特定工業環境下的余熱應用研究

王成均

摘 要：本文主要針對中車貴陽公司螺桿式空壓機的余熱，設計了一套空壓機余熱智能回收控制系統，控制精度高，響應時間快，節能效果顯著。采用PLC為核心設計硬件和軟件，通過對進出水溫、進出油溫的監測，結合PID調節控制調節閥開度，將高溫熱油的能量通過換熱器提升水的溫度，實現對出水溫度或出油溫度的精確控制。

本文對產水量及節能情況進行了全面的分析對比，并已將此控制系統制作成實物應用于工業螺桿式空壓機的余熱回收，實際測試表明，系統超調量小，上升時間快，且控制方便，可用余熱回收效率高達80%，既能回收余熱也能及時準確有效的對空壓機進行冷卻。

本系統設計實用性強，熱回收效率高、融合智能控制等特點，具有較高的推廣價值。

關鍵詞：余熱回收;PID控制;PLC;人機界面;溫度控制;模擬量控制

1 系統總體設計及要求

1.1現實需求

在空壓機的工作過程中，輸入電能的80%轉化成熱能，剩余20%轉化為壓縮空氣能。壓縮機在工作過程中所消耗電能轉變成熱量后，大部分被壓縮后的油氣混合物帶走。分別在各自的冷卻器中被冷卻介質帶走，熱量白白地浪費了。從理論上講，除了2%的輻射熱量不能回收外，幾乎98%的熱量均可以被回收利用。

對于風冷式噴油螺桿壓縮機，大約72%的能源消耗在熱油回路，熱能回收裝置正是為了在對壓縮機性能不產生任何負面影響的前提下，以熱水或溫水的形式回收以上絕大部分的熱能，回收率可達實際輸入軸功率的70%左右。

公司現有16臺空壓機，白班開機量為6臺，夜班開機量為一到兩臺，一臺空壓機每天平均運行時間為8小時。英格索蘭空壓機單耗最小，開機時間最多，因此對英格索蘭空壓機進行余熱回收升級設計。空壓機配置情況見表1.1

根據統計，2016年1-5月份公司浴室的月均用水量為1920.4噸，總用電量257434度，每月按20天計算，每天的用水量96.02噸/天，每噸水消耗電量為26.8度/噸（主要采用空氣源熱源泵加熱）。

1.2控制系統結構框圖

系統結構框圖是系統產品化的基礎，它包含了系統的硬件選擇及軟件開發，是在對系統功能、技術指標、性價比、元器件的可購性等因素進行可行性分析的基礎上，對多個方案比較權衡后確定。本系統采用的單閉環負反饋式控制系統，其控制框圖參考圖1.2所示。

1.3系統總體設計方案

本文所設計的是基于PLC的余熱回收控制系統，其目的是利用控制系統對空壓機高溫油的熱量回收，通過熱交換器對水加熱后經過循環水管輸送至浴室水箱，水的溫度控制范圍在室溫0到100攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士0.1℃，在控制水溫的同時要求空壓機冷卻液溫度下降不低于60℃。系統的總體設計技術參數如表1.3所示。

2 系統硬件設計

空壓機余熱回收系統的構架主要包括控制模塊和換熱模塊的設計。控制模塊主要包括控制電路的設計、主要硬件的選型和控制箱體設計.

2.1系統硬件總體結構

系統硬件總體結構包括PLC模塊、EM235模塊、人機界面模塊、測量模塊、執行機構、電源模塊電路等。硬件總體結構框圖如圖2.1所示。

系統設置人機界面和按鈕并行控制，按鈕設置啟動、停止和復位，人機界面設置在具有按鈕功能的同時，增加顯示監控，負責溫度數據的設置，時間的修改，密碼設置和PID參數修改等功能。

3 系統軟件設計

本余熱回收控制系統帶PID負反饋功能，采用在線程方式，并根據現場工業環境對PID參數做整定。

3.1 主程序模塊

主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統初始化和構建系統整體軟件框架，其中初始化包括對設定溫度值的初始化、PID參數初始化、可視界面初始化、密碼初始化等。程序實時監測進出水和進出油的溫度值并在人機界面上顯示，若選擇全自動控制，當空壓機開機后，油溫大于80℃時，系統將自動開啟空壓機余熱回收，調用PID模塊計算實測溫度與對應的出油溫度或出水溫度的偏差，最終計算出對應輸出信號傳輸至執行器;若選擇半自動控制，則需要手動啟動余熱回收控制系統，當進油溫度達到預設值時，啟動余熱回收，計算相應的PID輸出。主程序模塊的程序流程圖如圖3.1所示.

3.2? PID控制方案模塊

在控制系統設計中，控制方案是靈魂，直接影響控制效果的好壞，本文在控制方案上主要介紹了PID控制和模糊PID控制。

（1）模擬PID控制系統組成

（2）模擬PID調節器的的參數整定

PID調節器是一種線性調節器，它將給定值r（t）與實際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。經過現場PID參數整定，采樣時間為1秒，得出較為準確的比例P=-2.75、積分時間TI=3.22、微分時間TD=0。

4 綜合效益分析

4.1測試記錄

整個余熱回收系統安裝調試完成后，開始投入空壓機余熱回收使用，效果顯著，回收效率較高，測試記錄如表4.1.1和表4.1.2所示。

4.2熱值計算

水的比熱容：4.2×10? J/（kg℃），計算公式 Q=c×m×△t ，Q表示熱量 c表示比熱容 m表示質量 △t表示變化的溫度

通過分析，此系統在循環和直熱狀態下，只要保證油溫下降梯度不變，其回收的能量基本一致，詳細如表4.2所示，從表中可看出兩種模式下每小時節約電能都約為123度。

4.3效益分析

本空壓機余熱回收系統在循環加熱和直熱的狀態下，對空壓機的熱回收效率大于60%（空壓機功率200kW·h，熱回收約123kW·h，對熱油回收效率達80%）

空壓機按每天工作6小時計算，每年按250天工作日計算，每度電按0.81元計算，結合測試數據綜合分析如表4.3所示。

經過測試分析：5臺余熱回收系統每年可為公司浴室節約43.5萬元。

結? ? 論

工業余熱的回收和利用是提高能源利用率和環境保護的有效途徑，同時也能降低企業成本。本系統通過對中車貴陽公司空壓機運行現狀分析，設計一套余熱回收系統，將空壓機余熱轉化為高溫水供公司浴室使用，不僅達到節約能的目的還能優化空壓機的運行工況。將該系統運用于實際現場，效果顯著，熱油能量回收效率達80%，實際情況表明本控制系統控制精度高、響應時間快、穩定性好，年節約費用可觀，成本回收周期短。

參 考 文 獻：

[1] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]? ?陸秉權.中國余熱發電行業的現狀和發展趨勢分析（上）.中國建材，2010年11月 .

[3]? ?連紅奎，李艷，束光陽子，顧春偉.我國工業余熱回收利用技術綜述.節能技術，2011年3月.

[4]? ?饒榮水，熱管技術研究進展及其在冶金工業中的應用[J].工業加熱，2001（3）.

[5]? ?HDM Hettiarachchi，M Golubovic，WM Worek. Optimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources[J]. Energy， 2007.

Energy， 2005.