纯低温余热发电系统的控制策略优化

胡徐胜，刘 娟

（1.河海大学文天学院，安徽马鞍山 243031；2.马鞍山职业技术学院，安徽马鞍山 243031）

纯低温余热发电系统的控制策略优化

胡徐胜1，刘 娟2

（1.河海大学文天学院，安徽马鞍山 243031；2.马鞍山职业技术学院，安徽马鞍山 243031）

为了提高纯低温余热发电系统中余热能量的利用率，对系统进行数学建模。着重研究蒸发器换热效率的跟踪和热度控制，提出了纯低温余热发电控制系统的改进方案，并对过热度控制进行了优化策略分析。

控制策略；余热发电；温度控制；PID

0 引言

水泥、冶金、化工等企业由于自身生产工艺决定了其在生产的某些环节中会损耗大量的电能和热能，并产生一定量的余热。纯低温余热发电通过回收这些高能耗企业排放的中低温的废蒸汽、烟气来发电。纯低温余热发电系统的温度控制目前普遍采用DCS方案，控制效果一般。

1 低温余热发电系统原理

根据循环工质的特点，选择沸点不高的有机物作为制冷剂。储液罐的工质由工质泵作用泵入蒸发器，这时工质会因为受热和换热产生相变。随后这些变成蒸汽的工质会进入涡轮机中，受热膨胀做功，以此来推动涡轮机转动，这样完成了机械能和电能的转换。冷凝器将工质冷凝后输送到蒸发器中实现循环流程，如图1和图2所示。

图1 有机朗肯循环示意图

图2 带回热器的有机肯循环示意图

2 板式蒸发器的基本结构和模型的建立

蒸发器通过制冷剂液体的蒸发，吸收经过冷却的介质的热能。这样一种用来换热的装置，对于制冷系统来说，是用来获取热能的。

2.1 板式蒸发器的基本结构

根据蒸发器冷却对象的区别将其划分成空气型和液体型两种类型。冷却液体型能够划分成U型管、直管和板式。选择板式蒸发器作为热力交换装置，如图3和图4板式蒸发器模型图。其构造紧凑，使得液体流动时受到的阻力较小，不仅使得金属的消耗减少，并且对于制冷剂的需求较少，重量也相对较轻，能够适应流体之间差距不大的温差传热。

图3 由两块成形板组成的板式蒸发器

2.2 板式蒸发器的数学模型的建立

板式蒸发器的结构相对来说更加复杂，在建立模型时做了以下假设。

图4 板式蒸发器模型图

（1）外部的空气和蒸发器的板片之间，可以对它们的热对流暂时忽略不考虑；

（2）工质的流动是无逆流的、单向的现象；

（3）每个板壁和蒸发器的板片之间，它们的温度是没有温差的；

（4）液相和气相，这二者有同样的饱和温度以及饱和的压力，也就是常说的热力学平衡。

针对蒸发器换热效率的要求，本次设置的模型属于稳态模型，它是以分区集中参数为根基。根据操作员以及冷却源在内部的情况，把蒸发器的构成划分成两相区，即过冷区与过热区。

（1）过热区制冷剂数学模型

式中：h-焓，单位J/kg；Ksh-换热系数；A-单位换热面积，单位m2；L-板长，单位m。

式中：Nu-整齐侧冷凝的努谢尔特数；Re-流体雷诺数，u-动力粘度；Pr-流体普朗特数

式中：G-板间流体的质量流速，单位kg/（m2·s）；d-当量直径，单位m。

（2）两相区制冷剂数学模型

式中：X0- 蒸汽干度；γ- 气化潜热，单位 J/kg；ρl、ρg-进出口蒸汽密度，单位kg/m3。

（3）过冷区制冷剂数学模型

式中：Cp-定压比热容，单位J/（kg·k）。

其中，每个参数下标含义汇总如下：

e-控制体的平均参数，g-饱和气体；l-饱和液体，R-有机工质；W-水；w-板壁，1-进水状态，2-出水状态

3 蒸发器换热效率的跟踪控制

蒸发器通过换热的效率去跟踪控制蒸发器，并将热能传递给工质。本文设计余热的热源为液态的水。在热交换时水不会产生相变，所以水的比热容是个确定值，因此，热源液态水含有的所有热度可以记作：

其中C1是余热水的比热容，单位J/（kg·k）；M1为水的质量流量，单位kg/s；T2为水的出口温度；T1为水的进口温度。

R600a在板式蒸发器里进行了相变，所以针对它的热量交换分段去计算：

式中，Cp1为余热中介质发出潜热之后，从入口的液态到产生相变整个流程的平均比。定压的热容，单位为J/（kg·k）；Cp2为余热内介质由相变，再到出口整个流程的平均比，定压热容，单位J/（kg·k）；Δilatent为余热内介质的比相变潜热，单位J/kg。

所以蒸发器换热的效率能够表示为：

式中：C1、Cp1、Cp2、Δilatent因为和有机工质物性相关，能够当作固有的值；在讨论时，能进行如下设想：

（1）入口和出口的温度以及热源液态水流量都是固定的；

（2）比相变潜热因为占用的比重很小，可以忽略不计。

所以，可以简化成下式：

由于热源水流量、入口以及出口温度都是固定不变的，因此水的质量流量也是不变的，也就是水的热量Q1是不变的值。根据公式知道，工质获取的热能Q2由有机工质的质量流量M2，ΔT得来，为了增加换热的能力，需要探究这三个方面的联系。

在模拟试验后，就能够获取在一定区间里提高工质质量的流量M2，但根据质量和流量M2的上升ΔT就随之减少。这一现象的发生导致不能获取足够的过热，Q2也会随之减少，所以，对适宜的工质的质量流量，使过热度ΔT保持在一定数值范围，对工质吸收热量的增多是十分有利的，对换热效率会产生一定的影响。

根据换热效率跟踪控制，确定变更工质的出入口温度以及流量。再探究参数的特性，根据控制的方式来做跟踪控制。这里面需要选择恰当的工质流量，将过热度的值保持接近设定值，板式蒸发器换热系统的换热力取决于其出口处的过热度。

4 过热度控制策略及其控制理论的建立

4.1 过热度控制理论的分析

余热发电系统运转的稳定性以及是否能够充分利用资源得到高的发电率，都受到蒸发器的出口过热度的高低的影响。所谓出口过热度，即蒸发器出口处的温度值比饱和的值还高。在出口过热度这个层面上，增加整个系统的效率是非常关键的。相对换热来说，蒸发器过热度的控制过程如下。

板式蒸发器出口过热度ΔT=T1-Ts。当环境影响时，蒸发器出口的温度值根据热源温度的改变而改变。在热力学中，有机工质的每个饱和的压力值都有相应的饱和温度与之对应，具体的细节变化由图5的温熵曲线图可以清楚了解。

图5 T-S曲线图

由图5可以看出，该系统原来的工作曲线是1-2-3-4-5-6，T1为出口的温值，Ts为饱和的温值。假定热源正在不断地增加温度，随着其温度值的提高，相应的蒸发器出口温值随之会不停地增加，记作T1，此刻的饱和的温值依旧是先前的那个Ts，过热度Δt=T1-Ts，其数值大于原先的数值，即Δt＞ΔT。

4.2 过热度控制策略的分析

本研究的控制目标为板式蒸发器的出口过热度。但这里不能直接去进行控制，仅仅允许跟踪控制，再根据电机同轴有机工质泵转动的速度的快慢进行相应的控制。因为被控对象拥有时变、不属于线性系统、具有很大的滞后性这些特点，建造准确的数学模型的工程量十分大，所以去确定控制器的参数也就变得十分不易。这时，假如采用传统的PID控制，就不能很好地得到满意的答案，所以采用模糊PID控制器作为过热度控制器。

5 结语

本文提出通过控制工质泵的质量流量，来达到调整蒸发器出口过热度的目的。选择三相异步电机作为工质泵同轴电动机，以改变转速去保持蒸发器的出口过热度，使该系统拥有的性能优化。

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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

安徽省高校省级自然科学研究重点项目（KJ2016A697）；河海大学文天学院校级科研项目（WT16013）

胡徐胜（1982-），男，硕士，河海大学文天学院电气信息工程系讲师，研究方向：电气自动化、智能控制。