朗肯循环余热回收控制系统设计

周校冉

摘要：郎肯循环是一种以水蒸气为工质的理想循环过程，郎肯循环在能源再利用和环保领域为我国的节能减排事业做出了重要贡献。本文主要介绍朗肯循环过程及余热回收利用，并设计一种基于PID控制的温度控制系统，便于提高余热回收效率。

关键词：朗肯循环;余热回收;PID控制

1  朗肯循环余热回收

1.1 朗肯循环工作过程

朗肯循环是指以水蒸气作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀、以及一个等压冷凝过程，用于蒸汽装置动力循环。朗肯循环的整个工作流程可以被简化成为四个部分，而对于余热利用来说最重要的就是压缩和冷凝这两个过程。以柴油机为例，主要循环如下：首先通过工质泵将液态工质加压（一般情况下是水）送往预热器中;预热器利用柴油机缸套水的温度将工质温度升高，此时还依然呈液态;预热后的液态工质再进入到蒸发器中，从液态经高温蒸发汽化作用变成了高温高压的气态工质;此时高温高压的蒸汽可以进入汽轮机中膨胀并推动汽轮机做功;做工结束后的气态工质经过冷凝后重新变回液态，继续下一次的循环。

1.2 朗肯循环的作用

①提高过热器出口蒸汽压力与温度。由于朗肯循环的作用，能够回收利用余热，工质经过过热装置可以提高蒸汽压力与初始温度，促进做工效果。

②降低排汽压力。将一部分热蒸汽回收，有效降低了排气压力。

③减少排烟、散热损失。由于循环过程工质为水蒸气，可以抑止烟雾排放并利用自身比热较高的特点回收余热。

④提高锅炉、汽轮机内效率。回收利用的高热高压蒸汽可以进入下一次做功环节，有效提升了轮机效率。

朗肯循环是一种应用广泛的循环系统过程，它可以应用在很多方面。除了上面提到的内燃机，还可以应用于燃料电池的冷却，对于燃料电池来说，温度的控制要比内燃机更要精准，因此相比较于内燃机而言，燃料电池更需要精准一些的控制来调节进入其循环中的工质温度。

2  余热回收温度控制系统设计

2.1 系统模型的建立

由于内燃机等进行朗肯循环的能源动力装置是由很多部分构成的，蒸发器、冷凝器、工质轮机、工质泵等设备之间会有热损耗，为了控制进入每一部分的工质温度达到一定标准，我们需要做一套控制系统来控制温度情况。由于不设置具体研究对象，我们假设某设备功率为3000W，目标输入温度为180℃，根据科恩-库恩公式得到被控对象的传递函数为：

2.2 PID控制策略研究

PID控制是比例积分微分控制的简称，是最早发展起来并广泛应用的控制策略之一。本次控制方式选择PID控制，是因为它的算法较为简单，鲁棒性好，可靠性高，比较适合这种大规模简单的控制类型。

2.3 PID仿真工具的选用的

本次仿真设计使用的是MATLAB之中的Simulink模块，Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

3  系统设计仿真分析

采用MAELAB中的Simulink模块对系统进行仿真，在Simulink中建立温度仿真模型如图1所示。

在阶跃中设定初始参数，从0时刻开始，最终值设定为150℃，在传递函数模块中输入我们所需的传递函数，由于朗肯循环是一个有时间间隔的循环过程，工质在每一个设备之间进入排除有时间间隔，所以在实际中有一定的滞后;我们在TransportDelay模块中设定滞后时间为30s。在里一个输出端再输入一个阶跃信号150，方便结果对照。设置PID三参数，如图2所示。

多次调整比例积分微分得到最佳仿真曲线，当输入Proportional（P）=3;Integral（I）=0.007;Derivative（D）=0.001;Filtercoefficient（N）=150时得到如图3的仿真曲线。

由结果可以看出调节时间约为800s，超调量σ约为3.3%，稳态误差 ess=0。基本可以达到所需的控制要求。

根据上述条件，本此设计还采用了另一种控制方式，依然是采用PID控制的模式。根据所具备的条件在Simulink中建立第二种温度仿真模型如图4所示。

和第一种模型一样，在Library Browser模型库中找到我们所需的模型，添加连接起来，得到仿真模型。第二个模型同样有延迟30s，它的PID控制三参数由三个Gain模块控制，多次调整后得到的参数为Gain=0.007;Gain1=0.001;Gain2=2。同样模型2中也有一个对比阶跃信号，方便观察对比。完成之后，双击Scope模块得到如图5的仿真曲线。

从仿真结果不难看出，仿真模型2的调节时间约为850s，超调量σ约为1.1%，稳态误差 ess=0;基本可以达到所需的控制要求。

比较两种控制模式我们发现，第一种结构较为简单方便，控制调节时间也较短，但是超调量略大于第二种模型，第二种模型的模块较多，但是超调量较小，二者稳态误差都为0，说明两种模型都能达到基本稳定控制温度的目的。

4  结语

本文主要介绍了在环保与余热利用领域应用广泛朗肯循环，简述了朗肯循环的作用;由于朗肯循环工质是需要热交换的，所以稳定控制进入各个设备工质的温度就尤为重要了，本文提出了两种基于PID控制的一种温度控制系统，通过matlab中的Simulink模块进行仿真，得到了效果较好的仿真结果，为以后的精准温度控制打下了基础。由于研究条件受限，这次研究并没有采用实际实验装置进行试验，本次设计的控制系统为简单PID控制，能够基本满足系统要求，然而很多时候需要更加精准快速的控制方式，所以在未来的设计中，需要引入PID模糊控制等一系列先进的控制技术。

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