刘景霞* 党建鹏 李安萍 王 磊 宋冠军

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头014010）

2014-2019 年全国风电发电量迅速增长，由2014 年的1598亿千瓦时增长到了2019 年的4057 亿千瓦时，但同时也产生了严重的弃风问题，2017 年弃风量甚至达到了497 亿千瓦时，其中，甘肃、新疆和内蒙古弃风率分别为7.6%、14%和7.1%，直接原因是电网消纳能力不足。此外，国家支持以电代煤，减少化石能源的使用，部分地区发布了许多电价政策，供暖电价补贴以及夜间低谷廉价电价，固体蓄热式电锅炉以电代煤，通过夜间低谷电加热并储热，白天进行放热，既做到了消纳弃风，又减少环境污染。蓄热式电锅炉是一种广义上的储能系统，其产生的热量一部分直接供热，另一部分存入蓄热装置，作为可时移负荷[1]。但是供暖过程中如果温度波动大，不仅影响到用户的使用，更会导致设备的损坏以及能源浪费，所以设计一套温度控制系统尤为重要。

1 固体蓄热式电锅简介

固体蓄热式电锅炉工作原理：

固体蓄热式电锅炉是将电能转换为热能并且能够将其储存起来，在需要的时候将热量放出，是一种新型的电锅炉[2]。它主要由以下几个部分组成：电发热元器件、蓄热介质、循环风机、变频器、热风-水-热交换器、蓄热体外壳、高温隔热层、温度传感器、压力表、流量传感器、控制器和电源。固体材料蓄热式电锅炉可实现全自动控制, 无人操作, 可以供采暖, 也可以供应热水[3]。固体蓄热是一种利用低价电时间段将电能转化为热能存储于固体蓄热材料中，在需要提供热量时通过必要的取热手段进行热量释放的蓄热方式[4]。

（1）产生热量：蓄热体内有7 组加热装置，每组加热装置中含有9 个电阻发热管，通电发热。

（2）热量储存：加热后产生的热量被储存在高密度的储热砖中，储热砖采用镁合金材料制成，储热能力出众，最高温度可达700℃。

（3）热量传输：蓄热体底部装有风扇，风扇连接电机。风扇旋转将空气送入储热砖中，通过风道加热后，与水-气热交换器进行换热，加热循环水，循环水通过循环泵的输送到达用户端进行热交换。

（4）热量释放：蓄热体中热量通过变频风机到达循环泵，通过水向外释放，电机驱动风扇，电机转速由变频器频率控制。蓄热体体积适中，但储热能力强大，供水温度可以在30-95℃之间进行选择。对于回水温度和出水温度差无特殊限制。

图1 固体蓄热式电锅炉结构图

2 控制系统总体设计

本次研究的锅炉温度控制系统采用PLC 作为控制器，主要控制分时段蓄热和放热，检测室外温度、蓄热砖温度和水的温度，控制变频器的频率进而控制风机的转速，进行快慢速换热。检测管道里的水压进而确定水管中是否有水存在，若没有水，则需要打开软化水箱将自来水进行净化补充循环水，过滤自来水中的金属氧化物，保护设备不被氧化腐蚀，WINCC 组态软件作为上位机，操作员可通过上位机对现场电气设备进行监控和控制[5]。电锅炉在使用过程中，要根据用户的需求进行设计，比如设置蓄热时段、放热时段、蓄热温度、电锅炉供回水温度、供水压力、循环泵放热时的工作频率等参数[6]。控制系统结构图如图2 所示。

图2 控制系统总结构图

3 硬件选型

3.1 PLC 的选型

PLC 选用西门子S7-1200，编程组态软件使用TIA PORTAL V15 软件，S7-1200 控制器使用灵活、功能强大，可以满足该设备自动化需求。TIA 软件同时拥有PLC 编程和WINCC组态功能，TIA 博图拥有功能多而强大、编程方式便捷而灵活等特点在工业控制系统得到广泛的应用[7]。图3 为博途中PLC 模块图，表1 为PLC 各模块选型。

图3 PLC 模块图

表1 PLC 各模块选型

由图3 可以看到，CPU 选择的是1215C AC/DC/RLY,选择此CPU 的原因是加热装置连接的中间继电器需要220V 的交流电供电，后面模块需要DC24V 电源，后续添加了3 块模块，一开关输出，两模拟输入，由于使用的输出较多，而S7-1200 CPU 自带的输出不能满足使用，故添加了一块输出模块，两块输入模块分别为水温与室外温度和砖温传感器通过电压变送器之后的模拟量输入值。

3.2 变频器的选型

电锅炉温度控制系统需要对风机进行变频调速，所以要用到变频器，选用西门子MM420 变频器用来调节风机转速，MM420 变频器降低了电动机运行的噪声，具有全面而完善的保护功能，为变频器和电动机提供良好的保护。MM420 变频器还具有多种工厂设置参数，是电动机控制系统供电的理想变频驱动装置[8]。

MM420 变频器主要具有以下特性：

功率范围和电源电压范围广，包括单相和三相，功率范围都在±10%。

输入和输出频率分别为47HZ～63HZ,0HZ～650HZ，功率因数为0.98，变频器效率为96%～97%，具有U/F 控制性能。

具有PID 闭环控制功能，控制方法有V/f；FCC 的线性V/f控制，平方和多点V/f 控制。

3.3 变频器风机控制电路

此温度控制系统中使用两个耐高温风机，一个主用，一个备用。风机加快储热体中空气流动，转速快慢控制气水换热，进而控制水温的增减。图4 为用PLC 的输出直接控制MM420 实现调速。

3.4 电阻发热管加热电路

电阻发热管采用三相电星形接法，每组加热装置中各有9个电阻发热管，可根据供热面积来选择需要的加热装置组数，电阻发热管通过断路器连接到三相电上，其加热电路如图5 所示。

图4 PLC 输出控制调速图

图5 加热电路图

3.5 人机交互界面

操作端组态画面通过西门子WINCC 来设计，此温度控制系统主控制为蓄热和放热两个流程，蓄热和放热温度最大值都需要根据室外平均温度来设置。因此，组态画面应该有室外平均温度与室外实际温度，另外，组态画面有显示加热装置组数、变频风机转速档位、蓄热与放热自动与手动开关，加热装置组数可以进行选择，在变压器承受能力较弱的情况下可以适当关闭一些组数，还可以实时显示砖温曲线和水温曲线，也可以手动设置水温与砖温最高温度，砖温最高温度不超过650℃，水温最高温度不超过95℃。控制系统在自动模式下结合室外平均温度，根据加热曲线计算出砖温和水温的最高温度，除非有特别要求，一般情况下不使用手动模式。此外，由于各省份的夜间低谷电价时间段各不相同，所以组态画面还可以进行选择加热时间。WINCC 组态画面如图6 所示。

图6 组态画面

4 结论

本文对于固体蓄热式电锅炉所设计的温度控制系统，使用PLC 进行蓄热、发热、补水、循环水、变频器和风机以及多个温度传感器的控制，变频器频率的增减调节风机转速的快慢，进而控制水的温度。固体蓄热式电锅炉既可以进行供暖，也可以用于洗浴，适用于医院、办公楼、澡堂、社区和学校等多种场所以及建筑。通过触摸屏进行用户端控制，用户可以选择加热时间，使用夜间低谷电价进行加热并且蓄热，白天进行放热，供暖效果绝佳。