基于物联网的蓄能式固体电锅炉关键技术开发与设计.docx

基于物联网的蓄能式固体电锅炉关键技术开发与设计张雷贾英新刘申摘要：以基于物联网的蓄能式固体电锅炉为研究对象，介绍了其研发的背景及意义，并通過结构系统设计、控制系统设计和物联网应用设计三个方面介绍基于物联网的蓄能式固体电锅炉的研发过程，为新能源技术的应用提供了新的思路。关键词：物联网;新能源技术;蓄能技术中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.0890引言随着我国经济的蓬勃发展，商用、民用负荷也在逐年增大，从而加剧了电力供电曲线的谷峰差，低谷电蓄能供热系统由此应运而生。蓄能式电锅炉通过蓄能技术将低谷时期的电能转化为热能储存起来，在需要的时候释放，起到了削峰填谷的作用，提高了发电机组的使用效率，是未来的发展趋势。目前市场的蓄能式电锅炉多是利用常压水箱蓄热，最高只能将热水加热到90多度，且蓄热水箱体积庞大，即使采用最好的保温材料，其表面散热损失仍是十分巨大。另外虽然用户工况千差万别，生产企业在系统、运行算法设计上还使用根据负荷选型的简单采购运行模式。以上都造成了能源的浪费，严重影响锅炉效率。本文以蓄能式电锅炉为研究对象，以耐高温的高密度、高比热容固体材料为蓄热介质，结合物联网、云计算以及过程控制，研制出一种自动化程度高、性能可靠的基于物联网的蓄能式固体电锅炉，显著提高了蓄能式电锅炉的供热效率和管理效率，具有很好的经济和社会效益。1设计原理基于物联网的蓄能式固体电锅炉是由发热介质、蓄热介质、热交换器、循环水系统、自动控制系统、物联网云平台组成。利用特制的固体蓄热材料，将低谷时的电能转化成热能存储起来，在用电高峰时，通过送风系统将所存热量以热风转热水的方式传递出去。本设备使用电发热管作为发热介质;采用氧化镁作为蓄热介质将电能转化成热能并存储起来;高温热能在蓄热介质和热交换器之间通过空气闭环通道，以热风转热水的形式进行热交换，从而达到水电分离，保障可靠绝缘;利用西门子S7-200smart系列PLC作为控制核心，与上位机相结合组成监控一体化的控制系统，提高电锅炉的自动化控制水平;搭建物联网云平台，将电锅炉工艺及生产参数远传至设备生产厂家和最终用户，实现蓄能供热的智能化管理及大数据分析。2结构系统设计蓄能式固体电锅炉硬件部分由蓄热池、热交换系统、内循环系统和外循环系统等组成，其结构如图1所示。蓄热池选用92%纯度的氧化镁砖作为蓄热体，其蓄热温度高达800℃，不需要专用水箱，占地面积仅为水蓄热的八分之一;蓄热池内的发热体选用铁铬铝电阻丝，其发热温度可达1560℃，并且可以持续加热;蓄热池外层采用高等绝热体，与外环境达到热绝缘。热交换系统采用水电分离技术，热能通过循环风由高温蓄热体传递到热交换器，进而转换为热水输出，针对热能由空气到水的传递特性，选用管翅式换热器作为换热主体。内循环系统设计的变频风机驱动空气闭环通道内的热空气循环流动，根据供暖需要调整风机的运行频率，可以改变热空气流动速度，达到调节输出热水温度的目的。外循环系统根据进出水温度，通过变频水泵来调节供热管道内水的流速，达到供暖所需效果。整体系统分为三个工作阶段：蓄热阶段、放热阶段和供暖阶段。蓄热阶段设定在用电低谷时间，开始工作后，启动电网为发热体电阻丝持续供电，电阻丝将电能转换为热能，高温蓄热体氧化镁不断吸收热能而升温，当氧化镁温度达到800℃时，系统自动断开电网，发热体停止工作，蓄热阶段结束;放热阶段是风热转水热的过程，系统通过自动调节，使供水温暖的维持在90℃，为保证供暖效果，放热阶段贯穿于系统整个工作过程;供暖阶段是指热能经交换器热交换后，以热水的形式，供给采暖末端。3控制系统设计电锅炉自动控制系统的设计分为下位机系统和上位机系统，概含电锅炉检测系统、执行监控系统、数据采集系统、控制中心等。3.1下位机系统下位机以西门子系列可编程控制器S7-200smart为控制核心，采集电锅炉各个位置的温度、风量、水量等参数，通过逻辑运算，实现蓄热、放热、供暖的全自动控制。系统开始运行后，当蓄热池内的温度小于设定温度高限且在用电低谷时间段内，启动发热体进行蓄热，当蓄热体的温度达到设定温度高限时，不论是在用电高峰还是低谷都要停止发热体蓄热，当蓄热体低于设定温度低限时，不论是在用电高峰还是低谷都要启动发热体蓄热。当放热系统运行时，启动变频风机且打开风阀，当供水温度低于85℃时，风机调整为最大频率，风阀最大开度;当供水温度在85℃～95℃之间时，风机频率减小，风阀最大开度;当供水温度大于95℃时，风机停止，风阀关闭。供暖系统是通过供回水温差，调整循环泵的频率，控制热水流量以达到供暖效果。当供水与回水温差小于15℃时，循环泵调到最大频率，当供回水温差在15℃～20℃时，循环泵调到中等频率，当供回水温度大于20℃时，循环泵低速运行。由于