第34卷第3期黑 龙 江 水 专 学 报Vol 134,No.32007年9月Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering CollegeSep.,2007文章编号:1000-9833(2007)03-0091-03环保型电锅炉系统的控制设计孙晓霞(哈尔滨理工大学基建处,哈尔滨 150080)摘 要:根据北方城镇居民室内温度的变化曲线和数据,确定了室内温度变化的模糊控制规则,依此设计了模糊控制器。
阐述了该控制器的设计方案和实现方法,并针对设计的关键点做出了详细分析与说明。
使用先进的控制算法实现了环保型电锅炉系统的自动控制,对小区居民室内温度控制的效果良好。
关键词:环保型;电锅炉;模糊控制中图分类号:TP273.4 文献标识码:AControl of Environment 2protected Electrical Boiler SystemSUN Xiao 2xia(Department of Construction ,Harbin University of Science and Technology ,Harbin ,150080,China )Abstract :According to the indoor temperature changing curves and data of inhabitants living in the north city of China ,the paper presents fuzzy control regulation of room temperature changing ,by which fuzzy controller was designed ,whose designing sketch and fulfillment was discussed ,and the key points of the design were ing advanced control algorithm ,the automated controlling of environment 2protected electrical boiler system was fulfilled ,and the control system was used successfully and gets a satisfactory result.K ey w ords :environment 2protected ;electrical boiler ;fuzzy control收稿日期:2007-04-20基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(F0316)作者简介:孙晓霞(1974-),女,辽宁沈阳人,工程师,E 2mail :lg 2dx20051021@ 。
0 引 言电采暖不需要燃烧设备,室内不起尘,室内外无任何污染,不漏电,无需检修,如需停用或节电可自行调节,不污染环境,免去了燃煤污染和煤气中毒的后顾之忧,对采用集中采暖的用户而言,不用担心采暖设备的跑、冒、滴、漏等故障所带来的不便以及传统采暖方式由于种种原因所带来的局部房间过热或过冷现象,满足了人性化需要[1]。
同时,由于用电作为采暖的能源,既解决了采暖收费难问题,又能够按用户需求精确地控制各房间室温。
建国以来,我国生产力的迅速发展对用电量的需求与日俱增,在电力供需矛盾比较大的情况下,不可能把宝贵的电力资源这种高品位的二次能源用于热能转换设备,经过几十年的努力,特别是改革开放近30a ,我国电力工业得到长足发展,供电能力的持续发展,使电力供需矛盾逐步得到缓解。
20世纪90年代初期,在我国开始出现电热锅炉[2]。
电热锅炉的出现,改变了北方居民的取暖思维,提高了人们的生活需求,加大了电热锅炉的科技含量。
民用住宅中使用的环保型电锅炉的取暖系统就是一个输入、输出的非线性系统,在冬季的运行过程中由于温差变化较大,尤其是北方冬季,温差的变化大,室外温度经常达到零下30℃,而人类需求的温度应该在零上16℃以上,在整个取暖区从零上16～25℃到零下30℃就有50℃左右的温差变化,因此应该说有较大的随机干扰,其运行过程机理比较复杂。
至今还没有精确的、可靠的数学模型,因此应用传统控制理论甚至许多现代控制理论对其控制效果很不理想[3]。
近年来随着模糊控制理论的发展,基于人的智能、总结操作者手动控制经验的模糊控制在锅炉自控系统中得到了大量的实践和应用,取得了令人满意的效果。
热水炉的燃烧控制直接与能源消耗相关联,因而是环保型电锅炉控制系统的关键,它对环保型电锅炉取暖系统的经济运行安全具有十分重要的意义。
本文就是应用模糊控制技术对环保型电锅炉进行控制系统的设计,运行效果表明可以完全实现环保型电锅炉的智能化,提高房间内的热效率,使其达到舒适的程度。
1 控制系统的设计环保型电锅炉的运行过程是一个非线性、时变多变量的过程,可看成是一个复杂的输入、输出的对象。
它的输出量与室外温度、室内温度、生活用水量等因素有关,输入量决定于环保型电锅炉的发热量即环保型电锅炉的功率和时间,且各变量之间存在着关联。
根据输出变量的要求进行输入变量的控制设计,将控制系统分解为电功率、时间和热风系统的控制[4]。
1.1 环保型电锅炉电功率的控制环保型电锅炉电功率的控制就是室内温度的控制的正相关控制,它的输入量是设定的环保型电锅炉电功率的负荷,输出量是环保型电锅炉热能的输出。
根据室内温度和环保型电锅炉电功率的运行数据进行分析整理,并据此建立一个相应的相关表见表1。
锅炉在<7MW状态下燃烧时很不经济,不推荐使用,如有必要可手工燃烧。
表1 环保型电锅炉电功率与室内(25m2)温度的关系T able1 R elations betw een indoor temperature and electric pow er of environment2protected electrical boiler功率ΠkW・h2004006008001000120014001600180020002200240028003000温度Π℃10.112.213.915.217.019.121.323.225.427.029.331.133.235.4 在环保型电锅炉电功率调整时PLC根据查询表直接控制环保型电锅炉的电功率,并模拟人工调节操作时所采用的“预调观察调整观察”步骤,在先后两次调整中加入一个时间时隔,在本系统中设定为30min。
使用这种加入了停步等待环节的增量式控制主要是根据环保型电锅炉的特点设计的,因为供暖用户希望热源的升温快速,恒温平稳,对室内温度的控制要求并不高,因此环保型电锅炉电功率的负荷变化也不象蒸汽炉那样剧烈,负荷允许有误差[5],只有温度偏差到一定程度时才需要改变控制量。
在这个系统中温差设定为±0.5℃,对应于3kW的环保型电锅炉电功率表现为在额定功率不变的情况下,环保型电锅炉的进出口水温允许有接近±1℃的偏差。
其次加入了停步等待环节,在这段时间内检测负荷的变化,视结果来决定是否再进行调整。
其工作流程见图1。
这样有利于水循环系统的稳定。
实际应用也证明了这样可以很好地解决室内温度的恒定。
1.2 环保型电锅炉热源系统的供热负荷“龙电花园”采用的供热设备使用的环保型电锅炉其功能包括:冬季的采暖和全年的生活用热水,冬季空调通风加热3个方面。
经热负荷计算,“龙电花园”建筑设计热负荷:冬季采暖的用电量、全年的生活用热水的用电量和其他用电量见表2。
图1 环保型电锅炉电功率调整流程图Fig.1 Electricpower regulating flow chart ofenvironment2protected electrical boiler表2 “龙电花园”小区热负荷计算表T able2 H eat load calculating of Longdian housing estate用电项目采暖通风生活用热泳池补水总计百分率Π%负荷ΠkW521159526581210.6241211.4250021232 注:①上述负荷是哈尔滨地区1月需要最大负荷;②生活用热水负荷是变化的,其中夜间18～22时占90%,可考虑和泳池补水加热时间错开,以利在工程设计及日常使用中节约投资和小区所需总能源。
29黑 龙 江 水 专 学 报 第34卷1.3 环保型电锅炉热源系统的运行过程该小区热源采用环保型电锅炉热源系统运行时,根据用户要求可以设定蓄热时段、供水时段、蓄热温度、电锅炉出水温度、供水压力、循环加压泵蓄热时工作频率等参数。
到达蓄热时段时,电锅炉的补水电动阀自动开启,蓄热水箱的自动补水到高水位时补水的电动阀自动关闭。
1.3.1 电蓄热环保型电锅炉热源系统的用电总负荷计算Q=K(Q1+Q2)×1+24-T Tη+∑q i+ Q ir-q i T式中Q为电锅炉房总负荷(kW);K为室外管网热损失系数,电锅炉房在本系统中,K取1.0;Q1为采暖设计热负荷(kW);Q2为空调新风设计热负荷, kW;q i为生活、生产等非24h连续供热热负荷(kW);η为采暖、空调供热时段不平衡修正系数,取0.8;T为蓄热时间(h),本系统中T=10h;Q ir为生活、生产等非24h连续全日用热量(kW)。
经计算,本工程选取4台2.3MW的无压电热水锅炉作为热源。
1.3.2 热源比较基础环保型电锅炉是一种改变用电方式、用电时间、合理消费、多用低谷电和季节电的高效率热源设备。
所谓电热蓄热系统,就是以电锅炉为热源,利用低谷廉价电力,对水加热,并将其储存在蓄热水箱中,在电网高峰时段关闭电锅炉,由储存在蓄热水箱中的热水供热。
其优点是无有害气体,无污染,无噪声。
比煤锅炉、油锅炉的热效率高,又能充分利用低谷电,运行费用低[6]。
我国20世纪90年代初开始电蓄能技术的研究、开发和利用工作。
许多地方均实行减免电力增容费、供配电贴费、峰谷电差价等优惠措施鼓励用户使用电蓄能技术,收到了较好效果,增强了电蓄热锅炉与燃用天然气和燃油锅炉的竞争力[7]。
哈尔滨市地处我国北方严寒地区,冬季月计算温度可以达到-30℃以下,全年采暖期长达180d,采暖耗能从表2可以看出占总指标的52%,而生活用热耗能占10.6%,整个小区采暖加生活耗能占总指标的63%,是小区选用锅炉的主要参考依据。
而通风使用能源,从建筑环境看,必须采用电能,且不宜使用大功率锅炉,而小区另一个耗能大项的泳池补水加热,同生活热水的时间,通常情况下采取交错方式进行运行,以节约能源。
所以在做技术指标比较中,采用供暖加生活用热作为比较基础,具有一定的科学性。