朗肯循環余熱回收控制系統設計

周校冉

摘要：郎肯循環是一種以水蒸氣為工質的理想循環過程，郎肯循環在能源再利用和環保領域為我國的節能減排事業做出了重要貢獻。本文主要介紹朗肯循環過程及余熱回收利用，并設計一種基于PID控制的溫度控制系統，便于提高余熱回收效率。

關鍵詞：朗肯循環;余熱回收;PID控制

1 ?朗肯循環余熱回收

1.1 朗肯循環工作過程

朗肯循環是指以水蒸氣作為工質的一種理想循環過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹、以及一個等壓冷凝過程，用于蒸汽裝置動力循環。朗肯循環的整個工作流程可以被簡化成為四個部分，而對于余熱利用來說最重要的就是壓縮和冷凝這兩個過程。以柴油機為例，主要循環如下：首先通過工質泵將液態工質加壓（一般情況下是水）送往預熱器中;預熱器利用柴油機缸套水的溫度將工質溫度升高，此時還依然呈液態;預熱后的液態工質再進入到蒸發器中，從液態經高溫蒸發汽化作用變成了高溫高壓的氣態工質;此時高溫高壓的蒸汽可以進入汽輪機中膨脹并推動汽輪機做功;做工結束后的氣態工質經過冷凝后重新變回液態，繼續下一次的循環。

1.2 朗肯循環的作用

①提高過熱器出口蒸汽壓力與溫度。由于朗肯循環的作用，能夠回收利用余熱，工質經過過熱裝置可以提高蒸汽壓力與初始溫度，促進做工效果。

②降低排汽壓力。將一部分熱蒸汽回收，有效降低了排氣壓力。

③減少排煙、散熱損失。由于循環過程工質為水蒸氣，可以抑止煙霧排放并利用自身比熱較高的特點回收余熱。

④提高鍋爐、汽輪機內效率。回收利用的高熱高壓蒸汽可以進入下一次做功環節，有效提升了輪機效率。

朗肯循環是一種應用廣泛的循環系統過程，它可以應用在很多方面。除了上面提到的內燃機，還可以應用于燃料電池的冷卻，對于燃料電池來說，溫度的控制要比內燃機更要精準，因此相比較于內燃機而言，燃料電池更需要精準一些的控制來調節進入其循環中的工質溫度。

2 ?余熱回收溫度控制系統設計

2.1 系統模型的建立

由于內燃機等進行朗肯循環的能源動力裝置是由很多部分構成的，蒸發器、冷凝器、工質輪機、工質泵等設備之間會有熱損耗，為了控制進入每一部分的工質溫度達到一定標準，我們需要做一套控制系統來控制溫度情況。由于不設置具體研究對象，我們假設某設備功率為3000W，目標輸入溫度為180℃，根據科恩-庫恩公式得到被控對象的傳遞函數為：

2.2 PID控制策略研究

PID控制是比例積分微分控制的簡稱，是最早發展起來并廣泛應用的控制策略之一。本次控制方式選擇PID控制，是因為它的算法較為簡單，魯棒性好，可靠性高，比較適合這種大規模簡單的控制類型。

2.3 PID仿真工具的選用的

本次仿真設計使用的是MATLAB之中的Simulink模塊，Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。

3 ?系統設計仿真分析

采用MAELAB中的Simulink模塊對系統進行仿真，在Simulink中建立溫度仿真模型如圖1所示。

在階躍中設定初始參數，從0時刻開始，最終值設定為150℃，在傳遞函數模塊中輸入我們所需的傳遞函數，由于朗肯循環是一個有時間間隔的循環過程，工質在每一個設備之間進入排除有時間間隔，所以在實際中有一定的滯后;我們在TransportDelay模塊中設定滯后時間為30s。在里一個輸出端再輸入一個階躍信號150，方便結果對照。設置PID三參數，如圖2所示。

多次調整比例積分微分得到最佳仿真曲線，當輸入Proportional（P）=3;Integral（I）=0.007;Derivative（D）=0.001;Filtercoefficient（N）=150時得到如圖3的仿真曲線。

由結果可以看出調節時間約為800s，超調量σ約為3.3%，穩態誤差 ess=0。基本可以達到所需的控制要求。

根據上述條件，本此設計還采用了另一種控制方式，依然是采用PID控制的模式。根據所具備的條件在Simulink中建立第二種溫度仿真模型如圖4所示。

和第一種模型一樣，在Library Browser模型庫中找到我們所需的模型，添加連接起來，得到仿真模型。第二個模型同樣有延遲30s，它的PID控制三參數由三個Gain模塊控制，多次調整后得到的參數為Gain=0.007;Gain1=0.001;Gain2=2。同樣模型2中也有一個對比階躍信號，方便觀察對比。完成之后，雙擊Scope模塊得到如圖5的仿真曲線。

從仿真結果不難看出，仿真模型2的調節時間約為850s，超調量σ約為1.1%，穩態誤差 ess=0;基本可以達到所需的控制要求。

比較兩種控制模式我們發現，第一種結構較為簡單方便，控制調節時間也較短，但是超調量略大于第二種模型，第二種模型的模塊較多，但是超調量較小，二者穩態誤差都為0，說明兩種模型都能達到基本穩定控制溫度的目的。

4 ?結語

本文主要介紹了在環保與余熱利用領域應用廣泛朗肯循環，簡述了朗肯循環的作用;由于朗肯循環工質是需要熱交換的，所以穩定控制進入各個設備工質的溫度就尤為重要了，本文提出了兩種基于PID控制的一種溫度控制系統，通過matlab中的Simulink模塊進行仿真，得到了效果較好的仿真結果，為以后的精準溫度控制打下了基礎。由于研究條件受限，這次研究并沒有采用實際實驗裝置進行試驗，本次設計的控制系統為簡單PID控制，能夠基本滿足系統要求，然而很多時候需要更加精準快速的控制方式，所以在未來的設計中，需要引入PID模糊控制等一系列先進的控制技術。

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