CN110118100A - 基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统及方法 - Google Patents

基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统及方法 Download PDF

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Abstract

基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统及方法，该系统包括高温高压电制热固态储热装置（1）、风风换热器（2）、变频风机（3）、混风站（6）和设置在混风站（6）内的混风装置（7）；本发明优势在于，所采用高温高压电制热固态储热装置能利用低价电储热，减少供热成本；不使用煤作为燃料，减少对空气的污染；通过热风直接在混风站进行混风，减少换热过程中的热量损失；通过自适应前馈补偿控制器使系统稳定供热。

Description

基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统及方法
技术领域
本发明内容属于高温高压电制热固态储热供暖领域，涉及一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统。
背景技术
固体高温储热是一种新型低成本、大容量储热方式，在高温储热，热电厂调峰等领域有着广泛的应用前景，其工作原理为：在用电低谷时段启动电热储能转换系统，将电能转换为热能存储于储热材料中，热负荷需求时期释放热能并向用户供热，在电热能量转换、热量储存、热量传递、热量交换四个能量传递过程中，系统能有效实现电热解耦和热电隔离。近年来，其大规模的应用于城市分布式供暖和配备热电联产机组的灵活性运行改造中，作为可中断性负荷的一种，有效解决了风电、光伏、核电等清洁能源消纳问题，成为大规模储能的研究热点之一。
通风是采矿中的重要环节，冬季通风中由于带来矿井地面环境的寒冷气流经过井下通道，致使井上井下都与环境温度相差无几。采矿设备与设施不能在低温环境下运行工作，如综采设备的润滑油、输送煤炭出井的橡胶输送带、供给井下工作用的自来水、操控作业人员的工作条件等等。为了保证井下设备设施的正常运转，保证安全生产，需对主井及副井进行热风输送，冷热风入井混合后，保证井内温度不小于2℃，确保生产安全运行。
传统矿井防冻系统采用在主井井口、副井井口处各设空气加热室一座，主副井供热热媒一般为燃煤高温蒸汽锅炉提供的蒸汽或常压锅炉提供的蒸汽和热水，末端采用散热器或暖风机，经风机将空气加热室的热风输送到井下。但该防冻系统需要消耗大量煤炭作为加热原料，并产生烟尘、SO2和NOx等污染物，降低环境空气质量，而燃煤产生的温室气体CO2，还会使温室效应更严重。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统及方法，其目的是解决传统矿井防冻系统经济、环境效益差的问题，本发明采用高温高压电制热固态储热锅炉替代传统燃煤锅炉进行供热，并通过对送风系统的设计，减少设备的投入，提高送风效率，减少损耗。
技术方案：
一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：该系统包括高温高压电制热固态储热装置(1)、风风换热器(2)、变频风机(3)、混风站(6)和设置在混风站(6)内的混风装置(7)；
高温高压电制热固态储热装置(1)通过送风管路(5)连接至混风站(6)内的混风装置(7)，混风装置(7)连接至斜井入口(14)。
高温高压电制热固态储热装置(1)与混风站(6)之间的距离不小于20m。
混风装置(7)包括引风机(15)、静压箱(16)、混风器(17)、送风机(18)和分风器(19)；引风机(15)连接静压箱(16)，静压箱(16)连接混风器(17)，混风器(17)连接送风机(18)，送风机(18)连接分风器(19)；
混风站(6)上设置有供引风机(15)引入冷风的引风窗(13)；
混风器(17)的侧壁设置有多个用于将热风导进混风器(17)内腔的喷孔(22)，送风管路(5)包括热风送风管路(20)和冷风送风管路(23)，热风送风管路(20)的一端连接至风风换热器(2)的低温侧，另一端与混风器(17)的喷孔(22)连通，混风器(17)内腔与送风机(18)和静压箱(16)连接，分风器(19)的分为两支送风管路，一支送风管路与冷风送风管路(23)连通，另一支与斜井入口(14)连通。
混风器(17)包括内腔和外腔，内腔的壁上设置有喷孔(22)，内腔和外腔通过喷孔(22)连通，热风送风管路(20)与外腔连通。
该方法利用高温高压电制热固态储热装置(1)作为热源供热，通过风风换热器(2)将供热循环的暖风通过热风送风管路(20)及喷孔(22)送至混风器(17)内腔，在混风器(17)内腔与引风机(15)引入至混风器(17)内腔的冷风混合，热风气流流速高于中心冷风气流，能与中心冷风气流充分混合，混合后气流的气流量增大，形成暖风气流，经送风机(18)送入分风器(19)；暖风气流经过分风器(19)分风作用后，一部分经由冷风送风管路(23)返回风风换热器(2)的低温侧，其余暖风气流吹向斜井入口(14)，对矿井进行供暖。
从风风换热器(2)出来的供热循环的暖风的温度为30～40℃。
斜井入口的暖风的温度采用如下方法控制：
将引风窗(13)引入的冷风的冷风温作为可测干扰加入前馈补偿，并实时调整前馈补偿器模型Gf(s-1)，应对系统运行状态的变化；当系统扰动仅为冷风温时，其送风温度Tp(t)表达式为：
Tp(t)＝Gf(s-1)Gr(s-1)Gh(s-1)Ti(t)+Gd(s-1)Ti(t) (1)
其中，Gr(s-1)为蓄热供暖系统模型，Gh(s-1)为混风供暖系统模型，Gd(s-1)为进风扰动模型。当冷风温Ti(t)发生变化时，要达到送风温度Tp(t)没有变化，则：
Tp(t)＝Gf(s-1)Gr(s-1)Gh(s-1)Ti(t)+Gd(s-1)Ti(t)＝0 (2)
由此，可得前馈补偿模型为：
将蓄热供暖系统模型Gr(s-1)，混风供暖系统模型Gh(s-1)合并为混风供热系统Gw(s-1)，则混风供热系统Gw(s-1)和进风扰动模型Gd(s-1)分别为：
式中，f(t)为换热器风机频率，K1(s-1)、K2(s-1)、K3(s-1)为静态增益，τ为系统迟滞系数，且：
a1、a2、为静态增益K1(s-1)的系统在线辨识初值，b0、b1、b2、为静态增益K2(s-1)的系统在线辨识初值，c1、c2、为静态增益K3(s-1)的系统在线辨识初值，na、nb、nc分别表示多项式K1(s-1)、K2(s-1)、K3(s-1)的阶数。
根据混风供热系统Gw(s-1)和进风扰动模型Gd(s-1)，得送风温度Tp(t)为：
ξ(t)为系统辨识误差，选择采样周期k，则t＝kε，ε表示系统的采样时刻，将(7)式改写成：
省略k，则上式表示为：
式中，为系统参数观测值，θ为系统参数估计值：
ξ(ε)为系统辨识误差，送风温度Tp(ε)的辨识值可以表示为：
其中：为ε时刻系统输出的辨识值，为ε-1时刻的系统参数估计值。
辨识误差定义为：
采用引入遗忘因子μ的最小二乘算法对系统参数进行辨识，其公式为：
K(ε)为前馈补偿增益，P(ε)为的协方差阵，P(ε)的初始值P(0)设定为103I，I为单位矩阵，用于快速补偿参数辨识初始值的不确定性，为的转置。
优点效果：
本发明针对矿井冬季井下送风问题，利用高温高压电制热固态储热锅炉替代传统燃煤锅炉进行供热，并通过对送风系统的设计，减少设备的投入，提高送风效率，减少损耗。
本发明所采用的技术方案是一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：高温高压电制热固态储热装置1作为热源供热，储热装置利用电网低价电储热，通过电热元件的焦耳热产生热量并储存在储热砖中；储热系统经风风换热器实现热量释放，风风换热器2高温侧为储热炉内循环风，由变频风机提供负压，低温侧为供热循环风，出风温度为30～40℃，通过混风机7实现循环；储热装置与混风站有20m安全距离；混风站由外界环境提供冷风，经混风装置充分混风后，一部分暖风由循环管路返回换热器，其余暖风通过送风机对矿井供暖。
所述高温高压电制热固态储热装置由储热结构体(包括储热模块和内置式加热元件)、换热循环系统(包括风风换热器和变频风机)、保温壳体、外部控制等结构构成。电制热固态储热装置选用氧化镁非金属类单体储热模块构造储热体，将螺旋形或波形铁铬铝合金加热合金元件嵌入储热体进行辐射传导强化传热，利用变频风机进行储热体内负压气流循环，并经由风风换热器对外供热。
所述混风站包括房体结构(包含引风窗、斜井入口)、混风装置(引风机、静压箱、混风器、送风机和分风器)和送风管路。
所述矿井防冻送风系统以暖风风温为控制目标，通过控制变频风机进行PID控制，控制过程中考虑送风管路的热损失、引风机引入冷空气温度、引风机风量、混风装置效率及测温误差，将得出的PID参数估计值送入PID控制器进行控制。
引入自适应前馈补偿控制器，消除环境温度对蓄热混风系统的干扰，使系统能恒温供暖。
本发明优势在于，所采用高温高压电制热固态储热装置能利用低价电储热，减少供热成本；不使用煤作为燃料，减少对空气的污染；通过热风直接在混风站进行混风，减少换热过程中的热量损失；通过自适应前馈补偿控制器使系统稳定供热。
附图说明
图1高温高压电制热固态储热式矿井送风结构示意图
图2高温高压电制热固态储热传热示意图
图3混风站混风原理图
图4矿井井口防冻送风系统工作流程图
图5矿井井口防冻送风系统控制流程图
图6矿井井口防冻送风系统自适应前馈补偿控制器结构图
具体实施方式
一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：该系统包括高温高压电制热固态储热装置(1)、风风换热器(2)、变频风机(3)、混风站(6)和设置在混风站(6)内的混风装置(7)；
高温高压电制热固态储热装置(1)通过送风管路(5)连接至混风站(6)内的混风装置(7)，混风装置(7)连接至斜井入口(14)。
高温高压电制热固态储热装置(1)与混风站(6)之间的距离不小于20m。
混风装置(7)包括引风机(15)、静压箱(16)、混风器(17)、送风机(18)和分风器(19)；引风机(15)连接静压箱(16)，静压箱(16)连接混风器(17)，混风器(17)连接送风机(18)，送风机(18)连接分风器(19)；
混风站(6)上设置有供引风机(15)引入冷风的引风窗(13)；
混风器(17)的侧壁设置有多个用于将热风导进混风器(17)内腔的喷孔(22)，送风管路(5)包括热风送风管路(20)和冷风送风管路(23)，热风送风管路(20)的一端连接至风风换热器(2)的低温侧，另一端与混风器(17)的喷孔(22)连通，混风器(17)内腔与送风机(18)和静压箱(16)连接，分风器(19)的分为两支送风管路，一支送风管路与冷风送风管路(23)连通，另一支与斜井入口(14)连通。
混风器(17)包括内腔和外腔，内腔的壁上设置有喷孔(22)，内腔和外腔通过喷孔(22)连通，热风送风管路(20)与外腔连通。
该方法利用高温高压电制热固态储热装置(1)作为热源供热，通过风风换热器(2)将供热循环的暖风通过热风送风管路(20)及喷孔(22)送至混风器(17)内腔，在混风器(17)内腔与引风机(15)引入至混风器(17)内腔的冷风混合，热风气流流速高于中心冷风气流，能与中心冷风气流充分混合，混合后气流的气流量增大，形成暖风气流，经送风机(18)送入分风器(19)；暖风气流经过分风器(19)分风作用后，一部分经由冷风送风管路(23)返回风风换热器(2)的低温侧(与热风送风管路(20)形成循环加热，与原来的水循环加热原理相同)，其余暖风气流吹向斜井入口(14)，对矿井进行供暖。
从风风换热器(2)出来的供热循环的暖风的温度为30～40℃。
下面结合附图进行详细说明：
如图1所示，高温高压电制热固态储热装置1利用电网低价电储热，经风风换热器2放热，风风换热器高温侧为储热炉内循环风，由变频风机3提供负压，低温侧为供热循环风，出风温度为30～40℃，通过混风装置7实现循环，储热装置与混风站6间为送风管路5，混风站由外界环境提供冷风，经混风装置充分混风后，一部分暖风由送风管路返回换热器，其余暖风对矿井供暖。
所述高温高压电制热固态储热装置如图2所示，通电之后，机组内的加热元件8产热将电能转化为热量。并通过热交换将热能存储于固体储热体9中，储能温度可达到500-800度。储热体外层采用高等隔热体10，与外环境隔热，以防止热量散失，提高热源利用率。被储存的热量通过风风换热器2进行释放，由叉流式板式翅片11进行热量交换，再变频风机3有序地向外释放。在负载需要热量供给时，设备可按照控制装置4预先设定好的程序，按设定的温度和供热量，由自动变频风机提供循环高温空气，并经气-气分离换热设备将热能释放。
所述混风站6如图3所示，包括房体结构12(引风窗13、斜井入口14)、混风装置7(引风机15、静压箱16、混风器17、送风机18和分风器19)和送风管路5。房体结构一侧开设有引风窗，冷空气从引风窗进入室内，并经由引风机15送入混风装置，经过静压箱16作用后，冷风均匀吹入混风器17。混风器热风从热风送风管路20送入，进入混风器热风环管21，在气压推动下，热风沿多个喷孔22喷向中心冷风气流，热风气流流速高于中心冷风气流，能与中心冷风气流充分混合。混合后气流的气流量增大，形成暖风气流，经送风机送入分风器。暖风气流经过分风器分风作用后，一部分经由冷风送风管路23返回换热器，其余暖风吹向斜井入口14，对矿井进行供暖。
高温高压电制热固态储热式矿井送风系统工作流程如图4所示，0.38kV低压电源和10kV高压电源分别为低压控制柜和高压开关柜提供电源。PLC控制器能通过对储热炉、风风换热器及暖风的温度信息采集和处理，对高压开关柜、低压控制柜进行控制，继而控制储热炉和风风换热器。通过控制风风换热器换热速率可以调节暖风风温。
具体的暖风风温控制流程如图5所示，当高温高压电制热固态储热式矿井送风系统开始运行时，以暖风风温为控制目标，通过将设定的暖风温度值与暖风实测风温进行比较，得到暖风风温差，并将此值送入PLC控制器。PLC控制器获得暖风风温差后，可以将其转换为变频信号，控制变频风机调节供热循环风温。之后考虑送风管路、引风机及混风装置工作过程中存在的热损失、冷风温度和进风量等不确定量，对其进行参数估计，将计算得到的PID参数估计值，送入PID控制器，增加控制系统准确度。
在高温高压电制热固态储热式矿井送风系统供暖过程中，在不同的时段，由于天气变化和昼夜交替，混风机从外部环境引入的冷风温Ti(t)一直在变化。因此将引风窗(13)引入的冷风的冷风温作为可测干扰加入前馈补偿，并实时调整前馈补偿器模型Gf(s-1)，应对系统运行状态的变化。具体控制方案如图6所示，当系统扰动仅为冷风温时，其送风温度Tp(t)表达式为：
Tp(t)＝Gf(s-1)Gr(s-1)Gh(s-1)Ti(t)+Gd(s-1)Ti(t) (1)
其中，Gr(s-1)为蓄热供暖系统模型，Gh(s-1)为混风供暖系统模型，Gd(s-1)为进风扰动模型。当冷风温Ti(t)发生变化时，要达到送风温度Tp(t)没有变化，则：
Tp(t)＝Gf(s-1)Gr(s-1)Gh(s-1)Ti(t)+Gd(s-1)Ti(t)＝0 (2)
由此，可得前馈补偿模型为：
为简化控制系统设计环节，将蓄热供暖系统模型Gr(s-1)，混风供暖系统模型Gh(s-1)合并为混风供热系统Gw(s-1)，则混风供热系统Gw(s-1)和进风扰动模型Gd(s-1)分别为：
式中，f(t)为换热器风机频率，K1(s-1)、K2(s-1)、K3(s-1)为静态增益，τ为系统迟滞系数，且：
a1、a2、为静态增益K1(s-1)的系统在线辨识初值，b0、b1、b2、为静态增益K2(s-1)的系统在线辨识初值，c1、c2、为静态增益K3(s-1)的系统在线辨识初值，na、nb、nc分别表示多项式K1(s-1)、K2(s-1)、K3(s-1)的阶数。
根据混风供热系统Gw(s-1)和进风扰动模型Gd(s-1)，可得送风温度Tp(t)为：
ξ(t)为系统辨识误差，选择采样周期k，则t＝kε，ε表示系统的采样时刻，可将(7)式改写成：
省略k，则上式可表示为：
式中，为系统参数观测值，θ为系统参数估计值：
ξ(ε)为系统辨识误差，送风温度Tp(ε)的辨识值可以表示为：
其中：为ε时刻系统输出的辨识值，为ε-1时刻的系统参数估计值。
辨识误差定义为：
为减少旧数据对辨识结果的影响，采用引入遗忘因子μ的最小二乘算法(FFRLS)对系统参数进行辨识，其公式为：
在实验中，K(ε)为前馈补偿增益，P(ε)为的协方差阵，P(ε)的初始值P(0)设定为103I，I为单位矩阵，用于快速补偿参数辨识初始值的不确定性。
在山西临汾裕丰煤业进行的实验中，高温高压电制热固态储热式矿井送风系统处于放热供暖工作状态时，经多次实验系统在线辨识初值设定为a1＝-0.750、a2＝-0.150、a3＝-1.250、a4＝0.450、b0＝-0.005、b1＝-0.027、b2＝-0.058、c1＝0.010、c2＝-0.026、c3＝-0.019，系统参数随供暖过程一直在变化，PID初始值设为Kp＝15、Ki＝0.003、Kd＝25，期望的供暖送风温度设为2℃。在上述自适应前馈PID控制下，供暖送风温度虽然有一定的超调量，但稳定后的供暖送风温度与期望值的误差在0.5℃左右，且随着供暖的进行，供暖送风温度很稳定，供暖可靠性高。
上述控制方法是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (7)

1.一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：该系统包括高温高压电制热固态储热装置(1)、风风换热器(2)、变频风机(3)、混风站(6)和设置在混风站(6)内的混风装置(7)；
高温高压电制热固态储热装置(1)通过送风管路(5)连接至混风站(6)内的混风装置(7)，混风装置(7)连接至斜井入口(14)。
2.根据权利要求1所述的一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：高温高压电制热固态储热装置(1)与混风站(6)之间的距离不小于20m。
3.根据权利要求1所述的一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：混风装置(7)包括引风机(15)、静压箱(16)、混风器(17)、送风机(18)和分风器(19)；引风机(15)连接静压箱(16)，静压箱(16)连接混风器(17)，混风器(17)连接送风机(18)，送风机(18)连接分风器(19)；
混风站(6)上设置有供引风机(15)引入冷风的引风窗(13)；
混风器(17)的侧壁设置有多个用于将热风导进混风器(17)内腔的喷孔(22)，送风管路(5)包括热风送风管路(20)和冷风送风管路(23)，热风送风管路(20)的一端连接至风风换热器(2)的低温侧，另一端与混风器(17)的喷孔(22)连通，混风器(17)内腔与送风机(18)和静压箱(16)连接，分风器(19)的分为两支送风管路，一支送风管路与冷风送风管路(23)连通，另一支与斜井入口(14)连通。
4.根据权利要求3所述的一种基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风系统，其特征在于：混风器(17)包括内腔和外腔，内腔的壁上设置有喷孔(22)，内腔和外腔通过喷孔(22)连通，热风送风管路(20)与外腔连通。
5.基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风控制方法，其特征在于：该方法利用高温高压电制热固态储热装置(1)作为热源供热，通过风风换热器(2)将供热循环的暖风通过热风送风管路(20)及喷孔(22)送至混风器(17)内腔，在混风器(17)内腔与引风机(15)引入至混风器(17)内腔的冷风混合，热风气流流速高于中心冷风气流，能与中心冷风气流充分混合，混合后气流的气流量增大，形成暖风气流，经送风机(18)送入分风器(19)；暖风气流经过分风器(19)分风作用后，一部分经由冷风送风管路(23)返回风风换热器(2)的低温侧，其余暖风气流吹向斜井入口(14)，对矿井进行供暖。
6.根据权利要求5所述的基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风控制方法，其特征在于：从风风换热器(2)出来的供热循环的暖风的温度为30～40℃。
7.根据权利要求6所述的基于高温高压电制热固态储热的矿井防冻送风控制方法，其特征在于：所述送风控制方法为斜井入口的暖风的温度控制方法，具体为：
将引风窗(13)引入的冷风的冷风温作为可测干扰加入前馈补偿，并实时调整前馈补偿器模型Gf(s-1)，应对系统运行状态的变化；当系统扰动仅为冷风温时，其送风温度Tp(t)表达式为：
Tp(t)＝Gf(s-1)Gr(s-1)Gh(s-1)Ti(t)+Gd(s-1)Ti(t)(1)
其中，Gr(s-1)为蓄热供暖系统模型，Gh(s-1)为混风供暖系统模型，Gd(s-1)为进风扰动模型；当冷风温Ti(t)发生变化时，要达到送风温度Tp(t)没有变化，则：
Tp(t)＝Gf(s-1)Gr(s-1)Gh(s-1)Ti(t)+Gd(s-1)Ti(t)＝0(2)
由此，得前馈补偿模型为：
将蓄热供暖系统模型Gr(s-1)，混风供暖系统模型Gh(s-1)合并为混风供热系统Gw(s-1)，则混风供热系统Gw(s-1)和进风扰动模型Gd(s-1)分别为：
式中，f(t)为换热器风机频率，K1(s-1)、K2(s-1)、K3(s-1)为静态增益，τ为系统迟滞系数，且：
a1、a2、为静态增益K1(s-1)的系统在线辨识初值，b0、b1、b2、为静态增益K2(s-1)的系统在线辨识初值，c1、c2、为静态增益K3(s-1)的系统在线辨识初值，na、nb、nc分别表示多项式K1(s-1)、K2(s-1)、K3(s-1)的阶数；
根据混风供热系统Gw(s-1)和进风扰动模型Gd(s-1)，得送风温度Tp(t)为：
ξ(t)为系统辨识误差，选择采样周期k，则t＝kε，ε表示系统的采样时刻，将(7)式改写成：
省略k，则上式表示为：
式中，为系统参数观测值，θ为系统参数估计值：
送风温度Tp(ε)的辨识值表示为：
其中：为ε时刻系统输出的辨识值，为ε-1时刻的系统参数估计值；
辨识误差定义为：
采用引入遗忘因子μ的最小二乘算法对系统参数进行辨识，其公式为：
K(ε)为前馈补偿增益，P(ε)为的协方差阵，P(ε)的初始值P(0)设定为103I，I为单位矩阵，用于快速补偿参数辨识初始值的不确定性。
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