CN114324461B - 一种热能存储试验系统及其运行、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热能存储试验系统及其运行、控制方法，一种热能存储试验系统，包括一用于放置待测试试件的试验段，与试验段并联设置一加热器，试验段和加热器之间连接设置一预热管路；在试验段的两端、在加热器的两端、以及预热管路上均设有传感器，传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；其中，加热器用于加热输入的常温气体、并将加热后气体输送至试验段内，试验段用于利用加热后气体来加热待测试试件。填补了现有技术对于储热材料或者储热装置的自动化智能化研究测试系统的空白。

Description

一种热能存储试验系统及其运行、控制方法

技术领域

本发明属于能源存储技术领域，具体涉及一种热能存储试验系统及其运行、控制方法。

背景技术

热能作为国民经济中重要的能源之一，在生产过程中大量间歇性或者废弃的热能因没有良好的存储和回收利用而被白白浪费掉，再用热能的时候又需要用其他能源(比如电能等)进行生产热能，这样就造成能源的不合理利用和能源的浪费。研究一种能有效存储热能的材料或者设备对于能源结构调整和节能降碳具有巨大的有益作用。有效存储和回收热能，合理调整能源结构，将产生巨大的社会效益，具有整体30％-50％左右的节能降碳空间。

国内目前对于高性能的大型储热材料或者储热装置的试验测试系统高自动化智能化研究还是个空白领域，同事如果采用工业现场控制则危险性高、灵活性差、原有设施改造成本、人员成本超高，又无法根据试验的连贯性精准的采集到负荷试验特性的方法和数据。需要反复测试，耗费大量人力、物力、财力。

发明内容

本发明的目的是提供一种热能存储试验系统及其运行、控制方法，以填补现有技术对于储热材料或者储热装置的自动化智能化研究测试系统的空白。

本发明采用以下技术方案：一种热能存储试验系统，包括一用于放置待测试试件的试验段，与试验段并联设置一加热器，试验段和加热器之间连接设置一预热管路；在试验段的两端、在加热器的两端、以及预热管路上均设有传感器，传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；

其中，加热器用于加热输入的常温气体、并将加热后气体输送至试验段内，试验段用于利用加热后气体来加热待测试试件。

进一步的，一种热能存储试验系统还包括一换热器，其设置在加热器入口和预热管路之间，换热器连通有一离心风机；离心风机用于提供常温空气至换热器，换热器用于接收经预热管路、或试验段传送来的气体，并对气体进行预热、再传送至加热器。

进一步的，加热器的出口和试验段的入口之间连通设置有一烟气管道，烟气管道的出口设置有阀门。

本发明采用的第二种技术方案是，一种热能存储试验系统运行方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S101、设备初始化和自检；

S102、设试验段的目标温度值为TS_S；

S103、采集试验段的入口温度TS1,加热器的出口温度TS0，各个连接管道的温度TS2；

S104、计算整个系统的试验启动阀值T₀k,并进行循环计算运行；T₀k＝TS1+H/8，H为标定时间；

S105、判断试验启动阀值T₀k与试验段入口温度TS0的大小，若T₀k>TS0，,执行S106，否则执行S104；

S106、启动离心风机，然后自动启动加热器；

S107、计算试验段内的温升速率△Tem：

其中，Q_风i为当前时刻离心风机的供风量，Q_风(i+1)为下一时刻离心风机的供风量；

S108、在每个周期内持续判断试验温度设定值TS_S与TS的大小，若TS_S>TS继续执行S108，若TS_S≤TS则停止运行，完成试验。

本发明采用的第三种技术方案是，一种对试验段精细化温升控制方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1101、开始，升温使能；

S1102、设试验段的温升时间为TIM₁...TIM_i，各个温升时间对应的升温区段分别为TH₁...TH_i；

S1103、启动自学习寻优控制脉搏时钟，根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态升温调制步长ST_ki，ST_ki＝(TH_(i+1)-TH_i)/TIM_i，TIM_i使能ST_ki动作；

S1104、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

本发明采用的第四种技术方案是，一种对试验段精细化降温的控制方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1201、开始，降温使能；

S1202、设试验段的降温时间分别为TIM₁...TIM_i，各个降温时间对应的降温区段对应为TH₁...TH_i；

S1203、启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态将温调制步长ST_k，ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；

S1204、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

本发明采用的第五种技术方案是，一种对试验段无人值守自动倒班控制方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1301、开始，工作制使能；

S1302、初始化参数设置，设置白班无人值守运行时间TIM1和晚上无人值守运行时间TIM2；

S1303、追踪系统时钟，并启动班制监测时钟程序；TIM1+TIM2＝24启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据公式持续计算动态将温调制步长，公式如下：动态控制精细化寻优自适用步长ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；

S1304、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

本发明的有益效果是：本发明的控制方法，在测试储热体材料特性的过程中，以试验用热特性为基础，根据风机流量、风压、加热器出口温度，试验段热仓入口温度，试验段热仓中心温度、为基础，根据试验要求对试验系统进行智能化控制。通过此控制方法的实施，融合温度、压力、流量、工作制等综合控制方法的共同作用下，有效提高了试验的安全性和准确性；有效提高人效、物效、能效；大大降低了运行和维护成本。

附图说明

图1为本发明一种热能存储试验系统的系统连接示意图；

图2为本发明一种热能存储试验系统运行方法流程图；

图3为本发明一种对试验段精细化温升控制方法的流程图；

图4为本发明一种对试验段精细化降温的控制方法的流程图；

图5为本发明一种对试验段无人值守自动倒班控制方法的流程图。

其中，1.离心风机，2.换热器，3.管道加热器，4.烟气管道，5.试验段，6.预热管路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种热能存储试验系统，如图1所示，包括一用于放置待测试试件的试验段5，与所述试验段5并联设置一加热器3，所述试验段5和所述加热器3之间连接设置一预热管路6；在所述试验段5的两端、在所述加热器3的两端、以及所述预热管路6上均设有传感器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器。各个传感器可以实施监测各个管路各个位置的温度、压力和流量，为整个一种热能存储试验系统的精密监测打下基础。

其中，所述加热器3用于加热输入的常温气体、并将加热后气体输送至所述试验段5内，所述试验段5用于利用所述加热后气体来加热所述待测试试件。

在一些实施例中，其还包括一换热器2，其设置在所述加热器3入口和所述预热管路6之间，所述换热器2连通有一离心风机1；所述离心风机1用于提供常温空气至所述换热器2，所述换热器2用于接收经所述预热管路6、或所述试验段5传送来的气体，并对所述气体进行预热、再传送至所述加热器3。加热器3初始加热的气体温度达不到试验段5所需温度时，将该气体先经预热管路6和换热器2返回至加热器3再进行加热升温，设置换热器2可以对从离心风机1输送来的气体进行初级升温。

在一些实施例中，加热器3的出口和所述试验段5的入口之间连通设置有一烟气管道4，所述烟气管道4的出口设置有阀门。当启动烟气管道4为一种热能存储试验系统试验段5提供热源时，关闭离心风机1、加热器3和预热管路6，热烟气通过试验段5并从换热器2排出。

本发明一种热能存储试验系统的使用方法是，将待测性能的储热材料放置于试验段5中，通过离心风机1向换热器2中输送常温气体，常温气体经过加热器3后被加热，当加热后的气体温度TS0＜T₀k，则将该气体通过预热管路6和换热器2返回至加热器3再加热；当加热后的气体温度TS0＞T₀k，则将该气体通入试验段5来对其中的待测试件进行加热。通过对加热气体的温度的精密控制，来实现对待测试件性能检测过程的精密控制。

本发明提供了第二种技术方案是，一种热能存储试验系统运行方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S101、设备初始化和自检；所述的自检包括：各设备的工作状态，系统所处的工作模式、各开关初始逻辑是否正确，各状态及各控制参数的初始化赋值。

S102、设所述试验段5的目标温度值为TS_S；

S103、采集所述试验段5的入口温度TS1,加热器3的出口温度TS0，各个连接管道的温度TS2；

S104、计算整个系统的试验启动阀值T₀k,并进行循环计算运行；T₀k＝TS1+H/8，H为标定时间；

S105、判断试验启动阀值T₀k与试验段入口温度TS0的大小，若T₀k>TS0，,执行S106，否则执行S104；

S106、启动所述离心风机1，然后自动启动加热器3；离心风机1和加热器3的启动间隔时间可以为5s；

S107、计算所述试验段5内的温升速率△Tem，以一个计算周期进行自适应计算，计算周期可以根据情况自行设定：

其中，Q_风i为当前时刻所述离心风机的供风量，Q_风(i+1)为下一时刻所述离心风机的供风量。比如当温升速率△Tem>5/h时，则在每个心跳周期内增加1％的风量；

S108、在每个周期内持续判断试验段5的目标温度值TS_S与TS的大小，若TS_S>TS继续执行S108，若TSS≤TS则停止运行，完成试验。TS为试验段5的实时温度。

实施例1

S101、检查各设备的工作状态，系统所处的工作模式、各开关初始逻辑正确，对各状态及各控制参数进行初始化赋值。

S102、设所述试验段5的目标温度值为TS_S＝320℃；

S103、采集所述试验段5的入口温度TS1＝100℃,加热器3的出口温度TS0＝125℃，各个连接管道的温度TS2＝120℃；

S104、计算整个系统的试验启动阀值T₀k,并进行循环计算运行；T₀k＝TS1+H/8＝140℃，H为标定时间＝320℃；

S105、T₀k>TS0，执行S106；

S106、启动所述离心风机1，然后自动启动加热器3；离心风机1和加热器3的启动间隔时间可以为5s；

S107、计算所述试验段5内的温升速率△Tem＝5℃，则Q_风(i+1)＝800；

S108、在每个周期内持续判断试验温度设定值TS_S与TS的大小，若TS_S>TS继续执行S108，若TSS≤TS则停止运行，完成试验。

本发明提供了第三种技术方案是，一种对试验段精细化温升控制方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1101、开始，升温使能；

S1102、设所述试验段5的温升时间为TIM₁...TIM_i，各个温升时间对应的升温区段分别为TH₁...TH_i；

S1103、启动自学习寻优控制脉搏时钟，根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态升温调制步长ST_ki，ST_ki＝(TH_(i+1)-TH_i)/TIM_i，TIM_i使能ST_ki动作；

S1104、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

实施例2

S1101、开始，升温使能；

S1102、设所述试验段5的温升时间为区段TIM₁＝1h，TIM_i＝1h，各个温升时间对应的升温区段分别为TH₁＝130℃，TH_i＝135℃；

S1103、启动自学习寻优控制脉搏时钟，根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态升温调制步长ST_ki＝0.08333℃/S，TIM_i使能ST_ki动作；

S1104、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

本发明提供了第四种技术方案是，一种对试验段精细化降温的控制方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1201、开始，降温使能；

S1202、设所述试验段5的降温时间分别为TIM₁...TIM_i，各个降温时间对应的降温区段对应为TH₁...TH_i；

S1203、启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态将温调制步长ST_k，ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；

S1204、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

实施例3

S1201、开始，降温使能；

S1202、设所述试验段5的降温时间分别为TIM₁＝1h，TIM_i＝1h，各个降温时间对应的降温区段对应为TH₁＝135℃，TH_i＝130℃；

S1203、启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态将温调制步长ST_k＝-0.08333℃/S；

S1204、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

本发明提供了第五种技术方案是，一种对试验段无人值守自动倒班控制方法，基于一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1301、开始，工作制使能；

S1302、初始化参数设置，设置白班无人值守运行时间TIM1和晚上无人值守运行时间TIM2；

S1303、追踪系统时钟，并启动班制监测时钟程序；TIM1+TIM2＝24启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据公式持续计算动态将温调制步长，公式如下：动态控制精细化寻优自适用步长ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；

S1304、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

实施例4

S1301、开始，工作制使能；

S1302、初始化参数设置，设置白班无人值守运行时间TIM1＝12和晚上无人值守运行时间TIM2＝12；

S1303、追踪系统时钟，并启动班制监测时钟程序；TIM1+TIM2＝24启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据公式持续计算动态将温调制步长，公式如下：动态控制精细化寻优自适用步长ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；＝0.08333；

S1304、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

在研究储热材料或者储热模块装置过程中，现场环境恶劣，又高温高压、操作危险，热源温度、流量、压力等需要根据试验特性频繁调整，粗放式试验控制导致热量消耗大，系统调节相应慢，数据不准确，还需要大量人力投入，各方面消耗巨大，且无法实时得到精细化的试验测试数据；试验数据需要人工抄录后再进行大量计算，对能源、人力、物力等造成大量浪费，试验效率低下等问题。

本发明的控制方法，在测试储热体材料特性的过程中，以试验用热特性为基础，根据风机流量、风压、加热器出口温度，试验段热仓入口温度，试验段热仓中心温度、为基础，根据试验要求对试验系统进行智能化控制；在升温过程中，通过对升温区段将升温时间和目标温度进行网格化计算，加入时钟扰动，进行循环计算自学习寻优，配合系统总体目标控制，达到智慧化和精细化控制试验的目的；在降温过程中，通过对降温区段将降温时间和目标温度进行网格化计算，加入时钟扰动，进行循环计算自学习寻优，配合系统总体目标控制，达到智慧化和精细化控制试验的目的；在整体试验过程中，通过计算升温目标特性和系统运行时钟，进行自动排班倒班，最长可一次性设置一个试验中期长达数月的智慧排班。通过此智慧化控制方法的实施，融合温度、压力、流量、工作制等综合控制方法的共同作用下，有效提高了试验的安全性和准确性；有效提高人效、物效、能效；大大降低了运行和维护成本。

本发明的控制方法，可一次性运行一个试验阶段的特性参数，过程中达到了精准化、精细化、智慧化试验控制，实时采集分析数据、维护系统运行稳定、提高试验精度、提高试验效率、提高人效物效能效；具有良好的提效降耗节能效果。本发明的一种热能存储试验系统实现了对热能存储试验测试系统进行自动联机控制，自动倒班运行、运行预警、故障自修复，自动数据采集分析、自动测试无人值守、特性曲线精细化精准控制，达到更优异的测试效果，有效提高人效、物效、能效的目的，减少能源消耗、减少碳排放。

Claims (4)

1.一种热能存储试验系统，其特征在于，包括一用于放置待测试试件的试验段(5)，与所述试验段(5)并联设置一加热器(3)，所述试验段(5)和所述加热器(3)之间连接设置一预热管路(6)；在所述试验段(5)的两端、在所述加热器(3)的两端、以及所述预热管路(6)上均设有传感器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；

其中，所述加热器(3)用于加热输入的常温气体、并将加热后气体输送至所述试验段(5)内，所述试验段(5)用于利用所述加热后气体来加热所述待测试试件；

还包括一换热器(2)，其设置在所述加热器(3)入口和所述预热管路(6)之间，所述换热器(2)连通有一离心风机(1)；所述离心风机(1)用于提供常温空气至所述换热器(2)，所述换热器(2)用于接收经所述预热管路(6)、或所述试验段(5)传送来的气体，并对所述气体进行预热、再传送至所述加热器(3)；

所述加热器(3)的出口和所述试验段(5)的入口之间连通设置有一烟气管道(4)，所述烟气管道(4)的出口设置有阀门；

所述一种热能存储试验系统的运行方法，包括以下内容：

S101、设备初始化和自检；

S102、设所述试验段(5)的目标温度值为TS_S；

S103、采集所述试验段(5)的入口温度TS1，加热器(3)的出口温度TS0，各个连接管道的温度TS2；

S104、计算整个系统的试验启动阀值T₀k,并进行循环计算运行；T₀k＝TS1+H/8，H为标定温度；

S105、判断试验启动阀值T₀k与试验段入口温度TS0的大小，若T₀k>TS0，执行S106，否则执行S104；

S106、启动所述离心风机(1)，然后自动启动加热器(3)；

S107、计算所述试验段(5)内的温升速率△Tem：

其中，Q_风i为当前时刻所述离心风机的供风量，Q_风(i+1)为下一时刻所述离心风机的供风量；

S108、在每个周期内持续判断试验段5的目标温度值TS_S与试验段5的实时温度值TS的大小，若TS_S>TS继续执行S108，若TS_S≤TS则停止运行，完成试验。

2.一种对试验段精细化温升控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1所述的一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1101、开始，升温使能；

S1102、设所述试验段(5)的温升时间为TIM₁...TIM_i，各个温升时间对应的升温区段分别为TH₁...TH_i；

S1103、启动自学习寻优控制脉搏时钟，根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态升温调制步长ST_ki，ST_ki＝(TH_(i+1)-TH_i)/TIM_i，TIM_i使能ST_ki动作；

S1104、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

3.一种对试验段精细化降温的控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1所述的一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1201、开始，降温使能；

S1202、设所述试验段(5)的降温时间分别为TIM₁...TIM_i，各个降温时间对应的降温区段对应为TH₁...TH_i；

S1203、启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据动态控制精细化寻优自适用步长公式持续计算动态将温调制步长ST_k，ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；

S1204、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。

4.一种对试验段无人值守自动倒班控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1所述的一种热能存储试验系统，包括以下内容：

S1301、开始，工作制使能；

S1302、初始化参数设置，设置白班无人值守运行时间TIM1和晚上无人值守运行时间TIM2；

S1303、追踪系统时钟，并启动班制监测时钟程序；TIM1+TIM2＝24启动自学习寻优控制脉搏时钟，同时根据公式持续计算动态将温调制步长，公式如下：动态控制精细化寻优自适用步长ST_k＝(TH_i-TH_(i+1))/TIM_i；

S1304、持续判断更新控制步长，直至一个试验周期的TIM结束后停止工作。