，不斷修正調節過程，增強系統魯棒性，使溫度控制系統更加智能化。

關鍵詞：相變;固態儲熱裝置;模糊自適應PID;魯棒性

0? ? 引言

隨著國家新能源戰略的提出，蓄熱式電鍋爐得到飛速發展，尤其是在我國北方地區，固態蓄熱式電鍋爐已得到廣泛應用。電鍋爐采取電加熱管組逐級投切方式，很好地解決了清潔能源消納的問題，同時對電網調峰也有很大幫助[1]。

蓄熱式電鍋爐其主要工作原理是把電能轉換為熱能存儲于蓄熱體內，在需要時再利用熱交換釋放熱能。蓄熱式電鍋爐的工作過程可以分為加熱階段、蓄熱階段、放熱階段，其中蓄熱階段決定了蓄熱式電鍋爐的供熱效率[2]。

本文提出了一種更高效的可智能操控的蓄熱式電鍋爐，在已有結構上進行優化，增設控制單元，通過模糊PID控制方式，不斷對控制參數進行優化，可根據當前室外溫度，通過調節離心風機功率與增壓水泵功率調節出水溫度和回水溫度，進而智能調節室內溫度。蓄熱式電鍋爐終端可以接入互聯網，用戶可以通過手機隨時監察與調控其運行狀態。

1? ? 相變式固態儲熱裝置建立

固態蓄熱式電鍋爐分為加熱部分、蓄熱部分、換熱部分、供熱部分和控制單元，共5個部分，如圖1所示，主要應用到的元件有相變儲熱磚、離心風機、變頻器、干燒管、換熱器、增壓水泵、散熱器、石棉，高鋁防火板等。

1.1? ? 工作原理

整個高溫相變式固態儲熱裝置是通過對相變復合蓄熱材料進行加熱，使相變復合材料隨溫度的變化產生相變，吸收加熱管產生的熱量，實現蓄熱的目的，再通過變頻離心風機帶動空氣流動，被加熱的空氣經蓄熱磚空隙流進換熱器，在換熱器內通過空氣流動把熱量換給水，冷卻后的空氣被離心風機重新吸收，用于下一次循環。被加熱的水在增壓水泵的帶動下流經散熱器把熱量換給外界空氣，實現對外界供暖的目的。新型蓄熱式電鍋爐可以根據用戶需求調節供熱溫度[3]。

通過調節自適應變頻離心風機的功率來調節電鍋爐內部換熱速度，通過調節水泵的功率來調節高溫相變式固態儲熱裝置放熱效率，通過控制進水溫度和回水溫度，進而實現對室內溫度的控制。

1.2? ? 加熱部分

加熱部分主要由干燒管構成，干燒管內部裝有耐高溫的電加熱絲，空隙填充導熱性能好、絕緣性能好的氧化鎂填充物。每根干燒管1 kW，采用長度為1 m的U型管，加熱管的壁厚都是0.8 mm，彎曲半徑R>2.5倍管徑，采用碳鋼材質，耐高溫1 200 ℃。為適應不同的用戶需求，每三根干燒管為一組，可根據用戶需求自行組合改變加熱功率。

加熱部分主要作用就是對蓄熱材料進行加熱，使蓄熱材料在高溫下產生相變，吸收大量熱量，存儲起來，在需要時通過相變再釋放熱量。

1.3? ? 蓄熱部分

蓄熱部分是整個高溫相變式固態儲熱裝置供暖效率的關鍵，我們選用的蓄熱材料是復合相變材料，主要成分是氧化鎂、三氧化二鋁等化合物，具體參數如表1所示。

傳統的顯熱蓄熱材料吸收熱量和釋放熱量的過程相對簡單，顯熱材料普遍是直接接觸式換熱，效率低。因此，顯熱材料熱量不能長期儲存，放熱過程不能恒溫，蓄熱密度小，導致蓄熱效率低[4]。

固體相變蓄熱材料在對熱量進行吸收和釋放時，利用材料本身在溫度變化下產生的相變過程，伴隨能量的變化。與傳統的顯熱蓄熱材料相比相變蓄熱材料蓄熱密度高，能通過相變在恒溫下放出大量熱量。雖然氣—液、氣—固轉變的相變潛熱值比液—固、固—固轉變時潛熱值大，但是根據實際需求，選用固—固這種類型。蓄熱磚的排列方式如圖1所示，每兩排蓄熱磚夾一根干燒管，整個蓄熱體由多層結構構成。

1.4? ? 換熱部分和供熱部分

換熱部分負責使蓄熱材料相變釋放能量，通過空氣循環把熱量帶到換熱器內，熱空氣與換熱器壁充分接觸，最終把熱量換給換熱器內的水，實現換熱。被加熱的水在水泵的帶動下流過散熱器，散熱器把熱量再次換給外界，失去熱量的水再流回換熱器，實現對外部的供熱。

供熱部分：換熱器內被加熱水在增壓水泵的帶動下流經散熱器，對外部供熱。這里可以通過控制增壓水泵的功率，控制水流速度，進而可以控制進水溫度和出水溫度，達到智能供熱的目的。

1.5? ? 控制單元

控制單元分為供電、控制和通信三個部分，各部分之間關系如圖2所示。供電部分實現對干燒管、增壓水泵、風機和傳感器等部分的供電。通信部分應用了Wi-Fi通信模塊，在與用戶同一網絡環境下，用戶就可以下載調試軟件，通過調試軟件進行對高溫相變式固態儲熱裝置相關參數進行預設置。

同時，為實現相變式固態儲熱裝置的運行數字化，提高系統安全性，這里的通信部分把鍋爐當前運行參數上傳到上位機管控平臺，供用戶參考，當前運行參數主要有爐膛溫度TK、室溫TP、進水溫度T1、回水溫度T2、離心風機轉速P1、水流速度P2等監測系統運行的必要參數。用戶可以根據自己的不同需求自行設定蓄熱時間、加熱時長、供暖時間段、供暖溫度。在離線模式下，鍋爐控制系統會根據外界的溫度變化調整自身運行狀態，當外界溫度實際值低于預設值時，增加離心風機轉速，提高出水溫度，增加放熱;當外界溫度實際值高于預設值時，減小離心風機轉速，降低出水溫度，減少放熱，從而更加智能化地服務用戶。

2? ? 模糊自適應PID溫度控制器的設計

模糊控制較傳統的控制方式相比，魯棒性好，能夠較大范圍地適應參數變化，不需要精確的被控對象的數學模型，與常規PID控制相比，動態響應品質優良。PID控制規律：

式中：kp為比例系數;TI為積分時間常數;TD為微分時間常數。

把模糊控制與PID調節相結合，形成模糊自適應PID控制，自適應控制運用現代控制理論在線辨識對象特征參數，根據實際需求，不斷改變控制策略，其最終目的，是把要控制的參數保持在最佳范圍內，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復雜系統是非常困難的。因此，在實踐中PID算法仍被廣泛應用[5]。

如圖3所示，控制系統的關鍵在于對PID參數進行整定，需要通過模糊控制的原理對kp、ki、kd三個參數進行不斷修正，以適應e和ec的變化，主要的目的是建立e和ec與kp、ki、kd三個參數之間的關系。主要起到調節作用的仍然是PID調節器，但與以往不同的是，PID調節器的參數是實時修正的，能使被控對象有良好的動、靜態性能[6]。

從系統的穩定性、響應速度、超調量和精度等各方面來考慮，kp、ki、kd的作用如下：

（1）比例系數kp的作用是加快系統的響應速度，其取值的大小決定了系統的響應速度，過大、過小都會對系統有一定的負面影響，所以kp參數調整要有一定的范圍限制，才可以既不產生超調，也不降低調節精度。

（2）積分作用系數ki的作用是消除系統的穩態誤差，主要是對系統的調節精度有一定的影響，如果設置ki參數過大，可能會出現積分飽和現象;如果設置ki參數過小，則難以消除靜態誤差。

（3）微分作用系數kd的作用是改善系統的動態特性，kd過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節時間，而且會降低系統的抗干擾性能。

3? ? Matlab仿真實現

如圖4所示，從仿真實驗結果可以看出，隨時間的變化誤差在逐漸減小，與傳統的PID控制方式相比，誤差減小到趨于穩定的時間較短。如圖5所示，從模糊PID控制階躍響應的速度來看，與傳統控制方式進行比較，響應速度更快，效果更穩定。

4? ? 結語

復合材料種類的逐漸豐富，為蓄熱式電鍋爐的發展提供了必要條件。通過相變的過程伴隨能量的變化，從而實現相變復合材料的儲熱、放熱，提高了儲熱能力，減少了能源的浪費，為清潔能源消納做出了貢獻。高溫相變式固態儲熱裝置應用模糊自適應PID調節方式，通過模糊控制對PID調節器的kp、ki、kd參數進行不斷整定，使系統響應靈活，魯棒性提高。與傳統電鍋爐相比較，蓄熱式電鍋爐具有占地面積小、蓄熱能力強、保溫時間長、控制靈活、造價低等優點。在未來清潔能源不斷發展的背景下，相變式蓄熱電鍋爐定會走進千家萬戶。

[參考文獻]

[1] 張勇勝.蓄熱電鍋爐技術及其移峰填谷效果的評價方法[J].電力需求側管理，2007，9（1）：29-31.

[2] 祁兵，何承瑜，李彬，等.基于蓄熱電鍋爐不同工作模式的區域綜合能源系統優化調度[J].現代電力，2019，36（6）：45-51.

[3] 王希鵬.固體材料蓄熱式電鍋爐的研究[J].城市建設理論研究（電子版），2018（4）：76.

[4] 房叢叢.相變蓄熱裝置的數值模擬與優化[D].濟南：山東建筑大學，2012.

[5] 楊國強.基于模糊自適應控制的鍋爐溫度控制[J].輕工機械，2013，31（2）：52-55.

[6] 劉朝榮，馬立新.基于自適應模糊PID的鍋爐主汽溫控制方法研究[J].電子測量技術，2019，42（19）：85-89.

收稿日期：2020-06-28

作者簡介：李殿文（1995—），男，吉林農安人，碩士在讀，研究方向：電力系統自動化技術應用。