基于物聯網的蓄能式固體電鍋爐關鍵技術開發與設計

張雷　賈英　新劉申

摘要：以基于物聯網的蓄能式固體電鍋爐為研究對象，介紹了其研發的背景及意義，并通過結構系統設計、控制系統設計和物聯網應用設計三個方面介紹基于物聯網的蓄能式固體電鍋爐的研發過程，為新能源技術的應用提供了新的思路。

關鍵詞：物聯網;新能源技術;蓄能技術

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.089

0引言

隨著我國經濟的蓬勃發展，商用、民用負荷也在逐年增大，從而加劇了電力供電曲線的谷峰差，低谷電蓄能供熱系統由此應運而生。蓄能式電鍋爐通過蓄能技術將低谷時期的電能轉化為熱能儲存起來，在需要的時候釋放，起到了削峰填谷的作用，提高了發電機組的使用效率，是未來的發展趨勢。目前市場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別，生產企業在系統、運行算法設計上還使用根據負荷選型的簡單采購運行模式。以上都造成了能源的浪費，嚴重影響鍋爐效率。

本文以蓄能式電鍋爐為研究對象，以耐高溫的高密度、高比熱容固體材料為蓄熱介質，結合物聯網、云計算以及過程控制，研制出一種自動化程度高、性能可靠的基于物聯網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，具有很好的經濟和社會效益。

1設計原理

基于物聯網的蓄能式固體電鍋爐是由發熱介質、蓄熱介質、熱交換器、循環水系統、自動控制系統、物聯網云平臺組成。利用特制的固體蓄熱材料，將低谷時的電能轉化成熱能存儲起來，在用電高峰時，通過送風系統將所存熱量以熱風轉熱水的方式傳遞出去。

本設備使用電發熱管作為發熱介質;采用氧化鎂作為蓄熱介質將電能轉化成熱能并存儲起來;高溫熱能在蓄熱介質和熱交換器之間通過空氣閉環通道，以熱風轉熱水的形式進行熱交換，從而達到水電分離，保障可靠絕緣;利用西門子S7-200 smart系列PLC作為控制核心，與上位機相結合組成監控一體化的控制系統，提高電鍋爐的自動化控制水平;搭建物聯網云平臺，將電鍋爐工藝及生產參數遠傳至設備生產廠家和最終用戶，實現蓄能供熱的智能化管理及大數據分析。

2結構系統設計

蓄能式固體電鍋爐硬件部分由蓄熱池、熱交換系統、內循環系統和外循環系統等組成，其結構如圖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800℃，不需要專用水箱，占地面積僅為水蓄熱的八分之一;蓄熱池內的發熱體選用鐵鉻鋁電阻絲，其發熱溫度可達1560℃，并且可以持續加熱;蓄熱池外層采用高等絕熱體，與外環境達到熱絕緣。熱交換系統采用水電分離技術，熱能通過循環風由高溫蓄熱體傳遞到熱交換器，進而轉換為熱水輸出，針對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。內循環系統設計的變頻風機驅動空氣閉環通道內的熱空氣循環流動，根據供暖需要調整風機的運行頻率，可以改變熱空氣流動速度，達到調節輸出熱水溫度的目的。外循環系統根據進出水溫度，通過變頻水泵來調節供熱管道內水的流速，達到供暖所需效果。

整體系統分為三個工作階段：蓄熱階段、放熱階段和供暖階段。蓄熱階段設定在用電低谷時間，開始工作后，啟動電網為發熱體電阻絲持續供電，電阻絲將電能轉換為熱能，高溫蓄熱體氧化鎂不斷吸收熱能而升溫，當氧化鎂溫度達到800℃時，系統自動斷開電網，發熱體停止工作，蓄熱階段結束;放熱階段是風熱轉水熱的過程，系統通過自動調節，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整個工作過程;供暖階段是指熱能經交換器熱交換后，以熱水的形式，供給采暖末端。

3控制系統設計

電鍋爐自動控制系統的設計分為下位機系統和上位機系統，概含電鍋爐檢測系統、執行監控系統、數據采集系統、控制中心等。

3.1下位機系統

下位機以西門子系列可編程控制器S7-200 smart為控制核心，采集電鍋爐各個位置的溫度、風量、水量等參數，通過邏輯運算，實現蓄熱、放熱、供暖的全自動控制。

系統開始運行后，當蓄熱池內的溫度小于設定溫度高限且在用電低谷時間段內，啟動發熱體進行蓄熱，當蓄熱體的溫度達到設定溫度高限時，不論是在用電高峰還是低谷都要停止發熱體蓄熱，當蓄熱體低于設定溫度低限時，不論是在用電高峰還是低谷都要啟動發熱體蓄熱。

當放熱系統運行時，啟動變頻風機且打開風閥，當供水溫度低于85℃時，風機調整為最大頻率，風閥最大開度;當供水溫度在85℃～95℃之間時，風機頻率減小，風閥最大開度;當供水溫度大于95℃時，風機停止，風閥關閉。

供暖系統是通過供回水溫差，調整循環泵的頻率，控制熱水流量以達到供暖效果。當供水與回水溫差小于15℃時，循環泵調到最大頻率，當供回水溫差在15℃～20℃時，循環泵調到中等頻率，當供回水溫度大于20℃時，循環泵低速運行。由于供暖系統中的溫度變化導致管內壓力波動比較大，為消除影響，在系統中安裝了膨脹罐。膨脹罐通過調節罐體與皮囊之間的空氣體積，使供暖系統達到壓力平衡。當系統壓力小于0.3MPa時，上水電磁閥啟動，對供暖系統進行補水;當系統壓力大于0.4MPa時，上水閥停止工作，使供暖系統壓力保持在0.3MPa～0.4MPa范圍內，即可達到良好的供暖效果。

自動控制系統程序流程如圖2所示。

3.2上位機系統

上位機系統是在工控機上建立友好的人機界面來模擬電鍋爐的運行狀況。可編程控制器采集電鍋爐的溫度、壓力、流量等參數并實時上傳到工控機，用戶可以根據工藝要求設定用電高峰和低谷時間、加熱溫度高限和低限、供水溫度高限和低限等控制參數。

上位機系統作為用戶與電鍋爐系統交互信息的媒介，可以根據用戶的需求開發相應的功能。例如，報表管理的功能可以記錄熱風和熱水溫度、風閥和水閥的狀態、變頻器運行頻率等數據并歸檔生成報表;事件記錄的功能可以記錄電鍋爐系統各個設備的啟動和停止時刻;趨勢曲線的功能可以將蓄熱體溫度、水溫度、風機頻率、水泵頻率等參數以曲線的形式呈現出來，用戶可以通過曲線對比總結蓄熱體溫度與水溫度、風機頻率與水溫度等之間的相互關系，從而優化工藝，提高工作效率。

4物聯網構架

蓄能式固體電鍋爐物聯網平臺結合了最先進的云計算、傳感器等技術，利用大數據分析對電鍋爐的橫向數據與縱向數據進行統計，為設備運行維護、售后服務、設備升級、故障報警等方面提供有力支持。

4.1系統構架

電鍋爐物聯網構架可分為三層：數據采集層、傳輸層和應用層。

數據采集層通過鍋爐控制臺或專用控制箱來采集各類傳感器信息，如溫度、濕度、壓力等，電鍋爐物聯網平臺可以接入各種類型傳感器，給用戶更大的選擇空間，降低系統的實施成本。傳輸層主要通過Internet實現本地數據的云端上傳，采用WebSocket全雙工長鏈接協議，本地端向云端服務器ECS進行請求握手連接，進行密碼匹配后可實現持久性的穩定連接，與傳統http和輪詢式數據傳輸方式相比，具有數據包小、硬件壓力小、安全性高等優勢。將不同地點、不同規模的蓄能式電鍋爐項目各項信息采集并上傳到云端以后，通過遠程可視化界面對電鍋爐進行實時和多角度監測，設備生產廠商可以得到設備的運行及報警信息，對售后維護進行統籌管理，用戶可以隨時隨地查看電鍋爐工作狀態及供熱效率，從而實現物聯網的智能應用。

4.2功能設計

電鍋爐的各項關鍵數據從現場通過本地工控機上傳至云服務器ECS，云服務器ECS進行安全驗證并寫入云數據庫MySQL，Web可視化界面直接與ECS進行請求交互，后者從MySQL調取數據并返回Web界面實現數據顯示，“蓄熱起停時間”、“爐腔氧化鎂加熱溫度”、“設備起停”等Web端操控指令經ECS直接下發至本地工控機，重要控制數據經ECS寫入MySQL生成指令日志，實現采集層數據更新與應用層操控指令的雙向傳輸。設備生產廠商及用戶可以通過PC端、手機或平板等移動端遠程訪問電鍋爐控制系統，輸入正確的鍋爐編號及密碼后，可視化界面動態顯示采暖系統的鍋爐蓄熱溫度、熱風溫度、水壓力、水流量等參數。

通過物聯網的開發與應用，實現了對工業電鍋爐的智能識別、監控和管理，形成集鍋爐在線能耗診斷、遠程動態監測為一體的鍋爐管理體系。隨著入網鍋爐的增多，數據采集量將更大、更廣，進而建立行業大數據庫，對電鍋爐的橫向數據與縱向數據的統計，有助于科研機構、環保監督單位和鍋爐制造單位進行研究與分析，實現電鍋爐的集中檢測，推進精細化管理，提升鍋爐的生產效率和運行效率。

5結論

固體氧化鎂材料耐溫、耐火、絕緣，以氧化鎂作為蓄能材料，充分體現了蓄能式電鍋爐的優勢;利用低谷電能，進行大功率熱能的存儲，可以緩解電網峰谷矛盾，起到了削峰填谷的作用，提高了電能利用率;在傳統電鍋爐中引入自動控制系統和物聯網技術，實現了自動化、智能化管理。

基于物聯網的蓄能式固體電鍋爐拓展了新能源技術的應用渠道，符合國家節能減排的基本國策，具有廣泛的推廣和使用空間。

參考文獻

[1]徐吉成.論物聯網為實施智能制造提供有力支撐[J].現代商貿工業，2017，（18）.