换热站节能控制技术的研究

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摘要：本文首先利用自动控制理论建立系统数学模型及换热过程热量传递和能耗关系模型；采用模糊控制算法结合传统PID算法构成的串级控制系统应用于换热器出口温度的控制，结果显示该算法能够显著提高控制系统的性能。

关键词：换热站 数学模型 串级控制 模糊PID

中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0006-02

近年来随着工业的迅速发展，供暖系统已逐渐趋于大型化，这虽然方便了用户，节约了能源，但也对提高供暖用户的舒适度，及系统的经济性、安全性、可靠性也提出了更高的要求。对于控制大型有耦合系统，可先去耦合对局部进行分析建模，然后综合考虑系统模型。建立换热过程热量传递和能耗关系模型。根据该建立的模型，以满足工况为前提，以能耗最低为约束，进行能耗优化控制技术的研究，进而根据用户的要求和室外气候条件的变化，对二次侧水温进行自动控制，对供热工况实现有益调节。

1、系统模型

1.1　用户模型

假设系统保温良好，炉膛内由于混合器的作用温度均匀，设回水温度为，出水温度为，由热力学公式：

其中，为入口温度，为出水温度；

进行Laplace变换并整理得：

对于用户而言，

即得用户和锅炉控制模型为：（图1）

1.2　换热器模型

换热器出口温度控制的传递函数，用于分析换热器出口温度和其他变量的关系，有利于对出口温度进行调节。

该过程通道的动态特性可近似为带有纯滞的二阶惯性环节，这是由于热流体要把热量传递给冷流体，必须要先把热量传给间壁，再由间壁传给冷流体，这样就形成了二阶惯性环节。热流体流量、冷流体流量对热流体出口温度的影响，可用传递函数描述为：

式中，K——静态放大倍数；

W1，W2——热流体和冷流体的储存量。

此外，由于管道长度的限制和影响，导致了由于液体停留时间引起的滞后，两个时间常数的大小不仅取决于流体在管内的停留时间，还与管壁的厚度、材质、结垢等情况有关。由此看出，系统的滞后时间为T，是一个惯性和时间滞后较大的系统。

1.3　管网模型

管道系统的热平衡关系可用下式表示：

其中，为管网进口热媒温度；为管网出口热媒温度；为管网表面环境温度；为管网内的水体积；为管网表面的传热系数；为管网表面积；。

2、控制系统设计

2.1　系统结构

集中供热系统是一个十分复杂的多变量系统，受众多因素的影响，内部的关联性强，滞后时间长，非线性严重，故采用串级控制系统。串级调节系统是针对热惯性很大，纯滞后较长的控制对象，可以通过副环的粗调和主环的细调，改善调节的有效方法。

为了克服系统的热惯性，温度采集一路为二次供水温度，并保证温度恒定在55-75℃，另一路温度采集取自换热器的内部，当一次侧热水阀开度变化时，热交换器内部温度传感器及时反映温度的变化，加速过渡过程。过渡过程越短，用户端的水温变化幅度越小。

根据以上对系统的适温、稳压分析，可得出总体控制方案，如图2所示：

2.2　模糊PID控制设计

选取E和EC为输入变量，温度控制值为控制系统模糊控制器的输出变量，并作为副回路的流量控制器的给定值。

模糊PID控制器是一种通过模糊算法计算出PID三个参数值，将其模糊化后论建立参数，，与偏差绝对值和偏差变化率绝对值间的二元函数关系。

模糊PID参数控制器的结构如图3所示：

本文所选用的模糊控制器为双输入—单输出结构，那么采用的形式来表示模糊规则库是一种即高效、又便于观察的形式。二维表格中被控参数的值由输入量和来确定。

2.3　仿真分析

冷流体走壳程对热物料进行降温，通过调节离心泵的转速改变冷流体流量从而达到对热物料出口温度控制的目的。离心泵的转速控制是通过调节变频器的输入电流来实现的。该过程对象可近似为一阶惯性时滞环节，经过实验测定该控制系统的传递函数为：

仿真实验中采用传统PID串级控制方式和带有模糊串级控制方法分别对换热器出口温度设定值进行了跟踪实验，实验结果如图4和图5所示。

结果显示，模糊串级控制器与传统PID串级控制器相比过渡时间短，超调量小，抗干扰能力强、控制过程平稳，有效地提高了换热器出口温度控制系统的控制质量。

3、结语

基于模糊串级控制器既可以弥补传统PID控制不能在线调整控制参数的缺点，而且可以明显改善纯滞后系统的控制质量。在过程设备与控制多功能实验系统上进行的换热器物料出口温度跟踪实验结果显示，该算法能够取得比较理想的控制效果。

参考文献

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