低溫?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組檢測實驗臺的研制

婁承芝 廖神海 張玉博 田 浩

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展不可避免地帶來了能耗過度及環(huán)境污染等問題，工業(yè)生產(chǎn)中有很大部分的熱量以各種形式的余熱被直接排放到大氣中，不僅造成了能源浪費，而且對環(huán)境造成熱污染[1,2]，其中很大部分為可回收再利用的低溫?zé)崮堋５蜏赜酂岚l(fā)電機(jī)組是一種余熱回收裝置，但是在獲取經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益前，首先必須要保證機(jī)組的安全性，發(fā)電機(jī)組出廠前，必須對發(fā)電機(jī)組的各性能參數(shù)進(jìn)行測試，以檢驗發(fā)電機(jī)組是否滿足相關(guān)技術(shù)要求。因此，研制一套高準(zhǔn)確度、高自動化程度的中小型發(fā)電機(jī)組控制與測試系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實意義[3]。張強(qiáng)等基于虛擬儀器的設(shè)計方法，研發(fā)出一套變頻發(fā)電機(jī)組測試系統(tǒng)[4]。重慶大學(xué)研制出一套汽油發(fā)電機(jī)組控制測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)主要針對發(fā)電機(jī)組各種特性和參數(shù)的測試[5]。筆者設(shè)計開發(fā)的實驗臺，能夠模擬機(jī)組運(yùn)行工況，檢測新研發(fā)出的發(fā)電機(jī)組能否在設(shè)計的名義工況下吸收廢熱并達(dá)到預(yù)想的發(fā)電效率，為發(fā)電機(jī)組出廠后穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行提供有力保障。

1 實驗臺設(shè)計方案①

低溫?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組檢測實驗臺主要由3部分組成：冷熱源系統(tǒng)、冷熱源監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組檢測系統(tǒng)。冷熱源系統(tǒng)模擬低溫余熱，為發(fā)電機(jī)組提供3種名義的運(yùn)行工況；冷熱源監(jiān)控系統(tǒng)主要采集系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)并控制被測發(fā)電機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)的進(jìn)出水溫度；發(fā)電機(jī)組檢測系統(tǒng)主要檢測機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、故障報警及發(fā)電效率等。

1.1 冷熱源系統(tǒng)

實驗臺冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計是搭建實驗臺的先決條件，其目的是模擬發(fā)電機(jī)組的3種運(yùn)行工況，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況見表1。

表1 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況 ℃

實驗臺冷熱源系統(tǒng)原理如圖1所示，主要設(shè)備見表2。

圖1 冷熱源系統(tǒng)原理

設(shè)備編號設(shè)備名稱設(shè)備編號設(shè)備名稱1改造的高溫?zé)岜脵C(jī)組7-2熱源側(cè)混水泵(小變頻泵)2生活辦公區(qū)水源熱泵機(jī)組8-1被測機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)泵(大變頻泵)3高溫?zé)岜脵C(jī)組8-2被測機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)泵(小變頻泵)4-1冷源側(cè)混水泵(大變頻泵)9冷源側(cè)循環(huán)水泵Ⅰ4-2冷源側(cè)混水泵(小變頻泵)10冷源側(cè)循環(huán)水泵Ⅱ5-1被測機(jī)組冷凝器側(cè)循環(huán)泵(大變頻泵)11熱源側(cè)循環(huán)水泵5-2被測機(jī)組冷凝器側(cè)循環(huán)泵(小變頻泵)12冷水水箱6混水泵(變頻泵)13熱水水箱7-1熱源側(cè)混水泵(大變頻泵)--

當(dāng)機(jī)組需要7/15℃的冷卻水時，關(guān)閉冷水水箱與高溫?zé)岜脵C(jī)組和改造的高溫?zé)岜脵C(jī)組管路上的蝶閥，只開啟冷水水箱與水源熱泵機(jī)組管路上的閥門。在冷源側(cè)循環(huán)水泵Ⅱ(設(shè)備編號10)的動力下，將冷水水箱中的水輸送到水源熱泵機(jī)組制冷后，再輸送到冷水水箱中貯存。當(dāng)機(jī)組需要27/35℃的冷卻水時，則將水箱與3臺機(jī)組相連的管路上的閥門均打開。冷水水箱中的水一部分通過冷源側(cè)循環(huán)水泵Ⅱ(設(shè)備編號10)進(jìn)入水源熱泵機(jī)組，另一部分水通過冷源側(cè)循環(huán)水泵Ⅰ(設(shè)備編號9)進(jìn)入高溫?zé)岜脵C(jī)組和改造的高溫?zé)岜脵C(jī)組，通過閥門調(diào)節(jié)進(jìn)入機(jī)組的水量，循環(huán)水通過各機(jī)組后在管道中混合再進(jìn)入冷水水箱中貯存。同理，熱水水箱中的水在熱源側(cè)循環(huán)水泵的驅(qū)動動力下，進(jìn)入高溫?zé)岜脵C(jī)組和改造的高溫?zé)岜脵C(jī)組，通過兩機(jī)組加熱后的水在管路中混合后進(jìn)入熱水水箱中貯存。

冷熱水箱與被測機(jī)組間的水泵均選擇變頻泵，可以更好地控制被測機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出水溫度。其中設(shè)備編號為4、5、7、8的變頻泵均為一大一小，大/小水泵后均接有蝶閥，根據(jù)所需流量，自動選擇大泵或者小泵，同時在電控柜上對應(yīng)切換大泵/小泵的電源供給。當(dāng)被測發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率較小時，其所需熱量也較小，即可選擇小變頻泵；當(dāng)被測發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率較大時，則應(yīng)選擇大泵。4號變頻泵為冷源側(cè)混水泵，主要控制被測機(jī)組冷凝器的出水溫度；5號變頻泵為被測機(jī)組冷凝器側(cè)循環(huán)泵，主要控制被測機(jī)組冷凝器的進(jìn)水溫度；7號變頻泵為熱源側(cè)混水泵，主要控制被測機(jī)組蒸發(fā)器的出水溫度；8號變頻泵為被測機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)泵，主要控制被測機(jī)組蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度；6號混水泵與7號變頻泵一起共同控制被測機(jī)組蒸發(fā)器的出水溫度。被測機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出水溫度均在額定范圍內(nèi)，機(jī)組在額定工況下運(yùn)行，保證其發(fā)電效率。

1.2 冷熱源監(jiān)控系統(tǒng)

實驗臺冷熱源監(jiān)控系統(tǒng)由冷熱源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和冷熱源水溫控制系統(tǒng)組成，冷熱源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集關(guān)鍵點水溫、進(jìn)出水流量和熱量，測點種類多、較分散。冷熱源水溫控制系統(tǒng)主要是通過溫控表的PID自整定方式控制進(jìn)入、流出機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的水溫，其測點布置如圖2所示。

圖2 冷熱源監(jiān)控系統(tǒng)測點布置

1.3 發(fā)電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)《低溫?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組性能測試方法》(企標(biāo))，被測機(jī)組需要檢測的數(shù)據(jù)包括：被測機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出水溫度，可直接由為發(fā)電機(jī)組預(yù)留的鉑電阻插入被測機(jī)組對應(yīng)位置進(jìn)行檢測；熱源介質(zhì)進(jìn)入、流出發(fā)電機(jī)組取熱設(shè)備的壓差，可直接采用冷媒水進(jìn)出壓差；熱源介質(zhì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組取熱設(shè)備的流量，可直接采用冷媒水側(cè)流量傳感器數(shù)據(jù)；冷源介質(zhì)進(jìn)入、流出發(fā)電機(jī)組放熱設(shè)備的壓差，可直接采用冷卻水進(jìn)出口壓差計算；冷源介質(zhì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組放熱設(shè)備的流量，可直接采用冷卻水側(cè)流量傳感器數(shù)據(jù)；熱源溫度和冷源溫度可直接采用冷熱源監(jiān)測系統(tǒng)中的熱水水箱和冷水水箱溫度；機(jī)組自耗電功率、機(jī)組發(fā)電電流、機(jī)組發(fā)電電壓、機(jī)組發(fā)電頻率、有關(guān)機(jī)組耗功率及發(fā)電功率等參數(shù)由多功能電表采集。

2 實驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

實驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件(圖3)設(shè)備的配置要求根據(jù)《低溫?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組性能測試方法》的要求而定，除了滿足測試的基本功能，各類硬件設(shè)備的測量精度均按要求設(shè)計。

圖3 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成框圖

2.1 溫度采集

實驗臺溫度采集系統(tǒng)選用上位監(jiān)控計算機(jī)+單片機(jī)采集系統(tǒng)+Pt1000鉑電阻的采集形式。溫度傳感器采用外加保護(hù)套管的Pt1000鉑電阻，與單片機(jī)主板電路采用四線制接法，可以排除導(dǎo)線電阻的影響。溫度采集板卡采用自行研發(fā)的以單片機(jī)為核心的高精度、多通道、四線制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗臺設(shè)置一塊溫度采集板，擴(kuò)充到24個通道。單片機(jī)通過中斷的方式讀出A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波后，再通過RS-485總線按對應(yīng)的通信協(xié)議傳送到上位工控機(jī)。

2.2 流量和熱量采集

實驗臺熱量采集系統(tǒng)選用的是上位監(jiān)控計算機(jī)+超聲波熱量表的采集形式。實驗臺共設(shè)置兩臺熱量表，分別監(jiān)測冷媒水側(cè)換熱量和冷卻水側(cè)換熱量。熱量表主機(jī)固定在現(xiàn)場遠(yuǎn)離干擾的位置，主機(jī)配對的兩個Pt1000三線制鉑電阻設(shè)置在進(jìn)出口管道上監(jiān)測進(jìn)出水溫度，配對的管段式流量計安裝在機(jī)組進(jìn)口管段上。超聲波流量計/熱量表本身帶有隔離RS-485接口，可以直接接入RS-485總線，數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳至上位工控機(jī)。

2.3 壓差采集

實驗臺壓差采集系統(tǒng)選用的是上位監(jiān)控計算機(jī)+模擬量采集板卡+端子板+壓差變送器的采集形式。本實驗臺共設(shè)置兩塊壓差變送器，分別用于檢測熱源介質(zhì)進(jìn)入流出發(fā)電機(jī)組取熱設(shè)備的壓差和冷源介質(zhì)進(jìn)入、流出發(fā)電機(jī)組放熱設(shè)備的壓差。差壓變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號，其配線方式為兩線制電流輸出。

2.4 電量采集

實驗臺電量采集系統(tǒng)選用的是上位監(jiān)控計算機(jī)+多功能電表的采集形式。本實驗臺共選用兩塊多功能電力監(jiān)測儀表，可分別用于監(jiān)測機(jī)組的耗電參數(shù)和發(fā)電參數(shù)，該儀表具有對電網(wǎng)中電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、電能及功率因數(shù)等進(jìn)行同時測量的功能。且該儀表有串行(RS-485)接口，允許連接開放式結(jié)構(gòu)的電腦網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用Modbus通信協(xié)議，方便計算機(jī)編程設(shè)置和讀取數(shù)據(jù)。

2.5 水溫控制

實驗臺水溫控制系統(tǒng)由變頻泵、變頻器與溫控表共同完成。冷源側(cè)混水泵、被測機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)泵、熱源側(cè)混水泵、被測機(jī)組冷凝器側(cè)混水泵和6號混水泵分別與電控柜內(nèi)的5個變頻器相連，變頻器與溫控表一一對應(yīng)。溫控表連接Pt100鉑電阻采集水溫，采用PID控制方法[6]，以溫度采集值與溫度設(shè)定值之差作為溫控器輸入，以溫控器輸出作為變頻器的輸入信號控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而控制水泵的轉(zhuǎn)速從而控制水泵的流量實現(xiàn)變流量運(yùn)行。通過對流量的調(diào)節(jié)，使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，控制被測機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出水溫度。

2.6 通信及上位機(jī)軟件設(shè)計

2.6.1通信系統(tǒng)

本實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)通信部分的硬件設(shè)計主要為了解決以下幾方面的數(shù)據(jù)通信問題：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度采集板卡、熱量表、多功能電表與上位工控機(jī)之間的通信；差壓變送器與上位工控機(jī)的通信；溫控表與上位工控機(jī)的通信；變頻器與上位工控機(jī)的通信。

由于傳輸距離較遠(yuǎn)，設(shè)備較多，因而適宜選擇基于RS-485總線構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，RS-485總線允許平衡電纜上最多連接32個設(shè)備[7]。

本實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有一臺上位監(jiān)控工控機(jī)，配備AI采集板卡、DIO采集板卡(備用)和PCI轉(zhuǎn)RS-485通信接口板，工控機(jī)自帶一個RS-485接口，共計5個RS-485通信接口。溫度采集板卡、熱量表、多功能電表、變頻器和溫控表多個從機(jī)，每個從機(jī)均有各自唯一的地址。工作時采用命令/應(yīng)答的通信方式，每一個命令幀都對應(yīng)著一種應(yīng)答幀，主機(jī)向要訪問的從機(jī)發(fā)出命令幀，地址匹配的從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)并向主機(jī)發(fā)出應(yīng)答幀，其他從機(jī)對命令幀不予理睬。

2.6.2上位機(jī)軟件

本實驗臺軟件部分主要由溫度、熱量、壓力和電量數(shù)據(jù)采集子軟件，水泵變頻控制子軟件和整個實驗臺測試軟件界面設(shè)計3部分組成，圖4為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程。選用Visual Basic 6.0作為開發(fā)軟件，通過MSComm控件實現(xiàn)串口通信，Microsoft Access作為后臺數(shù)據(jù)存儲和查詢數(shù)據(jù)庫，整個實驗臺軟件能方便地實現(xiàn)圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲和監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程

根據(jù)按鈕的切換，軟件可顯示5個界面，分別是啟動界面、運(yùn)行監(jiān)測主界面、能量分析界面、實驗運(yùn)行界面和水泵變頻控制界面。啟動界面為打開測試系統(tǒng)程序后顯示的第一個畫面，代表測試的開始，界面上有5個控制按鈕，用來調(diào)用和顯示其他功能界面；運(yùn)行監(jiān)測主界面如圖5所示；能量分析界面主要顯示被測機(jī)組的發(fā)電量和用電量參數(shù)；實驗運(yùn)行界面用于實驗過程中根據(jù)具體情況隨時改變設(shè)定值，并自動判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；水泵變頻控制界面用于對水泵的控制從而實現(xiàn)水溫的控制要求。

圖5 運(yùn)行監(jiān)測主界面

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計的低溫?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組檢測實驗臺，是一套集成了冷熱源系統(tǒng)、冷熱源監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組檢測系統(tǒng)的高精度、高自動化程度的監(jiān)控檢測系統(tǒng)。實驗臺可實時采集溫度、壓差、流量及熱量等參數(shù)，并在上位工控機(jī)上顯示，可用于隨時觀測機(jī)組運(yùn)行環(huán)境；數(shù)據(jù)庫中儲存的每日運(yùn)行數(shù)據(jù)可用于后期實驗分析和對機(jī)組的優(yōu)化研究；機(jī)組耗電量和發(fā)電量參數(shù)及發(fā)電效率等參數(shù)可直接在PC機(jī)上顯示，方便觀察發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。該實驗臺的研制成功為低溫?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量檢驗和生產(chǎn)線測試提供了實驗平臺。

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