可移动式相变蓄热装置智能控制系统设计

吕　科， 俞铁铭， 赵志惠， 向　阳（.华电电力科学研究院，浙江杭州30030；.浙江华东机电工程有限公司，浙江杭州30030）

可移动式相变蓄热装置智能控制系统设计

吕科1， 俞铁铭1， 赵志惠2， 向阳1
（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.浙江华东机电工程有限公司，浙江杭州310030）

通过分析可移动式相变蓄能供热系统的特点，确定了可移动式相变蓄能供热控制系统设计思路和设计原则。本文设计了PLC电控柜，通过采集系统不同位置的测点信号，控制相应的电磁阀、电动调节阀，实现系统蓄能、运输、供热三个阶段的自动控制流程，从而提高工作效率，提高产品品质，并能简化操作。

蓄热； 控制系统； 供热

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.015

0　引言

传统的集中式供暖系统采用大容量设备、集中生产，然后通过大热网将热量输送给较大范围内的众多用户，存在管网热损失、管路输送能耗、初期建设成本高等问题。可移动式相变蓄热装置可脱离集中管网的局限，将热量直接输送至各用户端，实现灵活的“分布式”供暖方式。可移动式相变蓄热装置是将余热蒸汽通过快速接口进入蓄热装置，加热蓄热体，使其内部蓄热材料由固态变为液态，此过程实现热能转化和储存。当营房、操作间、生产设备等需要供暖时，将供暖系统的供回水管口分别与蓄热装置的出口和供暖回水口相连，打开循环泵，通过循环水泵给采暖系统供热，其相变材料中所储存的热量不断通过蓄热体均匀传递到导热介质（水）中，根据需要将水加热至45～80℃，相变蓄热材料逐渐释放所存的潜热后，发生晶格变化凝固，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度（50～60℃）时，释热过程结束；供热水时先将该装置的热水出口与用户供水系统的入口相连，其入口与自来水管或用户热水系统的回水相连，通过调节供水温度调节阀与循环回水或自来水混合提供所需供水温度。［1，2］

1　智能控制需求分析

可移动式相变蓄热装置可分为蓄热、运热、放热的三个过程。为提高蓄热、放热的效率。输出较高品质的热水，提高产品质量。易于操作、管理。以下分析了移动蓄热车的三种过程：

蓄热过程：前期产品通过手动的方式来调节蒸汽输入时间，从而达到蓄热过程。这种过程，由于完全是通过人的经验来判定蓄热是否已经完成。因此，可能出现蓄热材料没有达到饱和，还可以继续蓄热和蓄热材料已经达到饱和但还在蓄热的两种情况。前一种情况是对蓄热材料没有充分利用，整车的蓄热能力没有达到要求，相当于在运输成本没有下降的情况下，运力下降，从而是经济效益下降，没有达到最优的经济效益。后一种情况，是蓄热已经完成，但还是继续输入热蒸汽，从而使整个运输效率下降，变相的增加了运输成本。

运热过程：前期的产品在运输过程中没有任何动作。对于运输过程中泄漏等问题不能实时监控系统并报警。

放热过程：以前产品通过人工调节旁路冷水阀，来控制输出温度。这样会出现，出口水温变动，品质不高和蓄热材料没有充分放热就手动完成关闭出水阀的问题。前一问题热水温度可能到不到客户要求，后一问题没有提高蓄热车的利用率。

2　控制系统设计原理

针对以上分析的可移动式相变蓄能供热装置，结合自动控制原理，设计了以下测点及控制量。

为了监测箱体中不同点的温度，这里设置了10个温度采集点如图1、图2所示。

（1）蓄热袋与蓄热袋之间的温度情况3个。

（2）蒸汽换热管排之间的温度情况3个。

（3）箱体死角水温情况4个。

图1　蓄热材料附近水温测点布置

图2　箱体死角水温测点布置

测点设备清册见表1。

表1　可移动式相变蓄热装置测点

根据可移动式相变蓄热装置的控制要求及特性分析，设计了可移动式相变蓄热装置的P&ID系统图，如图3所示。

根据图3所示，可移动式蓄热装置智能控制系统主要需要完成以下几个功能：

（1）蓄热过程智能化：通过加在DN150管道上的流量计，热电阻变送器实时监测热蒸汽的流量、温度；通过加在蓄热材料的热电阻实时监测蓄热材料的温度、热水温度及相关蓄热材料的特性，从而判断蓄热材料是否达到热饱和。如果达到热饱和状态，则自动关闭蒸汽管道上的电动球阀，并提醒工作人员蓄热已经完成可以断开蓄热。

（2）运输过程智能化：在运输过程中实时监控箱内水温，液位是否正常，实现判断是否具有泄漏发生能功能。在后期还可以加上定位及无线数据传输功能，可以在远方调度运输情况。

（3）放热智能化：出水管径DN65上加热电阻及流量计，首先打开出水开关阀及温度阀，出水开关阀开度固定，输出箱体内的热水，温度阀开度可调，输出冷水。冷热水混合后输出给客户。通过出口出的热电阻反馈出口水温，与温度阀形成闭环控制，通过PID控制调节调温阀的开度大小，从而比较精确的实现客户要求的出水温度。其次，箱体的液位计实时监测箱体内热水，当箱体液位低于某个值时打开冷水进水开关阀。当箱体液位高于某个值时，关闭冷水进水开关阀。从而使箱内水位一直保持在某一范围内。最后，当箱内热水温度达不到客户的要求时，关闭所有阀门，并提示已经完成放热过程。

图2　可移动式相变蓄热装置P&ID系统图

3　控制系统设计

通过测控点计算，可以得出控制系统需要点数如下：

15个AI输入通道：4～20mA；

1个AO输出通道：4～20mA；

8个DO输出通道：24V；

14个DI输入通道：24V；

西门子s7-200系列的PLC，在工控领域被广泛应用，其价格优惠，可靠性强，性能满足本系统的要求。因此，这里选用西 门子CUP224XP DC/DC/DC+两个EM231模拟量输入模块。西门子CUP 224XP，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。因此，PLC配置图如图4所示。［3］

图4　可移动式相变蓄热装置智能控制图

整个控制系统可以在手动和自动方式下切换，当切换到手动方式下，通过面板的按钮，可以启动、开启各个电动阀的开关。这样在一些特殊情况下，比如控制系统故障情况下，可以通过手动的方式关闭各个阀门。

控制系统采集到所有数据都可以在触摸屏上显示。也可以通过触摸屏对系统进行操作。

在自动情况下，自动控制又分三种情况：蓄能、运输、放热。在蓄能情况下，控制对象只能对蒸汽阀门进行自动的控制，而不能对其他阀进行控制。在运输情况下，系统只是对各种信号的采集，而不能对各个阀进行控制。在放热情况下，系统能对实现放热过程的自动响应，而不会对蒸汽阀进行操作。

由于控制对象的特性，各种阀，各种管径，各种冷水压力，甚至热水的液位、温度都会影响控制效果。因此需要分析相关控制对象的特性，设计相应的PID参数，由于热水温度会有变化，液位也会有变化，控制算法需要具有较快的响应，甚至需要自适应PID模块来作为温度控制器。要达到温度的精度及响应速度，这一块的控制算法是难点。

对于本系统中自动控制热水出口温度的PID控制策略如图5所示。

图5　可移动式相变蓄热装置温度控制器

4　结语

因此，在蓄能过程中可移动事蓄能供热智能控制系统能够实时监测蓄热材料的温度，当蓄热材料达到饱和状态后，自动切除蒸汽供给，完成蓄热过程。

在运输过程中实时采集热水温度，液位等功能。起到泄漏报警的作用。在后期还可以加入定位系统，无线数据传输系统，从而能够实现远程调度等功能。

在供热过程中实时采集出口温度作为反馈，调节冷水旁路电动调节阀，形成闭环控制，能够很好的控制出水温度，提高热水品质。通过实施检测热水箱温度，当热水温度完全达不到客户要求的温度时，才切断整个系统，能够有效的利用蓄热材料放热，提高使用率。

可移动事蓄能供热智能控制系统能够很好的控制用户出口温度，提高热水品质，能够很好的提高蓄热车的热量利用率，能够提高蓄能、放热的效率，能够实时监控系统。最终提高整个系统的经济效益。

［1］杨波，李汛，赵军.移动蓄热技术的研究进展［J］.化工进展，2013，32 （03）：515～520.

［2］孙振安.移动式供热装置［J］.节能与环保，1991，（3）：6～9.

［3］金珑，殷中华，李洋.基于PLC控制的电蓄热智能控制系统［J］.甘肃电力技术，2009，（1）：32～35.

Design of Control System for Mobile Phase Change Heat Stroage Device

LV Ke1， YU Tie-ming1， ZHAO Zhi-hui2， XIANG Yang1
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Zhejiang East China Mechnical&Electrical Engineering Co.，Ltd，Hangzhou 310030，China）

Through the analysis made on the characteristics of mobile phase change heat stroage device，the concept and principle for the design of control system for mobile phase change heat stroage device are determined herein.This paper desins the PLC electric control cabinet.PLC by collecting diffferent measuring signal to control the corresponding electrical valve，so as to realize heat stroage，transport，heating three stages of the automotic control requiremnets.It will improve the work efficiency and product quality，and can simplify the operation..

heat stroage； control system； heating

TP273+.5

B

2095-3429（2015）02-0056-04

吕科（1985-），男，浙江舟山人，硕士，工程师，主要从事工业自动控制研究工作；

俞铁铭（1987-），男，浙江杭州人，硕士，工程师，主要从事蓄能材料与系统集成控制研究工作。

2014-12-05

2015-04-03