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基于物联网的蓄能式固体电锅炉关键技术开发与设计

范文

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.1672-3198.2019.16.089

0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S7-200 smart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S7-200 smart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。由于供暖系统中的温度变化导致管内压力波动比较大，为消除影响，在系统中安装了膨胀罐。膨胀罐通过调节罐体与皮囊之间的空气体积，使供暖系统达到压力平衡。当系统压力小于0.3MPa时，上水电磁阀启动，对供暖系统进行补水;当系统压力大于0.4MPa时，上水阀停止工作，使供暖系统压力保持在0.3MPa～0.4MPa范围内，即可达到良好的供暖效果。

自动控制系统程序流程如图2所示。

3.2上位机系统

上位机系统是在工控机上建立友好的人机界面来模拟电锅炉的运行状况。可编程控制器采集电锅炉的温度、压力、流量等参数并实时上传到工控机，用户可以根据工艺要求设定用电高峰和低谷时间、加热温度高限和低限、供水温度高限和低限等控制参数。

上位机系统作为用户与电锅炉系统交互信息的媒介，可以根据用户的需求开发相应的功能。例如，报表管理的功能可以记录热风和热水温度、风阀和水阀的状态、变频器运行频率等数据并归档生成报表;事件记录的功能可以记录电锅炉系统各个设备的启动和停止时刻;趋势曲线的功能可以将蓄热体温度、水温度、风机频率、水泵频率等参数以曲线的形式呈现出来，用户可以通过曲线对比总结蓄热体温度与水温度、风机频率与水温度等之间的相互关系，从而优化工艺，提高工作效率。

4物联网构架

蓄能式固體电锅炉物联网平台结合了最先进的云计算、传感器等技术，利用大数据分析对电锅炉的横向数据与纵向数据进行统计，为设备运行维护、售后服务、设备升级、故障报警等方面提供有力支持。

4.1系统构架

电锅炉物联网构架可分为三层：数据采集层、传输层和应用层。

数据采集层通过锅炉控制台或专用控制箱来采集各类传感器信息，如温度、湿度、压力等，电锅炉物联网平台可以接入各种类型传感器，给用户更大的选择空间，降低系统的实施成本。传输层主要通过Internet实现本地数据的云端上传，采用WebSocket全双工长链接协议，本地端向云端服务器ECS进行请求握手连接，进行密码匹配后可实现持久性的稳定连接，与传统http和轮询式数据传输方式相比，具有数据包小、硬件压力小、安全性高等优势。将不同地点、不同规模的蓄能式电锅炉项目各项信息采集并上传到云端以后，通过远程可视化界面对电锅炉进行实时和多角度监测，设备生产厂商可以得到设备的运行及报警信息，对售后维护进行统筹管理，用户可以随时随地查看电锅炉工作状态及供热效率，从而实现物联网的智能应用。

4.2功能设计

电锅炉的各项关键数据从现场通过本地工控机上传至云服务器ECS，云服务器ECS进行安全验证并写入云数据库MySQL，Web可视化界面直接与ECS进行请求交互，后者从MySQL调取数据并返回Web界面实现数据显示，“蓄热起停时间”、“炉腔氧化镁加热温度”、“设备起停”等Web端操控指令经ECS直接下发至本地工控机，重要控制数据经ECS写入MySQL生成指令日志，实现采集层数据更新与应用层操控指令的双向传输。设备生产厂商及用户可以通过PC端、手机或平板等移动端远程访问电锅炉控制系统，输入正确的锅炉编号及密码后，可视化界面动态显示采暖系统的锅炉蓄热温度、热风温度、水压力、水流量等参数。

通过物联网的开发与应用，实现了对工业电锅炉的智能识别、监控和管理，形成集锅炉在线能耗诊断、远程动态监测为一体的锅炉管理体系。随着入网锅炉的增多，数据采集量将更大、更广，进而建立行业大数据库，对电锅炉的横向数据与纵向数据的统计，有助于科研机构、环保监督单位和锅炉制造单位进行研究与分析，实现电锅炉的集中检测，推进精细化管理，提升锅炉的生产效率和运行效率。

5结论

固体氧化镁材料耐温、耐火、绝缘，以氧化镁作为蓄能材料，充分体现了蓄能式电锅炉的优势;利用低谷电能，进行大功率热能的存储，可以缓解电网峰谷矛盾，起到了削峰填谷的作用，提高了电能利用率;在传统电锅炉中引入自动控制系统和物联网技术，实现了自动化、智能化管理。

基于物联网的蓄能式固体电锅炉拓展了新能源技术的应用渠道，符合国家节能减排的基本国策，具有广泛的推广和使用空间。

参考文献

[1]徐吉成.论物联网为实施智能制造提供有力支撑[J].现代商贸工业，2017，（18）.

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