胡徐勝，劉 娟

（1.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山 243031；2.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山 243031）

純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化

胡徐勝1，劉 娟2

（1.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山 243031；2.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山 243031）

為了提高純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中余熱能量的利用率，對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。著重研究蒸發(fā)器換熱效率的跟蹤和熱度控制，提出了純低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案，并對過熱度控制進(jìn)行了優(yōu)化策略分析。

控制策略；余熱發(fā)電；溫度控制；PID

0 引言

水泥、冶金、化工等企業(yè)由于自身生產(chǎn)工藝決定了其在生產(chǎn)的某些環(huán)節(jié)中會損耗大量的電能和熱能，并產(chǎn)生一定量的余熱。純低溫余熱發(fā)電通過回收這些高能耗企業(yè)排放的中低溫的廢蒸汽、煙氣來發(fā)電。純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的溫度控制目前普遍采用DCS方案，控制效果一般。

1 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)原理

根據(jù)循環(huán)工質(zhì)的特點(diǎn)，選擇沸點(diǎn)不高的有機(jī)物作為制冷劑。儲液罐的工質(zhì)由工質(zhì)泵作用泵入蒸發(fā)器，這時工質(zhì)會因?yàn)槭軣岷蛽Q熱產(chǎn)生相變。隨后這些變成蒸汽的工質(zhì)會進(jìn)入渦輪機(jī)中，受熱膨脹做功，以此來推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動，這樣完成了機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換。冷凝器將工質(zhì)冷凝后輸送到蒸發(fā)器中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流程，如圖1和圖2所示。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)示意圖

圖2 帶回?zé)崞鞯挠袡C(jī)肯循環(huán)示意圖

2 板式蒸發(fā)器的基本結(jié)構(gòu)和模型的建立

蒸發(fā)器通過制冷劑液體的蒸發(fā)，吸收經(jīng)過冷卻的介質(zhì)的熱能。這樣一種用來換熱的裝置，對于制冷系統(tǒng)來說，是用來獲取熱能的。

2.1 板式蒸發(fā)器的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)蒸發(fā)器冷卻對象的區(qū)別將其劃分成空氣型和液體型兩種類型。冷卻液體型能夠劃分成U型管、直管和板式。選擇板式蒸發(fā)器作為熱力交換裝置，如圖3和圖4板式蒸發(fā)器模型圖。其構(gòu)造緊湊，使得液體流動時受到的阻力較小，不僅使得金屬的消耗減少，并且對于制冷劑的需求較少，重量也相對較輕，能夠適應(yīng)流體之間差距不大的溫差傳熱。

圖3 由兩塊成形板組成的板式蒸發(fā)器

2.2 板式蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型的建立

板式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)相對來說更加復(fù)雜，在建立模型時做了以下假設(shè)。

圖4 板式蒸發(fā)器模型圖

（1）外部的空氣和蒸發(fā)器的板片之間，可以對它們的熱對流暫時忽略不考慮；

（2）工質(zhì)的流動是無逆流的、單向的現(xiàn)象；

（3）每個板壁和蒸發(fā)器的板片之間，它們的溫度是沒有溫差的；

（4）液相和氣相，這二者有同樣的飽和溫度以及飽和的壓力，也就是常說的熱力學(xué)平衡。

針對蒸發(fā)器換熱效率的要求，本次設(shè)置的模型屬于穩(wěn)態(tài)模型，它是以分區(qū)集中參數(shù)為根基。根據(jù)操作員以及冷卻源在內(nèi)部的情況，把蒸發(fā)器的構(gòu)成劃分成兩相區(qū)，即過冷區(qū)與過熱區(qū)。

（1）過熱區(qū)制冷劑數(shù)學(xué)模型

式中：h-焓，單位J/kg；Ksh-換熱系數(shù)；A-單位換熱面積，單位m2；L-板長，單位m。

式中：Nu-整齊側(cè)冷凝的努謝爾特?cái)?shù)；Re-流體雷諾數(shù)，u-動力粘度；Pr-流體普朗特?cái)?shù)

式中：G-板間流體的質(zhì)量流速，單位kg/（m2·s）；d-當(dāng)量直徑，單位m。

（2）兩相區(qū)制冷劑數(shù)學(xué)模型

式中：X0- 蒸汽干度；γ- 氣化潛熱，單位 J/kg；ρl、ρg-進(jìn)出口蒸汽密度，單位kg/m3。

（3）過冷區(qū)制冷劑數(shù)學(xué)模型

式中：Cp-定壓比熱容，單位J/（kg·k）。

其中，每個參數(shù)下標(biāo)含義匯總?cè)缦拢?/p>

e-控制體的平均參數(shù)，g-飽和氣體；l-飽和液體，R-有機(jī)工質(zhì)；W-水；w-板壁，1-進(jìn)水狀態(tài)，2-出水狀態(tài)

3 蒸發(fā)器換熱效率的跟蹤控制

蒸發(fā)器通過換熱的效率去跟蹤控制蒸發(fā)器，并將熱能傳遞給工質(zhì)。本文設(shè)計(jì)余熱的熱源為液態(tài)的水。在熱交換時水不會產(chǎn)生相變，所以水的比熱容是個確定值，因此，熱源液態(tài)水含有的所有熱度可以記作：

其中C1是余熱水的比熱容，單位J/（kg·k）；M1為水的質(zhì)量流量，單位kg/s；T2為水的出口溫度；T1為水的進(jìn)口溫度。

R600a在板式蒸發(fā)器里進(jìn)行了相變，所以針對它的熱量交換分段去計(jì)算：

式中，Cp1為余熱中介質(zhì)發(fā)出潛熱之后，從入口的液態(tài)到產(chǎn)生相變整個流程的平均比。定壓的熱容，單位為J/（kg·k）；Cp2為余熱內(nèi)介質(zhì)由相變，再到出口整個流程的平均比，定壓熱容，單位J/（kg·k）；Δilatent為余熱內(nèi)介質(zhì)的比相變潛熱，單位J/kg。

所以蒸發(fā)器換熱的效率能夠表示為：

式中：C1、Cp1、Cp2、Δilatent因?yàn)楹陀袡C(jī)工質(zhì)物性相關(guān)，能夠當(dāng)作固有的值；在討論時，能進(jìn)行如下設(shè)想：

（1）入口和出口的溫度以及熱源液態(tài)水流量都是固定的；

（2）比相變潛熱因?yàn)檎加玫谋戎睾苄?，可以忽略不?jì)。

所以，可以簡化成下式：

由于熱源水流量、入口以及出口溫度都是固定不變的，因此水的質(zhì)量流量也是不變的，也就是水的熱量Q1是不變的值。根據(jù)公式知道，工質(zhì)獲取的熱能Q2由有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量M2，ΔT得來，為了增加換熱的能力，需要探究這三個方面的聯(lián)系。

在模擬試驗(yàn)后，就能夠獲取在一定區(qū)間里提高工質(zhì)質(zhì)量的流量M2，但根據(jù)質(zhì)量和流量M2的上升ΔT就隨之減少。這一現(xiàn)象的發(fā)生導(dǎo)致不能獲取足夠的過熱，Q2也會隨之減少，所以，對適宜的工質(zhì)的質(zhì)量流量，使過熱度ΔT保持在一定數(shù)值范圍，對工質(zhì)吸收熱量的增多是十分有利的，對換熱效率會產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)換熱效率跟蹤控制，確定變更工質(zhì)的出入口溫度以及流量。再探究參數(shù)的特性，根據(jù)控制的方式來做跟蹤控制。這里面需要選擇恰當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)流量，將過熱度的值保持接近設(shè)定值，板式蒸發(fā)器換熱系統(tǒng)的換熱力取決于其出口處的過熱度。

4 過熱度控制策略及其控制理論的建立

4.1 過熱度控制理論的分析

余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性以及是否能夠充分利用資源得到高的發(fā)電率，都受到蒸發(fā)器的出口過熱度的高低的影響。所謂出口過熱度，即蒸發(fā)器出口處的溫度值比飽和的值還高。在出口過熱度這個層面上，增加整個系統(tǒng)的效率是非常關(guān)鍵的。相對換熱來說，蒸發(fā)器過熱度的控制過程如下。

板式蒸發(fā)器出口過熱度ΔT=T1-Ts。當(dāng)環(huán)境影響時，蒸發(fā)器出口的溫度值根據(jù)熱源溫度的改變而改變。在熱力學(xué)中，有機(jī)工質(zhì)的每個飽和的壓力值都有相應(yīng)的飽和溫度與之對應(yīng)，具體的細(xì)節(jié)變化由圖5的溫熵曲線圖可以清楚了解。

圖5 T-S曲線圖

由圖5可以看出，該系統(tǒng)原來的工作曲線是1-2-3-4-5-6，T1為出口的溫值，Ts為飽和的溫值。假定熱源正在不斷地增加溫度，隨著其溫度值的提高，相應(yīng)的蒸發(fā)器出口溫值隨之會不停地增加，記作T1，此刻的飽和的溫值依舊是先前的那個Ts，過熱度Δt=T1-Ts，其數(shù)值大于原先的數(shù)值，即Δt＞ΔT。

4.2 過熱度控制策略的分析

本研究的控制目標(biāo)為板式蒸發(fā)器的出口過熱度。但這里不能直接去進(jìn)行控制，僅僅允許跟蹤控制，再根據(jù)電機(jī)同軸有機(jī)工質(zhì)泵轉(zhuǎn)動的速度的快慢進(jìn)行相應(yīng)的控制。因?yàn)楸豢貙ο髶碛袝r變、不屬于線性系統(tǒng)、具有很大的滯后性這些特點(diǎn)，建造準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的工程量十分大，所以去確定控制器的參數(shù)也就變得十分不易。這時，假如采用傳統(tǒng)的PID控制，就不能很好地得到滿意的答案，所以采用模糊PID控制器作為過熱度控制器。

5 結(jié)語

本文提出通過控制工質(zhì)泵的質(zhì)量流量，來達(dá)到調(diào)整蒸發(fā)器出口過熱度的目的。選擇三相異步電機(jī)作為工質(zhì)泵同軸電動機(jī)，以改變轉(zhuǎn)速去保持蒸發(fā)器的出口過熱度，使該系統(tǒng)擁有的性能優(yōu)化。

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Research on Control Strategy Optimization of Pure Low Temperature Waste Heat Power Generation System

HU Xu-sheng1，LIU Juan2
（1.Hohai University Wentian College，MaAnshan 243031，China；2.MaAnshan Technical College，MaAnshan 243031，China)

In order to improve the utilization rate of waste heat energy in the pure low temperature waste heat power generation system,the mathematical modeling of the system is carried out.The tracking and heat control of the heat transfer efficiency of evaporator are studied emphatically.The improvement scheme of the control system of pure low temperature waste heat power generation is put forward,and the optimization strategy of superheat control is analyzed.

control strategy；waste heat power generation；temperature control；PID

TP273

A

1674-3229（2017）04-0043-04

2017-09-21

安徽省高校省級自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2016A697）；河海大學(xué)文天學(xué)院校級科研項(xiàng)目（WT16013）

胡徐勝（1982-），男，碩士，河海大學(xué)文天學(xué)院電氣信息工程系講師，研究方向：電氣自動化、智能控制。