基于PLC 的固體蓄熱式電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究

劉景霞* 黨建鵬 李安萍 王 磊 宋冠軍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

2014-2019 年全國風(fēng)電發(fā)電量迅速增長，由2014 年的1598億千瓦時增長到了2019 年的4057 億千瓦時，但同時也產(chǎn)生了嚴重的棄風(fēng)問題，2017 年棄風(fēng)量甚至達到了497 億千瓦時，其中，甘肅、新疆和內(nèi)蒙古棄風(fēng)率分別為7.6%、14%和7.1%，直接原因是電網(wǎng)消納能力不足。此外，國家支持以電代煤，減少化石能源的使用，部分地區(qū)發(fā)布了許多電價政策，供暖電價補貼以及夜間低谷廉價電價，固體蓄熱式電鍋爐以電代煤，通過夜間低谷電加熱并儲熱，白天進行放熱，既做到了消納棄風(fēng)，又減少環(huán)境污染。蓄熱式電鍋爐是一種廣義上的儲能系統(tǒng)，其產(chǎn)生的熱量一部分直接供熱，另一部分存入蓄熱裝置，作為可時移負荷[1]。但是供暖過程中如果溫度波動大，不僅影響到用戶的使用，更會導(dǎo)致設(shè)備的損壞以及能源浪費，所以設(shè)計一套溫度控制系統(tǒng)尤為重要。

1 固體蓄熱式電鍋簡介

固體蓄熱式電鍋爐工作原理：

固體蓄熱式電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能并且能夠?qū)⑵鋬Υ嫫饋恚谛枰臅r候?qū)崃糠懦觯且环N新型的電鍋爐[2]。它主要由以下幾個部分組成：電發(fā)熱元器件、蓄熱介質(zhì)、循環(huán)風(fēng)機、變頻器、熱風(fēng)-水-熱交換器、蓄熱體外殼、高溫隔熱層、溫度傳感器、壓力表、流量傳感器、控制器和電源。固體材料蓄熱式電鍋爐可實現(xiàn)全自動控制, 無人操作, 可以供采暖, 也可以供應(yīng)熱水[3]。固體蓄熱是一種利用低價電時間段將電能轉(zhuǎn)化為熱能存儲于固體蓄熱材料中，在需要提供熱量時通過必要的取熱手段進行熱量釋放的蓄熱方式[4]。

（1）產(chǎn)生熱量：蓄熱體內(nèi)有7 組加熱裝置，每組加熱裝置中含有9 個電阻發(fā)熱管，通電發(fā)熱。

（2）熱量儲存：加熱后產(chǎn)生的熱量被儲存在高密度的儲熱磚中，儲熱磚采用鎂合金材料制成，儲熱能力出眾，最高溫度可達700℃。

（3）熱量傳輸：蓄熱體底部裝有風(fēng)扇，風(fēng)扇連接電機。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)將空氣送入儲熱磚中，通過風(fēng)道加熱后，與水-氣熱交換器進行換熱，加熱循環(huán)水，循環(huán)水通過循環(huán)泵的輸送到達用戶端進行熱交換。

（4）熱量釋放：蓄熱體中熱量通過變頻風(fēng)機到達循環(huán)泵，通過水向外釋放，電機驅(qū)動風(fēng)扇，電機轉(zhuǎn)速由變頻器頻率控制。蓄熱體體積適中，但儲熱能力強大，供水溫度可以在30-95℃之間進行選擇。對于回水溫度和出水溫度差無特殊限制。

圖1 固體蓄熱式電鍋爐結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

本次研究的鍋爐溫度控制系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，主要控制分時段蓄熱和放熱，檢測室外溫度、蓄熱磚溫度和水的溫度，控制變頻器的頻率進而控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，進行快慢速換熱。檢測管道里的水壓進而確定水管中是否有水存在，若沒有水，則需要打開軟化水箱將自來水進行凈化補充循環(huán)水，過濾自來水中的金屬氧化物，保護設(shè)備不被氧化腐蝕，WINCC 組態(tài)軟件作為上位機，操作員可通過上位機對現(xiàn)場電氣設(shè)備進行監(jiān)控和控制[5]。電鍋爐在使用過程中，要根據(jù)用戶的需求進行設(shè)計，比如設(shè)置蓄熱時段、放熱時段、蓄熱溫度、電鍋爐供回水溫度、供水壓力、循環(huán)泵放熱時的工作頻率等參數(shù)[6]。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

3 硬件選型

3.1 PLC 的選型

PLC 選用西門子S7-1200，編程組態(tài)軟件使用TIA PORTAL V15 軟件，S7-1200 控制器使用靈活、功能強大，可以滿足該設(shè)備自動化需求。TIA 軟件同時擁有PLC 編程和WINCC組態(tài)功能，TIA 博圖擁有功能多而強大、編程方式便捷而靈活等特點在工業(yè)控制系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用[7]。圖3 為博途中PLC 模塊圖，表1 為PLC 各模塊選型。

圖3 PLC 模塊圖

表1 PLC 各模塊選型

由圖3 可以看到，CPU 選擇的是1215C AC/DC/RLY,選擇此CPU 的原因是加熱裝置連接的中間繼電器需要220V 的交流電供電，后面模塊需要DC24V 電源，后續(xù)添加了3 塊模塊，一開關(guān)輸出，兩模擬輸入，由于使用的輸出較多，而S7-1200 CPU 自帶的輸出不能滿足使用，故添加了一塊輸出模塊，兩塊輸入模塊分別為水溫與室外溫度和磚溫傳感器通過電壓變送器之后的模擬量輸入值。

3.2 變頻器的選型

電鍋爐溫度控制系統(tǒng)需要對風(fēng)機進行變頻調(diào)速，所以要用到變頻器，選用西門子MM420 變頻器用來調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，MM420 變頻器降低了電動機運行的噪聲，具有全面而完善的保護功能，為變頻器和電動機提供良好的保護。MM420 變頻器還具有多種工廠設(shè)置參數(shù)，是電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置[8]。

MM420 變頻器主要具有以下特性：

功率范圍和電源電壓范圍廣，包括單相和三相，功率范圍都在±10%。

輸入和輸出頻率分別為47HZ～63HZ,0HZ～650HZ，功率因數(shù)為0.98，變頻器效率為96%～97%，具有U/F 控制性能。

具有PID 閉環(huán)控制功能，控制方法有V/f；FCC 的線性V/f控制，平方和多點V/f 控制。

3.3 變頻器風(fēng)機控制電路

此溫度控制系統(tǒng)中使用兩個耐高溫風(fēng)機，一個主用，一個備用。風(fēng)機加快儲熱體中空氣流動，轉(zhuǎn)速快慢控制氣水換熱，進而控制水溫的增減。圖4 為用PLC 的輸出直接控制MM420 實現(xiàn)調(diào)速。

3.4 電阻發(fā)熱管加熱電路

電阻發(fā)熱管采用三相電星形接法，每組加熱裝置中各有9個電阻發(fā)熱管，可根據(jù)供熱面積來選擇需要的加熱裝置組數(shù)，電阻發(fā)熱管通過斷路器連接到三相電上，其加熱電路如圖5 所示。

圖4 PLC 輸出控制調(diào)速圖

圖5 加熱電路圖

3.5 人機交互界面

操作端組態(tài)畫面通過西門子WINCC 來設(shè)計，此溫度控制系統(tǒng)主控制為蓄熱和放熱兩個流程，蓄熱和放熱溫度最大值都需要根據(jù)室外平均溫度來設(shè)置。因此，組態(tài)畫面應(yīng)該有室外平均溫度與室外實際溫度，另外，組態(tài)畫面有顯示加熱裝置組數(shù)、變頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速檔位、蓄熱與放熱自動與手動開關(guān)，加熱裝置組數(shù)可以進行選擇，在變壓器承受能力較弱的情況下可以適當(dāng)關(guān)閉一些組數(shù)，還可以實時顯示磚溫曲線和水溫曲線，也可以手動設(shè)置水溫與磚溫最高溫度，磚溫最高溫度不超過650℃，水溫最高溫度不超過95℃。控制系統(tǒng)在自動模式下結(jié)合室外平均溫度，根據(jù)加熱曲線計算出磚溫和水溫的最高溫度，除非有特別要求，一般情況下不使用手動模式。此外，由于各省份的夜間低谷電價時間段各不相同，所以組態(tài)畫面還可以進行選擇加熱時間。WINCC 組態(tài)畫面如圖6 所示。

圖6 組態(tài)畫面

4 結(jié)論

本文對于固體蓄熱式電鍋爐所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)，使用PLC 進行蓄熱、發(fā)熱、補水、循環(huán)水、變頻器和風(fēng)機以及多個溫度傳感器的控制，變頻器頻率的增減調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的快慢，進而控制水的溫度。固體蓄熱式電鍋爐既可以進行供暖，也可以用于洗浴，適用于醫(yī)院、辦公樓、澡堂、社區(qū)和學(xué)校等多種場所以及建筑。通過觸摸屏進行用戶端控制，用戶可以選擇加熱時間，使用夜間低谷電價進行加熱并且蓄熱，白天進行放熱，供暖效果絕佳。