CN105605955A - 一种熔盐换热实验装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔盐换热实验装置及其控制方法，该实验装置包括高温熔盐循环回路、导热油循环回路、冷却水循环回路和控制系统，高温熔盐循环回路与导热油循环回路分别连接相并联的熔盐换热实验段，导热油循环回路与冷却水循环回路分别连接导热油/冷却水换热器；所述的控制系统为Fuzzy-PID控制系统，其控制快速响应、控制精度高，又具有易实现。本发明减少了更换实验段的工程量，同时通过智能控制实现实验段的同时进行，很大程度上减少了能源消耗，而且能够实现对温度、流量的精确控制；同时，针对并联实验段的控制，对节能贡献巨大。实验操作人员远离实验台区域，完全实现智能自动化，提高实验人员的安全性。

Description

一种熔盐换热实验装置及其控制方法

技术领域

本发明属于熔盐工质换热技术领域，涉及一种熔盐换热实验装置及其控制方法。

背景技术

众所周知，熔盐具有温变区域广、热稳定性高、蒸汽压低、热容量大、对物质溶解能力强、粘度较低以及价格相对便宜等特点。因此，熔盐作为传热储热流体具有广阔应用前景，如在冶金、化学、核电以及太阳能等多个领域有广泛应用而且，世界已将熔盐太阳能电站运用于商业发电。因此，大型熔盐换热实验台对于熔盐应用方面具有重要的指导性作用

目前较多的一些常规熔盐换热实验台，都属于小型的流量变化范围小，操作简单的实验台。这些小型实验台由于换热器类型限制、流量温度限制等原因，很难得到与实际贴合的实验数据。因此搭建大型熔盐换热实验平台十分必要的。但是，考虑到熔盐本身具有凝固温度高，腐蚀性等缺点，并且控制这种大型熔盐换热实验平台达到实验目的也存在很多困难：

1)温度控制，对于大型熔盐换热实验平台，实验测试对象具有多变性，从大的整体式换热器到小型单根换热管，都需要考虑。因此，温度控制范围要广，控制精度要高，并且需要考虑实验过程中，各种扰动对温度的影响，从而快速响应，进行调节。

2)流量控制，对于大型熔盐换热实验平台，流量在一个较大的范围内变化，仅仅通过调节泵的频率是很难精确调节流量，而仅仅通过电动阀门调节流量有可能引起管路内压力波动太大，进而引发实验管路或设备的泄漏和损坏事故，增加实验的危险性。因此，需要完善的控制系统来同时调节变频泵和电动阀门。

3)更换实验段，对于大型熔盐换热实验平台，跟换实验段是必须的，同时也是工程巨大的，并且每次跟换实验段后，实验要从头开始，能源的消耗也是很大的。

4)能耗问题，对于大型熔盐换热实验平台，加热、工质循环以及冷却都是十分耗能的。

5)安全问题，熔盐本身具有很高的熔点，熔盐与导热油换热实验的温度更加高，同时导热油与熔盐在高温下进行换热也容易焦化产生固态杂质，从而堵塞实验管道，并且对于大型熔盐换热实验平台，这种危险性更大。因此完善智能控制十分重要。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种熔盐换热实验装置及其控制方法，基于梯级控制的智能控制系统，能够在保证实验节能、精确以及安全的前提下，实现实验操作的简单高效。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种熔盐换热实验装置，包括高温熔盐循环回路、导热油循环回路、冷却水循环回路和控制系统，高温熔盐循环回路与导热油循环回路分别连接相并联的熔盐换热实验段，导热油循环回路与冷却水循环回路分别连接导热油/冷却水换热器；

所述的高温熔盐循环回路包括相连通的储盐罐和熔盐循环管路，以及设置在其上的多个温度控制组件和多个流量控制组件，温度控制组件、流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的导热油循环回路包括相连通的储油罐和导热油循环管路，以及设置在其上的温度控制组件和流量控制组件，温度控制组件、流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的冷却水循环回路包括相连通的水冷却塔和冷却水循环管路，以及设置在其上的流量控制组件，流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的温度控制组件包括加热器、加热器控制器和温度传感器，温度传感器向控制系统发送信号，加热器控制器接收控制系统发送的控制信号，加热器接收加热器控制器的调节；

所述的流量控制组件包括变频泵、变频泵控制器和流量监测器，或者流量控制组件包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器；

流量监测器向控制系统发送信号，变频泵控制器或阀门控制器接收控制系统发送的控制信号，变频泵接收变频泵控制器的调节，控制阀门接收阀门控制器的调节。

所述的储盐罐、储油罐内均设有温度控制组件，其包括电加热器组、加热器控制器和温度传感器，电加热器组由多根可单独控制的电加热器组成；储盐罐、储油罐内均设有流量控制组件，其包括变频泵、变频泵控制器和位于储盐罐出口的流量监测器；

所述的熔盐循环管路上设置有温度控制组件，其包括缠绕在管路上的电伴热带、加热器控制器和温度传感器；熔盐循环管路、导热油循环管路上均设有流量控制组件，其包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器；

所述的熔盐换热实验段、导热油/冷却水换热器其进出口处均设置有流量控制组件和温度传感器，流量控制组件包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器，温度传感器向控制系统发送温度信号；熔盐换热实验段的并联分流处设有分流控制阀、阀门控制器和流量监测器，分流控制阀经阀门控制器受控制系统调节；

所述的冷却水循环管路上设置有流量控制组件，其包括变频泵、变频泵控制器和位于储盐罐出口的流量监测器；水冷却塔上设置有水冷却塔风机，水冷却塔风机受控制系统调节其转动频率。

所述的控制系统为包括Fuzzy控制系统和PID控制系统的Fuzzy-PID控制系统，其对温度控制组件的调节为：Fuzzy-PID控制系统接收温度传感器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统来决定选用加热器的工作个数，为控制系统的快速调节部分；针对所选用的加热器用PID控制系统对其工作功率进行调节，为控制系统的微调节部分；

Fuzzy-PID控制系统对流量控制组件的调节为：Fuzzy-PID控制系统接收流量监测器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统调节变频泵的转动频率；

或者Fuzzy-PID控制系统接收流量监测器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过PID控制系统调节流量控制阀门的开度。

所述的控制系统对加热器进行梯度控制：在初始加温时加热器全部开启并采用最大功率加热，当熔盐循环管路、导热油循环管路中工质的出口温度达到预设值的70％时，Fuzzy-PID控制系统通过模糊规则逐步关闭为工质加热的加热器；出口温度达到预设值的80％时，只保留必须保留的加热器，之后Fuzzy-PID控制系统通过PID调节所保留的加热器的工作功率，至熔盐、导热油达到预设值温度。

针对熔盐换热实验段并联情况，控制系统对熔盐/导热油的流量控制为：

若只第一熔盐换热实验段连通时，开始启动时根据储盐罐/储油罐的流量预设值，Fuzzy-PID控制系统通过模糊规则选择熔盐/导热油的变频泵的转动频率，之后根据第一熔盐换热实验段的流量监控其的流量反馈和其流量预设值，Fuzzy-PID控制系统通过PID对第一熔盐换热实验段的熔盐/导热油的流量控制阀门和分流控制阀进行控制；

若多个熔盐换热实验段连通时，先对各个熔盐换热实验段熔盐/导热油流量预设值总和进行判断，是否超过最大限度流量；若超过，控制系统将控制熔盐换热实验段分别逐次实验连通；若没有超过，初始时，控制系统将第一熔盐换热实验段的熔盐/导热油流量控制阀门开度调至最大，分流控制阀门关闭，之后，控制系统通过PID使第一熔盐换热实验段的流量控制阀门逐渐减小开度，同时通过PID使分流控制阀门逐渐增大，使第一实验段的流量监测器达到预设值；然后，用通过PID同时调节第二熔盐换热实验段和分流控制阀门，达到熔盐换热第二实验段的流量监测器的预设值。

所述的控制系统对水冷却塔和冷却水循环管路的控制为：

初始时，根据熔盐和导热油温的出口预设值、熔盐和和导热油的出口流量预设值以及环境温度，控制系统通过模糊规则控制冷却塔风机的转速频率和冷却水泵的转速频率，之后，导热油/冷却水换热器中导热油出口温度传感器反馈和导热油出口温度预设值，控制系统通过PID对冷却水阀门进行控制。

所述的储盐罐、熔盐循环管路、储油罐、导热油循环管路还分别通过氮气控制阀门、连接管路与氮气罐相连通；氮气罐内存储有氮气，打开氮气控制阀门后氮气进入熔盐循环管路和导热油循环回路排除其中的空气，并保持储盐罐和储油罐内的气压大于外界大气压；实验结束后，打开氮气控制阀门还可将管路内的熔盐和导热油分别吹扫进储盐罐和储油罐中；

储盐罐、熔盐循环管路、储油罐、导热油循环管路上还分别设有压力传感器，压力传感器向控制系统发送压力信号。

所述的熔盐换热实验装置的控制方法，包括以下控制操作：

1)在控制系统中录入各温度控制组件、流量控制组件的预设值，以及各个温度传感器的温度阈值和所连通的熔盐换热实验段；

2)打开氮气控制阀门，通过氮气连接管路，使氮气充到熔盐循环回路和导热油循环回路内并将空气排出，然后关闭氮气阀门，并通过压力传感器实时监测压力变化；

3)温度控制：初始加热时，开启熔盐罐或导热油罐内的所有加热器开始加热工质，同时开启控制系统通过PID控制系统调节电伴热带的工作功率对熔盐管路进行预热；控制系统接收温度传感器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统来决定选用加热器的工作个数，针对所选用的加热器用PID控制系统对其工作功率进行调节，使熔盐或导热油温度达到预设值；当熔盐和导热油温度都达到预设值后，PID控制温度控制仍然开启；

4)流量控制：先调节熔盐换热并联实验段中导热油/熔盐的流量，当被选实验段只有一个时，根据流量预设值，用Fuzzy控制系统选择导热油/熔盐变频泵的转动频率，之后通过第一熔盐换热实验段的流量监测器的反馈和流量预设值，用PID控制系统对第一熔盐换热实验段和分流段中导热油/熔盐流量控制阀门进行控制；当被多个熔盐换热实验段并联时，初始时，将所选第一熔盐换热实验段的导热油/熔盐阀门开度调至最大，同时分流段中导热油/熔盐阀门关闭，其余熔盐换热实验段阀门关闭，然后用PID控制系统使第一熔盐换热实验段的导热油/熔盐阀门逐渐减小开度，同时用PID控制系统使分流段的导热油/熔盐阀门逐渐增大，使第一熔盐换热实验段的导热油/熔盐的流量达到预设值；再用PID控制系统同时调节第二熔盐换热实验段和分流段中导热油/熔盐阀门，达到第二熔盐换热实验段导热油/熔盐的流量预设值；

5)冷却水控制：控制冷却塔风机转速以及冷却水流量，根据熔盐和导热油温的出口预设值以及温度传感器反馈值，Fuzzy-PID控制系统用Fuzzy控制系统选择冷却水变频泵的频率进行快速调整，之后，通过导热油/水换热器中导热油出口温度传感器的反馈和导热油出口温度预设值，用PID对冷却水阀门进行精细控制；

6)待系统稳定后，记录实验数据；实验完成后将管道内残留的熔盐和导热油分别通过氮气吹扫回储盐罐和储油罐，完成吹扫后，依次关闭氮气控制阀门；最后依次关闭变频熔和加热器，实验结束。

控制系统对加热器进行以下梯度控制：在初始加温时加热器全部开启并采用最大功率加热，当熔盐循环管路、导热油循环管路中工质的出口温度达到预设值的70％时，Fuzzy-PID控制系统通过模糊规则逐步关闭为工质加热的加热器；出口温度达到预设值的80％时，只保留必须保留的加热器，之后Fuzzy-PID控制系统通过PID调节所保留的加热器的工作功率，至熔盐、导热油达到预设值温度。

控制系统中的Fuzzy控制系统对温度、流量的控制为：

Fuzzy控制系统根据温度传感器反馈值与预设值的比较，获取预设值与温度传感器反馈值的差E和误差变化率EC作为输入，根据模糊规则输出变量变化档作为加热器开启个数；

Fuzzy控制系统根据流量监测器反馈值与预设值的比较，获取预设值与流量监测器反馈值的差E和误差变化率EC作为输入，根据模糊规则输出变量变化档作为熔盐/导热油变频泵功率变化档；

Fuzzy控制系统根据导热油入口温度预设值与温度传感器反馈值的比较，获取导热油入口温度预设值与温度传感器反馈值的差E和误差变化率EC作为输入，根据模糊规则输出变量变化档作为冷凝水变频泵功率变化档。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的熔盐换热实验装置及控制方法，采用并联实验段，减少了更换实验段的工程量，同时通过智能控制实现实验段的同时进行，很大程度上减少了能源消耗；而且通过完善的温度、压力检测，以及智能的加热和流量控制，对于安全隐患降到了最低。实验操作过程中，操作人员完全不需要进入实验台区域，只需在电脑终端前，输入实验参数后，等待实验结束，甚至可以离开。如有故障实验会自动停止，很大程度保证了实验操作人员的安全。

本发明提供的熔盐换热实验装置及控制方法，能够实现对温度的精确控制，采用梯级Fuzzy-PID控制，Fuzzy控制的控制对象是加热器个数，PID控制的控制对象是加热器功率，采用这种方式能够实现对温度精确控制，对各种程度的温度扰动，可以快速响应，进行调节；能够实现流量的精确控制，采用梯级Fuzzy-PID控制，Fuzzy控制的控制对象是变频泵，PID控制的控制对象是阀门，并且加入实验段分流控制，采用这种方式能够实现对流量的精确控制，并杜绝了引起管路内压力波动太大的可能，减小实验的危险性；能够实现节能控制，本发明采用梯级Fuzzy-PID控制，从加热控制、流量控制以及冷却循环控制等方面，对能源消耗进行了控制。同时，针对并联实验段的控制，对节能贡献巨大。

本发明提供的熔盐换热实验装置及控制方法，与单独PID、单独模糊控制以及传统的Fuzzy-PID控制的区别是：单独PID的快速响应会导致超调，从而产生较大的振荡振幅，如果为了减小超调，则响应速度会很慢，消耗更多能源；单独模糊控制，可以快速响应并控制超调发生，但控制精度很低；传统的Fuzzy-PID控制结合两种控制方法的优点，快速响应、控制精度高以及很好地控制超调，但控制规则比较复杂，而本发明的提出的梯级Fuzzy-PID控制系统，具有传统的Fuzzy-PID控制方法的优点，控制系统简单，控制规则易实现。

附图说明

图1.大型多实验段熔盐换热实验平台示意图。

图2.(a)多实验段示意图；(b)加热器分布图。

图3.针对温度的梯级Fuzzy-PID控制系统图。

图4.针对流量的梯级Fuzzy-PID控制系统图。

图5.控制系统总流程图。

图6.加热控制系统子流程图。

图7.流量控制系统子流程图。

其中，1.实验台区域，2.实验操作人员区域，3.熔盐循环回路，4.导热油循环回路，5.冷却水循环回路，6.氮气管路，7.熔盐变频泵，8.熔盐罐，9.熔盐加热器组，10.熔盐流量控制阀，11.熔盐回路流量监测器，12.电伴热带，13.并联熔盐换热实验段，14.导热油回路流量监测器，15.导热流量控制阀，16.氮气通导热油回路同轴阀，17.氮气通熔盐回路同轴阀，18.氮气同轴阀，19.氮气瓶，20.计算机，21.操作人员，22.控制柜，23.导热油变频泵，24.导热油罐，25.导热油加热器组，26.冷却水回路流量监测器，27.冷却水流量控制阀，28.导热油/水换热器，29.冷却水变频泵，30.冷却塔，31.冷却塔风机，32.熔盐分流段33.第一熔盐换热实验段，34.第二熔盐换热实验段，35.第三熔盐换热实验段，36.导热油分流段。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1、图2，一种熔盐换热实验装置，包括高温熔盐循环回路、导热油循环回路、冷却水循环回路和控制系统，高温熔盐循环回路与导热油循环回路分别连接相并联的熔盐换热实验段，导热油循环回路与冷却水循环回路分别连接导热油/冷却水换热器；

所述的高温熔盐循环回路包括相连通的储盐罐和熔盐循环管路，以及设置在其上的多个温度控制组件和多个流量控制组件，温度控制组件、流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的导热油循环回路包括相连通的储油罐和导热油循环管路，以及设置在其上的温度控制组件和流量控制组件，温度控制组件、流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的冷却水循环回路包括相连通的水冷却塔和冷却水循环管路，以及设置在其上的流量控制组件，流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的温度控制组件包括加热器、加热器控制器和温度传感器，温度传感器向控制系统发送信号，加热器控制器接收控制系统发送的控制信号，加热器接收加热器控制器的调节；

所述的流量控制组件包括变频泵、变频泵控制器和流量监测器，或者流量控制组件包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器；

流量监测器向控制系统发送信号，变频泵控制器或阀门控制器接收控制系统发送的控制信号，变频泵接收变频泵控制器的调节，控制阀门接收阀门控制器的调节。

所述的储盐罐、储油罐内均设有温度控制组件，其包括电加热器组、加热器控制器和温度传感器，电加热器组由多根可单独控制的电加热器组成；储盐罐、储油罐内均设有流量控制组件，其包括变频泵、变频泵控制器和位于储盐罐出口的流量监测器；

所述的熔盐循环管路上设置有温度控制组件，其包括缠绕在管路上的电伴热带、加热器控制器和温度传感器；熔盐循环管路、导热油循环管路上均设有流量控制组件，其包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器；

所述的熔盐换热实验段、导热油/冷却水换热器其进出口处均设置有流量控制组件和温度传感器，流量控制组件包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器，温度传感器向控制系统发送温度信号；熔盐换热实验段的并联分流处设有分流控制阀、阀门控制器和流量监测器，分流控制阀经阀门控制器受控制系统调节；

所述的冷却水循环管路上设置有流量控制组件，其包括变频泵、变频泵控制器和位于储盐罐出口的流量监测器；水冷却塔上设置有水冷却塔风机，水冷却塔风机受控制系统调节其转动频率。

所述的控制系统为包括Fuzzy控制系统和PID控制系统的Fuzzy-PID控制系统，其对温度控制组件的调节为：Fuzzy-PID控制系统接收温度传感器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统来决定选用加热器的工作个数，为控制系统的快速调节部分；针对所选用的加热器用PID控制系统对其工作功率进行调节，为控制系统的微调节部分；

Fuzzy-PID控制系统对流量控制组件的调节为：Fuzzy-PID控制系统接收流量监测器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统调节变频泵的转动频率；

或者Fuzzy-PID控制系统接收流量监测器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过PID控制系统调节流量控制阀门的开度。

参见图3，针对温度的智能控制系统的原理是，通过Fuzzy控制来决定选用控制对象个数，然后再用PID控制进行调节；如图4所示，针对流量控制的智能控制系统原理是，Fuzzy控制和PID控制的控制对象不同，先用Fuzzy控制进行快速调节，再用PID控制进行微调。

所述的储盐罐、熔盐循环管路、储油罐、导热油循环管路还分别通过氮气控制阀门、连接管路与氮气罐相连通；氮气罐内存储有氮气，打开氮气控制阀门后氮气进入熔盐循环管路和导热油循环回路排除其中的空气，并保持储盐罐和储油罐内的气压大于外界大气压；实验结束后，打开氮气控制阀门还可将管路内的熔盐和导热油分别吹扫进储盐罐和储油罐中；

储盐罐、熔盐循环管路、储油罐、导热油循环管路上还分别设有压力传感器，压力传感器向控制系统发送压力信号。

下面通过以下几个子系统进一步进行说明：

一、加热控制系统

该子系统分别是对熔盐加热和导热油加热进行控制，区别在于Fuzzy控制的控制规则不同，以及PID控制的参数设置不同，但其核心原理相同，即，用Fuzzy控制来选择熔盐(导热油)加热器组中加热器开启个数，用PID控制来实现对单个加热器的加热温度。具体如下：

如图6所示，其特征在于，用Fuzzy控制来选择熔盐(导热油)加热器组中加热器开启个数，用PID控制来实现对单个加热器的加热温度控制。具体如下：实验加热开始时，加热器全部开启并为最大功率加热，当温度达到预设值的70％时，通过具体Fuzzy规则逐步关闭加热器，达到80％的预设值温度时，只保留如图2(b)所示熔盐(导热油)加热器组横向一排的加热器，之后主要依靠PID控制调节加热器温度，来最终达到预设值温度。当实验中段改变温度预设值时，首先判断预设值范围，之后结合温度传感器给Fuzzy控制和PID控制传递信号，选择上述不同阶段的控制方案。

二、并联实验段流量控制系统

该子系统分别是对并联实验段的熔盐和导热油流量进行控制，区别在于Fuzzy控制的控制规则不同，以及PID控制的参数设置不同，但其核心原理相同，即，用Fuzzy控制来调节变频熔盐/导热油变频泵的转动频率，用PID控制来实现对熔盐/导热油阀门的调节。

如图7所示，当被选实验段只有一个时，其特征在于，用Fuzzy控制来调节变频熔盐(导热油)泵的转动频率，用PID控制来实现对熔盐(导热油)阀门的控制。具体如下：实验回路循环开始时，根据流量预设值，用Fuzzy控制选择变频熔盐(导热油)泵的转动频率，之后通过第一实验段的流量计流量反馈和流量预设值，用PID控制对第一实验段和熔盐(导热油)分流段中熔盐(导热油)阀门进行控制，实现精确流量控制。当实验中段改变流量预设值时，控制方案和上述相同。

当被选实验段多于一个时，如图2(a)其特征在于，先对各个实验段熔盐(导热油)流量预设值总和进行判断，是否超过实验台最大限度的熔盐(导热油)流量。若超过，则选择按照实验段只有一个的情况进行逐个实验；若没有超过，其特征在于，用Fuzzy控制来调节变频熔盐(导热油)泵的转动频率，用PID控制来实现对熔盐(导热油)阀门的控制。具体如下：初始时，将所选实验段第一实验段熔盐(导热油)阀门开度调至最大，同时熔盐(导热油)分流段的阀门关闭，其余实验段熔盐(导热油)阀门也关闭，之后，用PID控制使第一实验段的熔盐(导热油)阀门逐渐减小开度，同时用PID控制使熔盐(导热油)分流段的阀门逐渐增大，使第一实验段的熔盐(导热油)的流量达到预设值；然后，用PID控制同时调节第二实验段和熔盐(导热油)分流段的熔盐(导热油)阀门，达到第二实验段的熔盐(导热油)流量预设值，调节熔盐(导热油)分流段阀门的作用主要是保证不影响第一实验段的熔盐(导热油)流量，达到精确控制的目的。依次类推，完成所有实验段的流量调节。

三、冷却水控制系统

该子系统是通过冷却水流量控制以及冷却塔风机转速控制，来实现对油水换热器中油出口温度的精确控制。用Fuzzy控制来调节冷却水泵；用PID控制来实现对冷却水阀门。具体如下：

实验回路循环开始时，风机转速保持最大开度，同时根据导热油温度预设值以及温度传感器，用Fuzzy控制冷却水泵进行快速调节，之后，通过油水换热器中导热油出口温度传感器反馈和导热油出口温度预设值，用PID控制对冷却水阀门进行控制，实现精确的油水换热器中油出口温度控制。当实验中段改变熔盐和油温预设值以及熔盐和油流量预设值时，控制方案和上述相同。

四、实验故障预警系统

该子系统是通过压力传感器和温度传感器的反馈值与警报预设值比较，来实现实验台故障报警。具体如下：

实验中，通过熔盐回路和导热油回路的压力传感器，实时监测这两处的压力，判断是否超出压力阈值，以防熔盐循环回路和导热油循环回路堵塞。如测量压力超过阈值时，发出警报并显示故障测点，自动将相关阀门开到最大并停止相关变频泵，之后停止所有实验并记录保留故障测点。

通过实时监测实验台各个温度传感器，判断是否超出相应的温度阈值，以防因故障引起温度过高。如某点测量温度超过对应阈值，发出警报，并自动停止所有实验进程并记录保留故障测点。

五、氮气通路控制系统

氮气罐通过管路与储盐罐、储油罐以及熔盐和导热油管道相连接，通过开启相应的阀门可以排净管道和罐内的空气，从而隔绝空气与熔盐和导热油的接触，防止熔盐和导热油的氧化变质，延长工质使用寿命；实验结束后还可以将管路内的熔盐和导热油吹扫出管路并分别流进储盐罐和储油罐。

如图1所示，实验平台由高温熔盐循环回路、导热油循环回路、冷却水循环、氮气通路、并联实验段以及控制终端组成。

下面给出熔盐换热实验装置的控制方法，主要可以分为两个阶段：

1.填写实验预设值、阈值以及选择实验段。这其中包括，选择进行实验的实验段；熔盐与导热油换热实验段中，熔盐和导热油的入口温度预设值，即加热的目标值；熔盐与导热油换热实验段中，熔盐和导热油的流量预设值；导热油和冷却水换热器中，导热油的出口温度预设值，即导热油加热的目标值；各个压力测点的压力阈值；各个温度测点的温度阈值。

2.完成预设值等操作后，如总流程图图5所示，实验开始进行，到收集实验结果，最后实验结束。其中具体的控制过程是：

首先，通过氮气管路，进行对熔盐和导热油保护的过程，先将阀门、阀门开度调至最大，然后开启氮气阀门，使氮气充到熔盐循环回路(3)和导热油循环回路的管道内，最终通过储盐罐、储油罐的排气孔将空气排出，随后追个关闭氮气控制阀门。此过程中会实时监测压力变化，以防回路堵塞等故障。

其次，开始加热环节，如加热流程图图6所示，Fuzzy控制开启熔盐加热器组、储油加热器组的所有加热器，当温度达到预设值的70％时，通过具体Fuzzy规则逐步关闭加热器，达到80％的预设值温度时，只保留熔盐加热器组、导热油加热器组横向一排的加热器，如图2(b)所示；之后主要依靠PID控制调节加热器温度，来最终达到预设值温度。同时通过PID控制调节电伴热带对熔盐管路进行预热；当熔盐和导热油温度都达到预设值后，PID控制温度控制仍然开启，以防之后流量调节时产生温度扰动。

流量控制环节，如流量控制流程图图7所示，先调节熔盐和导热油并联实验段中导热油的流量。如图2(a)所示，当被选实验段只有一个时，假设为第一实验段，根据流量预设值，用Fuzzy控制选择变频导热油泵的转动频率，之后通过第一实验段的流量计流量反馈和流量预设值，用PID控制对第一实验段和导热油分流段中导热油阀门进行控制，实现精确流量控制。当被选实验段多于一个时，先对各个实验段导热油流量预设值总和进行判断，是否超过实验台最大限度的导热油流量。若超过，则选择按照实验段只有一个的情况进行逐个实验；若没有超过，初始时，将所选实验段第一实验段中导热油阀门开度调至最大，同时导热油分流段中导热油阀门关闭，其余实验段阀门也关闭，之后，用PID控制使第一实验段的导热油阀门逐渐减小开度，同时用PID控制使导热油分流段的阀门逐渐增大，使第一实验段的导热油的流量达到预设值；然后，用PID控制同时调节第二实验段和导热油分流段中导热油阀门，达到第二实验段导热油的流量预设值，调节导热油分流段的阀门作用主要是保证不影响第一实验段的流量，达到精确控制的目的。依次类推，完成所有实验段导热油的流量调节。此过程中会实时监测压力与温度变化，以防回路堵塞等故障。

之后，同时进行熔盐和导热油多实验段换热器中熔盐的流量控制和冷却塔风机转速以及冷却水流量控制。其中熔盐和导热油多实验段换热器中熔盐的流量控制，与导热油流量控制方法相同。冷却塔风机转速以及冷却水流量控制过程是，根据熔盐和油温预设值、熔盐和油流量预设值以及环境温度传感器，用Fuzzy控制选择冷却塔风机转速和冷却水变频泵的频率，流量基本稳定后，通过油水换热器中导热油出口温度传感器的反馈和导热油出口温度预设值，用PID控制对冷却水阀门进行控制，实现精确的油水换热器中油出口温度控制。此过程中会实时监测压力与温度变化，以防回路堵塞等故障。

整个系统稳定后，记录实验数据。然后，判断是否有第二组流量预设值，如果有，则返回流量控制环节再次进行实验；如没有，则判断是否有第二组温度预设值，如果有，则返回加热控制环节再次进行实验；如没有，则依次打开氮气控制阀门，将管道内残留的熔盐和导热油分别吹扫回储盐罐和储油罐，完成吹扫后，依次关闭氮气控制阀门。最后依次关闭变频熔盐泵、变频导热油泵、变频水泵、储盐罐内的电加热器组、储油罐内的电加热器组，实验结束。

下面给出Fuzzy控制系统对温度、流量的参数控制。

表1温度Fuzzy控制规则

E为输入变量“误差”，即熔盐/导热油加热预设值与温度传感器反馈值的差；

EC为输入变量“误差变化率”；

NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB为输入变量变化档“正大(PB)”、“正中(PM)”、“正小(PS)”、“零(ZO)”、“负小(NS)”、“负中(NM)”、“负大(NB)”；

T4、T5、T6、T7、T8为输出变量变化档，即加热器开启个数“4(T4)，5(T5)，6(T6)，7(T7)，8(T8)”

实验加热开始时，加热器全部开启并为最大功率加热，通过如表1所示Fuzzy规则逐步关闭加热器，最终只保留熔盐(导热油)加热器组横向一排的加热器，之后主要依靠PID控制调节加热器温度，来最终达到预设值温度。

表2熔盐、导热油流量Fuzzy控制规则

E为输入变量“误差”，即熔盐(导热油)流量预设值与流量传感器反馈值的差；

EC为输入变量“误差变化率”；

NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB为输入变量变化档“正大(PB)”、“正中(PM)”、“正小(PS)”、“零(ZO)”、“负小(NS)”、“负中(NM)”、“负大(NB)”；

FNS、FZO、FPS、FPM、FPB为输出变量变化档，即熔盐(导热油)变频泵功率变化档“小幅度减小(FNS)、保持(FZO)，小幅度增加(FPS)，中幅度增加(FPM)，大幅度增加(FPB)”

用Fuzzy控制来调节变频熔盐(导热油)泵的转动频率，其模糊规则如表2所示，用PID控制来实现对熔盐(导热油)阀门的控制。具体如下：实验回路循环开始时，根据流量预设值，通过如表2所示Fuzzy规则选择变频熔盐(导热油)泵的转动频率，之后通过第一实验段的流量计流量反馈和流量预设值，用PID控制对第一实验段和熔盐(导热油)分流段中熔盐(导热油)阀门进行控制，实现精确流量控制。当实验中段改变流量预设值时，控制方案和上述相同。

表3冷却水流量Fuzzy控制规则

E为输入变量“误差”，即导热油入口温度预设值与温度传感器反馈值的差；

EC为输入变量“误差变化率”；

NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB为输入变量变化档“正大(PB)”、“正中(PM)”、“正小(PS)”、“零(ZO)”、“负小(NS)”、“负中(NM)”、“负大(NB)”；

WNB、WNM、WNS、WZO、WPS、WPM、WPB为输出变量变化档，即冷却水变频泵功率变化档“大幅度减小(WNB)、中幅度减小(WNM)、小幅度减小(WNS)、保持(WZO)，小幅度增加(WPS)，中幅度增加(WPM)，大幅度增加(WPB)”

用Fuzzy控制来调节冷却水泵，其模糊规则如表3所示，用PID控制来实现对冷却水阀门。具体如下：实验回路循环开始时，根据导热油入口温度传感器，通过如表3所示Fuzzy规则控制冷却水泵，之后，用PID控制对冷却水阀门进行控制，实现精确的油水换热器中油出口温度控制。当实验中段改变熔盐和油温预设值以及熔盐和油流量预设值时，控制方案和上述相同。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔盐换热实验装置，其特征在于，包括高温熔盐循环回路、导热油循环回路、冷却水循环回路和控制系统，高温熔盐循环回路与导热油循环回路分别连接相并联的熔盐换热实验段，导热油循环回路与冷却水循环回路分别连接导热油/冷却水换热器；

所述的高温熔盐循环回路包括相连通的储盐罐和熔盐循环管路，以及设置在其上的多个温度控制组件和多个流量控制组件，温度控制组件、流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的导热油循环回路包括相连通的储油罐和导热油循环管路，以及设置在其上的温度控制组件和流量控制组件，温度控制组件、流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的冷却水循环回路包括相连通的水冷却塔和冷却水循环管路，以及设置在其上的流量控制组件，流量控制组件分别受控制系统控制调节；

所述的温度控制组件包括加热器、加热器控制器和温度传感器，温度传感器向控制系统发送信号，加热器控制器接收控制系统发送的控制信号，加热器接收加热器控制器的调节；

所述的流量控制组件包括变频泵、变频泵控制器和流量监测器，或者流量控制组件包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器；

流量监测器向控制系统发送信号，变频泵控制器或阀门控制器接收控制系统发送的控制信号，变频泵接收变频泵控制器的调节，控制阀门接收阀门控制器的调节。

2.如权利要求1所述的熔盐换热实验装置，其特征在于，所述的储盐罐、储油罐内均设有温度控制组件，其包括电加热器组、加热器控制器和温度传感器，电加热器组由多根可单独控制的电加热器组成；储盐罐、储油罐内均设有流量控制组件，其包括变频泵、变频泵控制器和位于储盐罐出口的流量监测器；

所述的熔盐循环管路上设置有温度控制组件，其包括缠绕在管路上的电伴热带、加热器控制器和温度传感器；熔盐循环管路、导热油循环管路上均设有流量控制组件，其包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器；

所述的熔盐换热实验段、导热油/冷却水换热器其进出口处均设置有流量控制组件和温度传感器，流量控制组件包括流量控制阀门、阀门控制器和流量监测器，温度传感器向控制系统发送温度信号；熔盐换热实验段的并联分流处设有分流控制阀、阀门控制器和流量监测器，分流控制阀经阀门控制器受控制系统调节；

所述的冷却水循环管路上设置有流量控制组件，其包括变频泵、变频泵控制器和位于储盐罐出口的流量监测器；水冷却塔上设置有水冷却塔风机，水冷却塔风机受控制系统调节其转动频率。

3.如权利要求1或2所述的熔盐换热实验装置，其特征在于，所述的控制系统为包括Fuzzy控制系统和PID控制系统的Fuzzy-PID控制系统，其对温度控制组件的调节为：Fuzzy-PID控制系统接收温度传感器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统来决定选用加热器的工作个数，为控制系统的快速调节部分；针对所选用的加热器用PID控制系统对其工作功率进行调节，为控制系统的微调节部分；

Fuzzy-PID控制系统对流量控制组件的调节为：Fuzzy-PID控制系统接收流量监测器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统调节变频泵的转动频率；

或者Fuzzy-PID控制系统接收流量监测器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过PID控制系统调节流量控制阀门的开度。

4.如权利要求3所述的熔盐换热实验装置，其特征在于，所述的控制系统对加热器进行梯度控制：在初始加温时加热器全部开启并采用最大功率加热，当熔盐循环管路、导热油循环管路中工质的出口温度达到预设值的70％时，Fuzzy控制系统通过模糊规则逐步关闭为工质加热的加热器；出口温度达到预设值的80％时，只保留必须保留的加热器，之后PID控制系统通过PID调节所保留的加热器的工作功率，至熔盐、导热油达到预设值温度。

5.如权利要求3所述的熔盐换热实验装置，其特征在于，针对熔盐换热实验段并联情况，控制系统对熔盐/导热油的流量控制为：

若只第一熔盐换热实验段连通时，开始启动时根据储盐罐/储油罐的流量预设值，Fuzzy控制系统通过模糊规则选择熔盐/导热油的变频泵的转动频率，之后根据第一熔盐换热实验段的流量监控其的流量反馈和其流量预设值，PID控制系统通过PID对第一熔盐换热实验段的熔盐/导热油的流量控制阀门和分流控制阀进行控制；

若多个熔盐换热实验段连通时，先对各个熔盐换热实验段熔盐/导热油流量预设值总和进行判断，是否超过最大限度流量；若超过，控制系统将控制熔盐换热实验段分别逐次实验连通；若没有超过，初始时，控制系统将第一熔盐换热实验段的熔盐/导热油流量控制阀门开度调至最大，分流控制阀门关闭，之后，Fuzzy-PID控制系统通过PID使第一熔盐换热实验段的流量控制阀门逐渐减小开度，同时通过PID使分流控制阀门逐渐增大，使第一实验段的流量监测器达到预设值；然后，通过PID同时调节第二熔盐换热实验段和分流控制阀门，达到熔盐换热第二实验段的流量监测器的预设值。

6.如权利要求3所述的熔盐换热实验装置，其特征在于，所述的控制系统对水冷却塔和冷却水循环管路的控制为：

初始时，保持冷却塔风机转速最大，同时根据熔盐和导热油温的出口预设值以及温度传感器反馈值，Fuzzy控制系统通过模糊规则控制冷却水泵的转速频率进行快速调整，之后，导热油/冷却水换热器中导热油出口温度传感器反馈和导热油出口温度预设值，PID控制系统通过PID对冷却水阀门进行精细控制。

7.如权利要求3所述的熔盐换热实验装置，其特征在于，所述的储盐罐、熔盐循环管路、储油罐、导热油循环管路还分别通过氮气控制阀门、连接管路与氮气罐相连通；氮气罐内存储有氮气，打开氮气控制阀门后氮气进入熔盐循环管路和导热油循环回路排除其中的空气，并保持储盐罐和储油罐内的气压大于外界大气压；实验结束后，打开氮气控制阀门还可将管路内的熔盐和导热油分别吹扫进储盐罐和储油罐中；

储盐罐、熔盐循环管路、储油罐、导热油循环管路上还分别设有压力传感器，压力传感器向控制系统发送压力信号。

8.如权利要求7所述的熔盐换热实验装置的控制方法，其特征在于，包括以下控制操作：

1)在控制系统中录入各温度控制组件、流量控制组件的预设值，以及各个温度传感器的温度阈值和所连通的熔盐换热实验段；

2)打开氮气控制阀门，通过氮气连接管路，使氮气充到熔盐循环回路和导热油循环回路内并将空气排出，然后关闭氮气阀门，并通过压力传感器实时监测压力变化；

3)温度控制：初始加热时，开启熔盐罐或导热油罐内的所有加热器开始加热工质，同时开启控制系统通过PID控制系统调节电伴热带的工作功率对熔盐管路进行预热；Fuzzy-PID控制系统接收温度传感器反馈回的信号，并与其预设值进行比较，根据比较结果通过Fuzzy控制系统来决定选用加热器的工作个数，针对所选用的加热器用PID控制系统对其工作功率进行调节，使熔盐或导热油温度达到预设值；当熔盐和导热油温度都达到预设值后，PID控制温度控制仍然开启；

4)流量控制：先调节熔盐换热并联实验段中导热油/熔盐的流量，当被选实验段只有一个时，根据流量预设值，用Fuzzy控制系统选择导热油/熔盐变频泵的转动频率，之后通过第一熔盐换热实验段的流量监测器的反馈和流量预设值，用PID控制系统对第一熔盐换热实验段和分流段中导热油/熔盐流量控制阀门进行控制；当被多个熔盐换热实验段并联时，初始时，将所选第一熔盐换热实验段的导热油/熔盐阀门开度调至最大，同时分流段中导热油/熔盐阀门关闭，其余熔盐换热实验段阀门关闭，然后用PID控制系统使第一熔盐换热实验段的导热油/熔盐阀门逐渐减小开度，同时用PID控制系统使分流段的导热油/熔盐阀门逐渐增大，使第一熔盐换热实验段的导热油/熔盐的流量达到预设值；再用PID控制系统同时调节第二熔盐换热实验段和分流段中导热油/熔盐阀门，达到第二熔盐换热实验段导热油/熔盐的流量预设值；

5)冷却水控制：控制冷却塔风机转速以及冷却水流量，根据熔盐和导热油温的出口预设值以及温度传感器反馈值，Fuzzy-PID控制系统用Fuzzy控制系统选择冷却水变频泵的频率进行快速调整，之后，通过导热油/水换热器中导热油出口温度传感器的反馈和导热油出口温度预设值，用PID对冷却水阀门进行精细控制；

6)待系统稳定后，记录实验数据；实验完成后将管道内残留的熔盐和导热油分别通过氮气吹扫回储盐罐和储油罐，完成吹扫后，依次关闭氮气控制阀门；最后依次关闭变频熔和加热器，实验结束。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，控制系统对加热器进行以下梯度控制：在初始加温时加热器全部开启并采用最大功率加热，当熔盐循环管路、导热油循环管路中工质的出口温度达到预设值的70％时，Fuzzy-PID控制系统通过模糊规则逐步关闭为工质加热的加热器；出口温度达到预设值的80％时，只保留必须保留的加热器，之后Fuzzy-PID控制系统通过PID调节所保留的加热器的工作功率，至熔盐、导热油达到预设值温度。

10.如权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于，控制系统中的Fuzzy控制系统对温度、流量的控制为：

Fuzzy控制系统根据温度传感器反馈值与预设值的比较，获取预设值与温度传感器反馈值的差E和误差变化率EC作为输入，根据模糊规则输出变量变化档作为加热器开启个数；

Fuzzy控制系统根据流量监测器反馈值与预设值的比较，获取预设值与流量监测器反馈值的差E和误差变化率EC作为输入，根据模糊规则输出变量变化档作为熔盐/导热油变频泵功率变化档；

Fuzzy控制系统根据导热油入口温度预设值与温度传感器反馈值的比较，获取导热油入口温度预设值与温度传感器反馈值的差E和误差变化率EC作为输入，根据模糊规则输出变量变化档作为冷凝水变频泵功率变化档。