基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

張雷　賈英　新劉申

摘要：以基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐為研究對(duì)象，介紹了其研發(fā)的背景及意義，并通過(guò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)三個(gè)方面介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐的研發(fā)過(guò)程，為新能源技術(shù)的應(yīng)用提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);新能源技術(shù);蓄能技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.089

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，商用、民用負(fù)荷也在逐年增大，從而加劇了電力供電曲線的谷峰差，低谷電蓄能供熱系統(tǒng)由此應(yīng)運(yùn)而生。蓄能式電鍋爐通過(guò)蓄能技術(shù)將低谷時(shí)期的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候釋放，起到了削峰填谷的作用，提高了發(fā)電機(jī)組的使用效率，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前市場(chǎng)的蓄能式電鍋爐多是利用常壓水箱蓄熱，最高只能將熱水加熱到90多度，且蓄熱水箱體積龐大，即使采用最好的保溫材料，其表面散熱損失仍是十分巨大。另外雖然用戶工況千差萬(wàn)別，生產(chǎn)企業(yè)在系統(tǒng)、運(yùn)行算法設(shè)計(jì)上還使用根據(jù)負(fù)荷選型的簡(jiǎn)單采購(gòu)運(yùn)行模式。以上都造成了能源的浪費(fèi)，嚴(yán)重影響鍋爐效率。

本文以蓄能式電鍋爐為研究對(duì)象，以耐高溫的高密度、高比熱容固體材料為蓄熱介質(zhì)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及過(guò)程控制，研制出一種自動(dòng)化程度高、性能可靠的基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐，顯著提高了蓄能式電鍋爐的供熱效率和管理效率，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1設(shè)計(jì)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐是由發(fā)熱介質(zhì)、蓄熱介質(zhì)、熱交換器、循環(huán)水系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組成。利用特制的固體蓄熱材料，將低谷時(shí)的電能轉(zhuǎn)化成熱能存儲(chǔ)起來(lái)，在用電高峰時(shí)，通過(guò)送風(fēng)系統(tǒng)將所存熱量以熱風(fēng)轉(zhuǎn)熱水的方式傳遞出去。

本設(shè)備使用電發(fā)熱管作為發(fā)熱介質(zhì);采用氧化鎂作為蓄熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲(chǔ)起來(lái);高溫?zé)崮茉谛顭峤橘|(zhì)和熱交換器之間通過(guò)空氣閉環(huán)通道，以熱風(fēng)轉(zhuǎn)熱水的形式進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到水電分離，保障可靠絕緣;利用西門(mén)子S7-200 smart系列PLC作為控制核心，與上位機(jī)相結(jié)合組成監(jiān)控一體化的控制系統(tǒng)，提高電鍋爐的自動(dòng)化控制水平;搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，將電鍋爐工藝及生產(chǎn)參數(shù)遠(yuǎn)傳至設(shè)備生產(chǎn)廠家和最終用戶，實(shí)現(xiàn)蓄能供熱的智能化管理及大數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄能式固體電鍋爐硬件部分由蓄熱池、熱交換系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和外循環(huán)系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

蓄熱池選用92%純度的氧化鎂磚作為蓄熱體，其蓄熱溫度高達(dá)800℃，不需要專(zhuān)用水箱，占地面積僅為水蓄熱的八分之一;蓄熱池內(nèi)的發(fā)熱體選用鐵鉻鋁電阻絲，其發(fā)熱溫度可達(dá)1560℃，并且可以持續(xù)加熱;蓄熱池外層采用高等絕熱體，與外環(huán)境達(dá)到熱絕緣。熱交換系統(tǒng)采用水電分離技術(shù)，熱能通過(guò)循環(huán)風(fēng)由高溫蓄熱體傳遞到熱交換器，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為熱水輸出，針對(duì)熱能由空氣到水的傳遞特性，選用管翅式換熱器作為換熱主體。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變頻風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣閉環(huán)通道內(nèi)的熱空氣循環(huán)流動(dòng)，根據(jù)供暖需要調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，可以改變熱空氣流動(dòng)速度，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出熱水溫度的目的。外循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)出水溫度，通過(guò)變頻水泵來(lái)調(diào)節(jié)供熱管道內(nèi)水的流速，達(dá)到供暖所需效果。

整體系統(tǒng)分為三個(gè)工作階段：蓄熱階段、放熱階段和供暖階段。蓄熱階段設(shè)定在用電低谷時(shí)間，開(kāi)始工作后，啟動(dòng)電網(wǎng)為發(fā)熱體電阻絲持續(xù)供電，電阻絲將電能轉(zhuǎn)換為熱能，高溫蓄熱體氧化鎂不斷吸收熱能而升溫，當(dāng)氧化鎂溫度達(dá)到800℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)電網(wǎng)，發(fā)熱體停止工作，蓄熱階段結(jié)束;放熱階段是風(fēng)熱轉(zhuǎn)水熱的過(guò)程，系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使供水溫暖的維持在90℃，為保證供暖效果，放熱階段貫穿于系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程;供暖階段是指熱能經(jīng)交換器熱交換后，以熱水的形式，供給采暖末端。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)，概含電鍋爐檢測(cè)系統(tǒng)、執(zhí)行監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制中心等。

3.1下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)以西門(mén)子系列可編程控制器S7-200 smart為控制核心，采集電鍋爐各個(gè)位置的溫度、風(fēng)量、水量等參數(shù)，通過(guò)邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)蓄熱、放熱、供暖的全自動(dòng)控制。

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，當(dāng)蓄熱池內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度高限且在用電低谷時(shí)間段內(nèi)，啟動(dòng)發(fā)熱體進(jìn)行蓄熱，當(dāng)蓄熱體的溫度達(dá)到設(shè)定溫度高限時(shí)，不論是在用電高峰還是低谷都要停止發(fā)熱體蓄熱，當(dāng)蓄熱體低于設(shè)定溫度低限時(shí)，不論是在用電高峰還是低谷都要啟動(dòng)發(fā)熱體蓄熱。

當(dāng)放熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)變頻風(fēng)機(jī)且打開(kāi)風(fēng)閥，當(dāng)供水溫度低于85℃時(shí)，風(fēng)機(jī)調(diào)整為最大頻率，風(fēng)閥最大開(kāi)度;當(dāng)供水溫度在85℃～95℃之間時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率減小，風(fēng)閥最大開(kāi)度;當(dāng)供水溫度大于95℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停止，風(fēng)閥關(guān)閉。

供暖系統(tǒng)是通過(guò)供回水溫差，調(diào)整循環(huán)泵的頻率，控制熱水流量以達(dá)到供暖效果。當(dāng)供水與回水溫差小于15℃時(shí)，循環(huán)泵調(diào)到最大頻率，當(dāng)供回水溫差在15℃～20℃時(shí)，循環(huán)泵調(diào)到中等頻率，當(dāng)供回水溫度大于20℃時(shí)，循環(huán)泵低速運(yùn)行。由于供暖系統(tǒng)中的溫度變化導(dǎo)致管內(nèi)壓力波動(dòng)比較大，為消除影響，在系統(tǒng)中安裝了膨脹罐。膨脹罐通過(guò)調(diào)節(jié)罐體與皮囊之間的空氣體積，使供暖系統(tǒng)達(dá)到壓力平衡。當(dāng)系統(tǒng)壓力小于0.3MPa時(shí)，上水電磁閥啟動(dòng)，對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水;當(dāng)系統(tǒng)壓力大于0.4MPa時(shí)，上水閥停止工作，使供暖系統(tǒng)壓力保持在0.3MPa～0.4MPa范圍內(nèi)，即可達(dá)到良好的供暖效果。

自動(dòng)控制系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

3.2上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)是在工控機(jī)上建立友好的人機(jī)界面來(lái)模擬電鍋爐的運(yùn)行狀況。可編程控制器采集電鍋爐的溫度、壓力、流量等參數(shù)并實(shí)時(shí)上傳到工控機(jī)，用戶可以根據(jù)工藝要求設(shè)定用電高峰和低谷時(shí)間、加熱溫度高限和低限、供水溫度高限和低限等控制參數(shù)。

上位機(jī)系統(tǒng)作為用戶與電鍋爐系統(tǒng)交互信息的媒介，可以根據(jù)用戶的需求開(kāi)發(fā)相應(yīng)的功能。例如，報(bào)表管理的功能可以記錄熱風(fēng)和熱水溫度、風(fēng)閥和水閥的狀態(tài)、變頻器運(yùn)行頻率等數(shù)據(jù)并歸檔生成報(bào)表;事件記錄的功能可以記錄電鍋爐系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)和停止時(shí)刻;趨勢(shì)曲線的功能可以將蓄熱體溫度、水溫度、風(fēng)機(jī)頻率、水泵頻率等參數(shù)以曲線的形式呈現(xiàn)出來(lái)，用戶可以通過(guò)曲線對(duì)比總結(jié)蓄熱體溫度與水溫度、風(fēng)機(jī)頻率與水溫度等之間的相互關(guān)系，從而優(yōu)化工藝，提高工作效率。

4物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

蓄能式固體電鍋爐物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)結(jié)合了最先進(jìn)的云計(jì)算、傳感器等技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)分析對(duì)電鍋爐的橫向數(shù)據(jù)與縱向數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、售后服務(wù)、設(shè)備升級(jí)、故障報(bào)警等方面提供有力支持。

4.1系統(tǒng)構(gòu)架

電鍋爐物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架可分為三層：數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層通過(guò)鍋爐控制臺(tái)或?qū)Ｓ每刂葡鋪?lái)采集各類(lèi)傳感器信息，如溫度、濕度、壓力等，電鍋爐物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以接入各種類(lèi)型傳感器，給用戶更大的選擇空間，降低系統(tǒng)的實(shí)施成本。傳輸層主要通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的云端上傳，采用WebSocket全雙工長(zhǎng)鏈接協(xié)議，本地端向云端服務(wù)器ECS進(jìn)行請(qǐng)求握手連接，進(jìn)行密碼匹配后可實(shí)現(xiàn)持久性的穩(wěn)定連接，與傳統(tǒng)http和輪詢式數(shù)據(jù)傳輸方式相比，具有數(shù)據(jù)包小、硬件壓力小、安全性高等優(yōu)勢(shì)。將不同地點(diǎn)、不同規(guī)模的蓄能式電鍋爐項(xiàng)目各項(xiàng)信息采集并上傳到云端以后，通過(guò)遠(yuǎn)程可視化界面對(duì)電鍋爐進(jìn)行實(shí)時(shí)和多角度監(jiān)測(cè)，設(shè)備生產(chǎn)廠商可以得到設(shè)備的運(yùn)行及報(bào)警信息，對(duì)售后維護(hù)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，用戶可以隨時(shí)隨地查看電鍋爐工作狀態(tài)及供熱效率，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

4.2功能設(shè)計(jì)

電鍋爐的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)本地工控機(jī)上傳至云服務(wù)器ECS，云服務(wù)器ECS進(jìn)行安全驗(yàn)證并寫(xiě)入云數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，Web可視化界面直接與ECS進(jìn)行請(qǐng)求交互，后者從MySQL調(diào)取數(shù)據(jù)并返回Web界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，“蓄熱起停時(shí)間”、“爐腔氧化鎂加熱溫度”、“設(shè)備起?！钡萕eb端操控指令經(jīng)ECS直接下發(fā)至本地工控機(jī)，重要控制數(shù)據(jù)經(jīng)ECS寫(xiě)入MySQL生成指令日志，實(shí)現(xiàn)采集層數(shù)據(jù)更新與應(yīng)用層操控指令的雙向傳輸。設(shè)備生產(chǎn)廠商及用戶可以通過(guò)PC端、手機(jī)或平板等移動(dòng)端遠(yuǎn)程訪問(wèn)電鍋爐控制系統(tǒng)，輸入正確的鍋爐編號(hào)及密碼后，可視化界面動(dòng)態(tài)顯示采暖系統(tǒng)的鍋爐蓄熱溫度、熱風(fēng)溫度、水壓力、水流量等參數(shù)。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)電鍋爐的智能識(shí)別、監(jiān)控和管理，形成集鍋爐在線能耗診斷、遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為一體的鍋爐管理體系。隨著入網(wǎng)鍋爐的增多，數(shù)據(jù)采集量將更大、更廣，進(jìn)而建立行業(yè)大數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)電鍋爐的橫向數(shù)據(jù)與縱向數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，有助于科研機(jī)構(gòu)、環(huán)保監(jiān)督單位和鍋爐制造單位進(jìn)行研究與分析，實(shí)現(xiàn)電鍋爐的集中檢測(cè)，推進(jìn)精細(xì)化管理，提升鍋爐的生產(chǎn)效率和運(yùn)行效率。

5結(jié)論

固體氧化鎂材料耐溫、耐火、絕緣，以氧化鎂作為蓄能材料，充分體現(xiàn)了蓄能式電鍋爐的優(yōu)勢(shì);利用低谷電能，進(jìn)行大功率熱能的存儲(chǔ)，可以緩解電網(wǎng)峰谷矛盾，起到了削峰填谷的作用，提高了電能利用率;在傳統(tǒng)電鍋爐中引入自動(dòng)控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的蓄能式固體電鍋爐拓展了新能源技術(shù)的應(yīng)用渠道，符合國(guó)家節(jié)能減排的基本國(guó)策，具有廣泛的推廣和使用空間。

參考文獻(xiàn)

[1]徐吉成.論物聯(lián)網(wǎng)為實(shí)施智能制造提供有力支撐[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017，（18）.