闭式太阳集热器检测系统的流量控制

钟毓宁，李明云，成家宝

（湖北工业大学机械工程学院，武汉 430068）

0 引言

闭式太阳能集热器的热性能检测，对系统的循环水流量的稳定性有很高的要求。根据试验方法（GB／T4271-2007）的要求，在太阳能集热器检测过程中循环水流量必须保持稳定，流量在设定值的±1%以内的时间必须超过15min。本文探讨的是一种车载移动式太阳能集热器检测系统，整个循环系统是安装在车，管径较细、管路高高低低弯曲复杂，而且要求在温度不同的（最高可达到70℃）多个工况下工作，为了保证流量稳定对控制系统的要求很高。

本文将采用一种比较先进的控制方案，该方案利用LABVIEW软件内自带的PID工具包，实现流量的负反馈控制。控制单相变频器控制单相电机的转速，把流量稳定到标准要求的设定值± 1%以内，并可以在流量计的测定范围（0～0.2kg／s）内任意设定流量。

1 闭式水循环系统

平板型集热器和真空管集热器热性能参数的测定，按GB／T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》布置。在热性能测定过程中，循环工质水从大水箱（250 L）流出，经过二次加热小水箱（18 L）进入太阳能集热器，再从集热器的出口流向膨胀箱，经冷水机冷却后返回大水箱。工质水循环的动力由安装在大水箱和小水箱之间的单相变频水泵获得，水泵后面安装的电磁流量计可以测定水循环的流量。为了保证运行安全，循环系统中安装了若干排气阀及手动控制阀。循环水的流量采用工控机控制，利用流量计反馈的信息控制流量的稳定。见图1。

图1 闭式水循环系统

集热器效率等的各种参数根据进水口、出水口的温度、太阳辐照和流量测量值计算。太阳能热水器的热性能要实现四个工况的检测，检测中工质水温可能超过75℃，在流动过程中产生气泡，可能影响电磁流量计的计量，所以在水循环装置的一些位置如大水箱的上面、小水箱旁边以及集热器的出水口安装排气阀。测定时先把大水箱注满水，然后启动流量水泵，沿水流方向依次开启排气阀，排出系统中的气泡。膨胀箱和在一些安装在重要位置上的手动调节阀，是为了保证闭式循环的安全。

2 循环水流量的控制

图2 流量测控图

流量的测控系统的由流量水泵、变频器、研华PCI-1710模数转换卡和PCI-1730数字I／O卡，电磁流量计、研华工控机（内部装有LABVIEW软件）、SM100-A HART协议转RS232智能适配器等部件组成。其中，单相变频水泵为循环系统提供动力，横河一体型电磁流量计根据测定的流量产生4～20 mA的电流信号。

该信号经过智能适配器通过串口传送到工控机上，由带PID功能的LABVIEW软件对信号处理后，通过D／A转换产生0～10 V的电压送入变频器，控制变频器的输出频率，用于调节水泵的转速控制循环水的流量，见图2。

3 软件编程

安装在PC工控机中的LABVIEW软件采用G语言编程，自带PID工具包，调用方便。流量信号经过SM100-A HART协议转RS232智能适配器通过串口协议读取电磁流量计上的电流值，通过编程去除异常数据，再通过LABVIEW软件自带的PID工具包［7］把采集到的流量值接入PID的一个端口，然后把手动输入的流量设定值M0接入另一端口。把计算得出的数字信号通过PCI-1710的D／A转换成模拟信号控制变频器的频率输出，变频器频率输出的设定范围为0～50 Hz，可以满足多数情况水泵的性能要求。流量控制图如图3。

图3 流量控制图

图4 采样控制周期流程

图5 测定开始后循环水流量的变化

所选电磁流量计的误差小于0.25%，量程可以选定，根据太阳能热水器测定的要求取0～0.2 kg／s（对应的输出电流信号为4～20 m A）。循环水的流量控制效果与流量计的采样时间有关，根据大量的试验可知，采样时间选定在500 ms能够满足控制的要求。采用多点采样取平均值，可以消除在检测过程中的随机误差和外部干扰而引起的错误数据。PID参数根据试验流量和工况选择。例如常温下设定流量为0.02 kg／s时，比例系数Kc取10，积分系数Ti取0.01，微分系数Td取0.001。软件编程流程如图4。

4 效果

测定工质流量应参照太阳能集热器生产厂家的推荐值，当生产厂家没有特别声明时，通常应该选取0.02 kg／（m2s）。根据集热器总面积选取具有代表性的几个流量值进行试验，结果见图5。

由图5可以看出，在设定值较小的情况下循环水流量的波动比较大，但是在达到测定要求的流量后，流量的波动小于1%，调节时间越30 s左右，流量的稳定时间都能在15 min以上（在实际检测的过程中流量的稳定时间甚至能在30 min以上），完全能够满足集热器瞬时效率测定和压力降落试验、时间常数等在流量上的要求。