高温相变式固态储热装置控制系统研究

李殿文 纪秀 王晖 白东平 王佳宁

摘  要：高温相变式固态储热装置的应用既解决了清洁能源消纳的问题，又对电网调峰有很大帮助。鉴于此，设计了一款高温相变式固态储热装置，明确了加热阶段、蓄热阶段、放热阶段的工作过程，阐述了蓄热原理，设计了模糊自适应PID温度控制器，通过模糊控制对PID调节器的kp、ki、kd参数进行整定，不断修正调节过程，增强系统鲁棒性，使温度控制系统更加智能化。

关键词：相变;固态储热装置;模糊自适应PID;鲁棒性

0    引言

随着国家新能源战略的提出，蓄热式电锅炉得到飞速发展，尤其是在我国北方地区，固态蓄热式电锅炉已得到广泛應用。电锅炉采取电加热管组逐级投切方式，很好地解决了清洁能源消纳的问题，同时对电网调峰也有很大帮助[1]。

蓄热式电锅炉其主要工作原理是把电能转换为热能存储于蓄热体内，在需要时再利用热交换释放热能。蓄热式电锅炉的工作过程可以分为加热阶段、蓄热阶段、放热阶段，其中蓄热阶段决定了蓄热式电锅炉的供热效率[2]。

本文提出了一种更高效的可智能操控的蓄热式电锅炉，在已有结构上进行优化，增设控制单元，通过模糊PID控制方式，不断对控制参数进行优化，可根据当前室外温度，通过调节离心风机功率与增压水泵功率调节出水温度和回水温度，进而智能调节室内温度。蓄热式电锅炉终端可以接入互联网，用户可以通过手机随时监察与调控其运行状态。

1    相变式固态储热装置建立

固态蓄热式电锅炉分为加热部分、蓄热部分、换热部分、供热部分和控制单元，共5个部分，如图1所示，主要应用到的元件有相变储热砖、离心风机、变频器、干烧管、换热器、增压水泵、散热器、石棉，高铝防火板等。

1.1    工作原理

整个高温相变式固态储热装置是通过对相变复合蓄热材料进行加热，使相变复合材料随温度的变化产生相变，吸收加热管产生的热量，实现蓄热的目的，再通过变频离心风机带动空气流动，被加热的空气经蓄热砖空隙流进换热器，在换热器内通过空气流动把热量换给水，冷却后的空气被离心风机重新吸收，用于下一次循环。被加热的水在增压水泵的带动下流经散热器把热量换给外界空气，实现对外界供暖的目的。新型蓄热式电锅炉可以根据用户需求调节供热温度[3]。

通过调节自适应变频离心风机的功率来调节电锅炉内部换热速度，通过调节水泵的功率来调节高温相变式固态储热装置放热效率，通过控制进水温度和回水温度，进而实现对室内温度的控制。

1.2    加热部分

加热部分主要由干烧管构成，干烧管内部装有耐高温的电加热丝，空隙填充导热性能好、绝缘性能好的氧化镁填充物。每根干烧管1 kW，采用长度为1 m的U型管，加热管的壁厚都是0.8 mm，弯曲半径R>2.5倍管径，采用碳钢材质，耐高温1 200 ℃。为适应不同的用户需求，每三根干烧管为一组，可根据用户需求自行组合改变加热功率。

加热部分主要作用就是对蓄热材料进行加热，使蓄热材料在高温下产生相变，吸收大量热量，存储起来，在需要时通过相变再释放热量。

1.3    蓄热部分

蓄热部分是整个高温相变式固态储热装置供暖效率的关键，我们选用的蓄热材料是复合相变材料，主要成分是氧化镁、三氧化二铝等化合物，具体参数如表1所示。

传统的显热蓄热材料吸收热量和释放热量的过程相对简单，显热材料普遍是直接接触式换热，效率低。因此，显热材料热量不能长期储存，放热过程不能恒温，蓄热密度小，导致蓄热效率低[4]。

固体相变蓄热材料在对热量进行吸收和释放时，利用材料本身在温度变化下产生的相变过程，伴随能量的变化。与传统的显热蓄热材料相比相变蓄热材料蓄热密度高，能通过相变在恒温下放出大量热量。虽然气—液、气—固转变的相变潜热值比液—固、固—固转变时潜热值大，但是根据实际需求，选用固—固这种类型。蓄热砖的排列方式如图1所示，每两排蓄热砖夹一根干烧管，整个蓄热体由多层结构构成。

1.4    换热部分和供热部分

换热部分负责使蓄热材料相变释放能量，通过空气循环把热量带到换热器内，热空气与换热器壁充分接触，最终把热量换给换热器内的水，实现换热。被加热的水在水泵的带动下流过散热器，散热器把热量再次换给外界，失去热量的水再流回换热器，实现对外部的供热。

供热部分：换热器内被加热水在增压水泵的带动下流经散热器，对外部供热。这里可以通过控制增压水泵的功率，控制水流速度，进而可以控制进水温度和出水温度，达到智能供热的目的。

1.5    控制单元

控制单元分为供电、控制和通信三个部分，各部分之间关系如图2所示。供电部分实现对干烧管、增压水泵、风机和传感器等部分的供电。通信部分应用了Wi-Fi通信模块，在与用户同一网络环境下，用户就可以下载调试软件，通过调试软件进行对高温相变式固态储热装置相关参数进行预设置。

同时，为实现相变式固态储热装置的运行数字化，提高系统安全性，这里的通信部分把锅炉当前运行参数上传到上位机管控平台，供用户参考，当前运行参数主要有炉膛温度TK、室温TP、进水温度T1、回水温度T2、离心风机转速P1、水流速度P2等监测系统运行的必要参数。用户可以根据自己的不同需求自行设定蓄热时间、加热时长、供暖时间段、供暖温度。在离线模式下，锅炉控制系统会根据外界的温度变化调整自身运行状态，当外界温度实际值低于预设值时，增加离心风机转速，提高出水温度，增加放热;当外界温度实际值高于预设值时，减小离心风机转速，降低出水温度，减少放热，从而更加智能化地服务用户。

2    模糊自适应PID温度控制器的设计

模糊控制较传统的控制方式相比，鲁棒性好，能够较大范围地适应参数变化，不需要精确的被控对象的数学模型，与常规PID控制相比，动态响应品质优良。PID控制规律：

式中：kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

把模糊控制与PID调节相结合，形成模糊自适应PID控制，自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，根据实际需求，不断改变控制策略，其最终目的，是把要控制的参数保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在实践中PID算法仍被广泛应用[5]。

如图3所示，控制系统的关键在于对PID参数进行整定，需要通过模糊控制的原理对kp、ki、kd三個参数进行不断修正，以适应e和ec的变化，主要的目的是建立e和ec与kp、ki、kd三个参数之间的关系。主要起到调节作用的仍然是PID调节器，但与以往不同的是，PID调节器的参数是实时修正的，能使被控对象有良好的动、静态性能[6]。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和精度等各方面来考虑，kp、ki、kd的作用如下：

（1）比例系数kp的作用是加快系统的响应速度，其取值的大小决定了系统的响应速度，过大、过小都会对系统有一定的负面影响，所以kp参数调整要有一定的范围限制，才可以既不产生超调，也不降低调节精度。

（2）积分作用系数ki的作用是消除系统的稳态误差，主要是对系统的调节精度有一定的影响，如果设置ki参数过大，可能会出现积分饱和现象;如果设置ki参数过小，则难以消除静态误差。

（3）微分作用系数kd的作用是改善系统的动态特性，kd过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

3    Matlab仿真实现

如图4所示，从仿真实验结果可以看出，随时间的变化误差在逐渐减小，与传统的PID控制方式相比，误差减小到趋于稳定的时间较短。如图5所示，从模糊PID控制阶跃响应的速度来看，与传统控制方式进行比较，响应速度更快，效果更稳定。

4    结语

复合材料种类的逐渐丰富，为蓄热式电锅炉的发展提供了必要条件。通过相变的过程伴随能量的变化，从而实现相变复合材料的储热、放热，提高了储热能力，减少了能源的浪费，为清洁能源消纳做出了贡献。高温相变式固态储热装置应用模糊自适应PID调节方式，通过模糊控制对PID调节器的kp、ki、kd参数进行不断整定，使系统响应灵活，鲁棒性提高。与传统电锅炉相比较，蓄热式电锅炉具有占地面积小、蓄热能力强、保温时间长、控制灵活、造价低等优点。在未来清洁能源不断发展的背景下，相变式蓄热电锅炉定会走进千家万户。

[参考文献]

[1] 张勇胜.蓄热电锅炉技术及其移峰填谷效果的评价方法[J].电力需求侧管理，2007，9（1）：29-31.

[2] 祁兵，何承瑜，李彬，等.基于蓄热电锅炉不同工作模式的区域综合能源系统优化调度[J].现代电力，2019，36（6）：45-51.

[3] 王希鹏.固体材料蓄热式电锅炉的研究[J].城市建设理论研究（电子版），2018（4）：76.

[4] 房丛丛.相变蓄热装置的数值模拟与优化[D].济南：山东建筑大学，2012.

[5] 杨国强.基于模糊自适应控制的锅炉温度控制[J].轻工机械，2013，31（2）：52-55.

[6] 刘朝荣，马立新.基于自适应模糊PID的锅炉主汽温控制方法研究[J].电子测量技术，2019，42（19）：85-89.

收稿日期：2020-06-28

作者简介：李殿文（1995—），男，吉林农安人，硕士在读，研究方向：电力系统自动化技术应用。