CN211904661U - 一种储热实验系统及其控制与检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种储热实验系统及其控制与检测装置，可以实现针对储热系统与储热装置实验过程的控制与性能检测。该装置由参数测量模块组、信号转换模块组、计算单元模块、分析检测模块、存储单元模块和控制模块组等组成。该装置可以实现针对不同规模和工况参数的储热系统与储热装置实验与运行过程中各种状态参数的快速、高精度控制和性能检测与诊断，并能满足压缩空气储能系统中的储热关键部件研发与测试。

Description

一种储热实验系统及其控制与检测装置

技术领域

本实用新型属于热能储存与控制交叉领域，涉及一种储热实验系统及其控制与检测装置，该控制与检测装置可以针对储热实验系统中不同规模和工况参数的储热装置在实验与运行过程中各种状态参数的快速、高精度控制和性能检测与诊断，并能满足压缩空气储能系统中的储热关键部件研发与测试。

背景技术

储热技术是以储热材料为媒介将太阳能光热、地热、工业余热或低品位废热等热能储存起来，在需要的时候释放，力图解决由于时间、空间或强度上的热能供给与需求之间不匹配、提高系统能源利用率的关键技术。储热技术能够有效提高能源综合利用水平，对于电网调峰、太阳能热利用、工业余热回收和建筑节能等领域都具有重要的应用价值。

大规模储热技术在传统电力系统、可再生能源和工业余热回收利用等领域具有非常重要的作用。然而目前相对于需求的快速发展，新型大规模储热技术的发展速度较为缓慢。其主要原因之一在于大规模储热单元或系统接入原有热能系统之前，需要开展大周期、全功率的示范运行验证与性能检测研究。因此需要适合非稳态的大规模储热系统控制和检测装置，应用于大规模储热实验与检测平台，满足大功率、高温压范围、快响应和高精度的要求，以精确获得大尺度储热单元内部的流动传热机理和储热单元性能，为突破大规模储热系统的关键技术提供必要仪器设备，为可再生能源与大规模储热的集成控制与联合运行技术等提供有力的支持。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本实用新型提出了一种储热实验系统及其控制与检测装置，该控制与检测装置可以针对储热实验系统中不同规模和工况参数的储热装置在实验与运行过程中各种状态参数的快速、高精度控制和性能检测与诊断，并能满足压缩空气储能系统中的储热关键部件研发与测试。

本实用新型为解决其技术问题所采取的技术解决方案是：

一种储热实验系统，至少包括一高温工质存储单元、一低温工质存储单元和一被测储热装置，其特征在于，

所述高温工质存储单元的出口管路经并联的第一支路和第二支路与所述被测储热装置的进口管路连通，其中，所述高温工质存储单元的出口管路上至少设置一流体驱动元件，所述第一支路上至少设置一控制阀门和一加热器，所述第二支路上至少设置一控制阀门和一冷却器，所述被测储热装置的进口管路上至少设置一流量计、一压力传感器和一温度传感器；

所述被测储热装置的出口管路经一控制阀门与所述低温工质存储单元的进口管路连通，其中，所述被测储热装置的出口管路上至少设置一压力传感器、一温度传感器和一流量计，所述低温工质存储单元的进口管路上至少设置一冷却器，

所述被测储热装置的内腔中布设有多个温度传感器，用以测量所述被测储热装置内部的温度分布，所述被测储热装置的外壁上至少设置一热流传感器，用以测量所述被测储热装置外壁散热的热流。

优选地，所述高温工质存储单元为一高温工质储罐，所述低温工质存储单元为一低温工质储罐或外界环境，所述流体驱动元件为泵、压缩机或风机的一种或多种的组合。

优选地，所述被测储热装置内腔中的多个温度传感器，沿流体流动方向间隔布置在所述被测储热装置的内腔中。

本实用新型还提供了一种上述储热实验系统的控制与检测装置，用于对所述储热实验系统的实验过程进行控制，并实现对其中的被测储热装置性能进行检测，所述控制与检测装置包括参数测量模块组、信号转换模块组、计算单元模块、分析检测模块和控制模块组，其特征在于，

--所述参数测量模块组，至少包括温度测量模块、压力测量模块、流量测量模块和热流测量模块，分别用以采集所述储热实验系统中各对应部件的参数信息，其中，所述温度测量模块与所述储热实验系统中的各温度传感器通信连接，所述压力测量模块与所述储热实验系统中的各压力传感器通信连接，所述流量测量模块与所述储热实验系统中的各流量计通信连接，所述热流测量模块与所述储热实验系统中的热流传感器通信连接；

--所述控制模块组，至少包括泵控制模块、加热器控制模块、冷却器控制模块和阀门控制模块，分别用以控制所述储热实验系统中各对应执行部件，其中，所述泵控制模块与所述储热实验系统中的流体驱动元件通信连接，所述加热器控制模块与所述储热实验系统中的加热器通信连接，所述冷却器控制模块与所述储热实验系统中的冷却器通信连接，所述阀门控制模块与所述储热实验系统中的各控制阀门通信连接；

--所述信号转换模块组，至少包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和第三信号转换模块，其中，

所述第一信号转换模块，其输入端与所述参数测量模块组中的各测量模块通信连接，其输出端与所述计算单元模块的输入端通信连接，用以将各测量模块采集的参数信息转换为数字信号并输出至所述计算单元模块；

所述第二信号转换模块，其输入端与所述储热实验系统中的流体驱动元件、加热器、冷却器、各控制阀门的信息反馈端通信连接，其输出端与所述计算单元模块的输入端通信连接，用以将所述储热实验系统中各执行部件的反馈信息转换为数字信号并输出至所述计算单元模块；

所述第三信号转换模块，其输入端与所述计算单元模块的输出端通信连接，其输出端与所述控制模块组中的各控制模块通信连接，用以将所述计算单元模块生成的各控制信号对应输出至所述控制模块组中的各控制模块；

--所述计算单元模块，至少包括解耦控制单元和预测控制单元，所述计算单元模块基于控制目标及输入的参数信息和反馈信息，并分别通过所述解耦控制单元和预测控制单元的解耦控制运算和预测控制运算生成状态信息参数及控制信号，所述状态信息参数输出至所述分析检测模块，所述控制信号输出至所述控制模块组中的各对应控制模块；

--所述分析检测模块，用以对所述计算单元模块输入的状态信息参数进行实时分析，实现对所述储热实验系统的性能检测。

优选地，所述控制与检测装置还包括一存储单元模块，所述存储单元模块分别与所述第一信号转换模块、第二信号转换模块、分析检测模块的输出端通信连接，用以存储实验过程中所述储热实验系统中的各类状态信号、控制信号和分析检测信息结果。

本实用新型的储热系统控制与检测装置，其运行过程为：

所述温度测量模块、压力测量模块、流量测量模块和热流测量模块分别接收温度、压力、流量和热流信号并通过所述第一信号转换模块转换为数字信号输出至计算单元模块；

所述流体驱动元件、加热器、冷却器、各控制阀门的反馈信号通过所述第二信号转换模块转换为数字信号输出至计算单元模块；

所述计算单元模块基于控制目标与收到的信号通过解耦控制运算和预测控制运算将控制信号通过第三信号转换模块输出至所述控制模块组中的各对应控制模块，即将所述储热实验系统中流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门的控制信号，分别通过泵控制模块、加热器控制模块、冷却器控制模块和阀门控制模块，输出至流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门，以实现快速与高精度的控制；

所述分析检测模块通过对计算单元模块输出的状态参数进行实时分析，实现对储热系统与装置的性能检测；

在整个过程中，所述储热实验系统中各温度、压力、流量、热流信息及流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门的状态信号、控制信号和分析检测信息结果由存储单元模块存储。

本实用新型的控制与检测装置，可对各种储热实验系统实现快速、高精度控制和性能检测与诊断，实现对储热实验系统与设备的实验测试和性能评估。

优选地，所述温度测量模块适配的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、热电阻、热电堆、数字温度传感器中的一种或两种以上的组合，所述压力测量模块适配包括压力传感器、数字式压力计和差压传感器中的一种或两种以上的组合，所述流量测量模块适配包括质量流量计、涡轮流量计、孔板流量计、电磁流量计、超声流量计和涡街流量计中的一种或两种以上的组合。

优选地，各信号转换模块具有将电流、电压、电感和电阻等信号转换为数字信号，或者将数字信号转换为电流、电压、电感和电阻等信号的一种或两种以上功能。

优选地，所述计算单元模块包括PID控制、专家PID控制、模糊控制、解耦控制和预测控制算法的一种或至少两种以上的组合。

优选地，所述分析检测模块，包括对储热实验系统的质量流量分析、温度场分析、压力场分析、热流量分析、热耗散分析、储热量分析、释热量分析、储热速率分析、释热速率分析、热效率分析和储热性能检测等其中一种或至少两种以上的组合。

优选地，所述泵控制模块适配包括离心泵、涡旋泵、混流泵、轴流泵、活塞泵、隔膜泵、电磁泵、离心风机、轴流风机和罗茨风机其中一种或至少两种以上的组合。

优选地，所述加热器控制模块分别适配电磁加热器、红外线加热器和电阻加热器中一种或至少两种以上的组合。

优选地，所述阀门控制模块适配气动阀、电动阀、液动阀、截止阀、调节阀中一种或至少两种以上的组合。

本实用新型的储热系统控制与检测装置，其工作原理及使用流程为：

首先，建立控制与检测装置与储热实验系统中各温度传感器、压力传感器、流量传感器、热流传感器、泵与风机、加热器或冷却器和控制阀门通信连接；

在控制与检测装置中输入储热实验系统的控制目标和控制程序，然后启动储热实验系统；

控制与检测装置的温度测量模块、压力测量模块、流量测量模块和热流测量模块分别接收温度、压力、流量和热流信号通过信号转换模块转换为数字信号输出至计算单元模块，控制与检测装置的流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门的信号通过信号转换模块转换为数字信号输出至计算单元模块，计算单元模块基于控制目标与收到的信号通过解耦控制运算和预测控制运算产生对与流体驱动元件、加热器与冷却器和阀门的控制信号；通过信号转换模块，将流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门的控制信号分别通过各控制模块，输出至各对应执行部件，实现对储热实验系统被控目标温度、压力和流量的高速与高精度的控制。

本实用新型的控制与检测装置中，所述分析检测模块通过对计算单元模块输出的温度、压力和流量等状态参数进行实时分析，实现对储热系统与装置的性能检测。在整个过程中，温度、压力、流量和热流、流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门等状态信号、控制信号和分析检测信息结果由存储单元模块存储。

本实用新型的控制与检测装置，通过均值、滤波处理、积分和微分等方法对质量流量、温度场、压力场、热流量、热耗散、储热量、释热量、储热速率、释热速率、热效率和储热性能等性能进行分析与检测，实现对储热系统与设备的实验测试和性能评估。

在整个过程中，温度、压力、流量和热流、流体驱动元件、加热器、冷却器和各控制阀门等状态信号、控制信号和分析检测信息结果由存储单元模块存储。

该装置可以实现针对不同规模和工况参数的储热系统与储热装置实验与运行过程中各种状态参数的快速、高精度控制和性能检测与诊断，并能满足压缩空气储能系统中的储热关键部件研发与测试。

附图说明

图1为本实用新型的储热实验系统示意图，图中，各附图标记的含义为：高温储液罐1，泵2，控制阀门3、3’、15，加热器4，冷却器5、16，流量计6、14，压力传感器7、13，温度传感器8、10和12，被测储热装置9，热流传感器11，低温储液罐17；

图2为本实用新型的控制与检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的储热实验系统，由高温工质存储单元(优选为高温储液罐1)和低温工质存储单元(优选为低温储液罐17)，泵2，加热器4，冷却器5和16，流量计6和14，压力传感器7和13，温度传感器8、10和12，被测储热装置9，热流传感器11，控制阀门3、3’和15等部件和必要的管路组成。

作为本发明一种优选的实例，储热实验系统中的低温储液罐17可取消，而以大气环境代替，使得整个实验系统由闭式系统转变为开式系统。

具体而言，如图1所示，本实用新型的储热实验系统，包括高温储液罐1、低温储液罐17和被测储热装置9，其中，高温储液罐1的出口管路经并联的第一支路和第二支路与被测储热装置9的进口管路连通，其中，高温储液罐1的出口管路上至少设置一流体驱动元件(即泵2)，第一支路上至少设置一控制阀门3和一加热器4，第二支路上至少设置一控制阀门3’和一冷却器5，被测储热装置9的进口管路上至少设置一流量计6、一压力传感器7和一温度传感器8；被测储热装置9的出口管路经一控制阀门15与低温储液罐17的进口管路连通，其中，被测储热装置9的出口管路上至少设置一压力传感器12、一温度传感器13和一流量计14，低温储液罐17的进口管路上至少设置一冷却器16；被测储热装置9的内腔中布设有多个温度传感器10，用以测量被测储热装置9内部的温度分布，被测储热装置9的外壁上至少设置一热流传感器11，用以测量被测储热装置9外壁散热的热流。

对于上述储热实验系统，如图2所示，本实用新型还提供了一种控制与检测装置，用于对本实用新型的上述储热实验系统的实验过程进行控制，并实现对其中的被测储热装置性能进行检测。该控制与检测装置，包括参数测量模块组、信号转换模块组、计算单元模块、分析检测模块和控制模块组，其中，参数测量模块组，至少包括温度测量模块、压力测量模块、流量测量模块和热流测量模块，分别用以采集储热实验系统中各对应部件的参数信息，其中，温度测量模块与储热实验系统中的各温度传感器通信连接，压力测量模块与储热实验系统中的各压力传感器通信连接，流量测量模块与储热实验系统中的各流量计通信连接，热流测量模块与储热实验系统中的热流传感器通信连接。控制模块组，至少包括泵控制模块、加热器控制模块、冷却器控制模块和阀门控制模块，分别用以控制储热实验系统中各对应执行部件，其中，泵控制模块与储热实验系统中的流体驱动元件通信连接，加热器控制模块与储热实验系统中的加热器通信连接，冷却器控制模块与储热实验系统中的冷却器通信连接，阀门控制模块与储热实验系统中的各控制阀门通信连接。信号转换模块组，至少包括第一信号转换模块101、第二信号转换模块102和第三信号转换模块103，其中，第一信号转换模块101，其输入端与参数测量模块组中的各测量模块通信连接，其输出端与计算单元模块的输入端通信连接，用以将各测量模块采集的参数信息转换为数字信号并输出至计算单元模块；第二信号转换模块102，其输入端与储热实验系统中的流体驱动元件、加热器、冷却器、各控制阀门的信息反馈端通信连接，其输出端与计算单元模块的输入端通信连接，用以将储热实验系统中各执行部件的反馈信息转换为数字信号并输出至计算单元模块；第三信号转换模块103，其输入端与计算单元模块的输出端通信连接，其输出端与控制模块组中的各控制模块通信连接，用以将计算单元模块生成的各控制信号对应输出至控制模块组中的各控制模块。计算单元模块，至少包括解耦控制单元和预测控制单元，计算单元模块基于控制目标及输入的参数信息和反馈信息，并分别通过解耦控制单元和预测控制单元的解耦控制运算和预测控制运算生成状态信息参数及控制信号，状态信息参数输出至分析检测模块，控制信号输出至控制模块组中的各对应控制模块。分析检测模块，通过对计算单元模块输出的状态信息参数进行实时分析，实现对储热实验系统的性能检测。

如图2所示，本实用新型的控制与检测装置还包括一存储单元模块，存储单元模块分别与第一信号转换模块、第二信号转换模块、分析检测模块的输出端通信连接，用以存储实验过程中储热实验系统中的各类状态信号、控制信号和分析检测信息结果。

本实用新型的控制与检测装置，可对各种储热实验系统实现快速、高精度控制和性能检测与诊断，实现对储热实验系统与设备的实验测试和性能评估。对储热实验系统中被测储热装置9进行储热性能测试时，其流程为：

在储热测试流程中，高温储液罐1内的液态介质被泵2输送通过阀门3、加热器4和阀门3’、冷却器5后，经过流量计6、压力传感器7和温度传感器8，进而进入被测储热装置9，被测储热装置9内部由温度传感器组10测量温度分布，被测储热装置9外部由热流传感器11测量热流，从被测储热装置9流出的介质依次经过温度传感器12、压力传感器13、流量计14，进而通过阀门15、冷却器16进入低温储液罐17。

储热系统控制与检测装置的温度测量模块接收温度传感器8、10和12的信号，压力测量模块接收压力传感器7和13的信号，流量测量模块接收流量计6和14的信号，热流测量模块接收热流传感器11的信号；信号转换模块102接收泵2、加热器4、冷却器5、16和阀门3、4和15的信号。泵2接收泵与风机控制模块的信号；加热器4和冷却器5接收加热器与冷却器控制模块的信号；阀门3、3’和15接收阀门控制模块的信号。

在实验过程中，首先在储热系统控制与检测装置中输入储热系统的控制目标和控制程序，然后启动储热系统。储热系统控制与检测装置的温度测量模块、压力测量模块、流量测量模块和热流测量模块分别接收温度传感器8、10和12、压力传感器7和13、流量计6和14和热流传感器11通过信号转换模块101转换为数字信号输出至计算单元模块，储热系统控制与检测装置的泵2、加热器4、冷却器5和16和阀门3、3’和15的信号通过信号转换模块102转换为数字信号输出至计算单元模块，计算单元模块基于控制目标与收到的信号通过解耦控制运算和预测控制运算产生对泵2、加热器4、冷却器5和阀门3、3’和15的控制信号；通过信号转换模块103，将控制信号分别通过泵与风机控制模块和加热器与冷却器控制模块和阀门控制模块，输出至泵2、加热器3、冷却器4和阀门3、3’和15，实现对被测储热装置9被控目标温度、压力和流量的高速与高精度的控制。

分析检测模块通过对计算单元模块输出的温度、压力和流量等状态参数进行实时分析，实现对储热系统与装置的性能检测。在整个过程中，温度、压力、流量和热流、泵、加热器与冷却器和阀门等状态信号、控制信号和分析检测信息结果由存储单元模块存储。储热系统控制与检测装置通过均值、滤波处理、积分和微分等方法对质量流量、温度场、压力场、热流量、热耗散、储热量、释热量、储热速率、释热速率、热效率和储热性能等性能进行分析与检测，实现对储热系统与设备的实验测试和性能评估。在整个过程中，温度、压力、流量和热流、泵、加热器与冷却器和阀门等状态信号、控制信号和分析检测信息结果由存储单元模块存储。

通过上述实施例，完全有效地实现了本实用新型的目的。该领域的技术人员可以理解本实用新型包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本实用新型已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本实用新型并不限于所公开的实施例，任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种储热实验系统，至少包括一高温工质存储单元、一低温工质存储单元和一被测储热装置，其特征在于，

所述高温工质存储单元的出口管路经并联的第一支路和第二支路与所述被测储热装置的进口管路连通，其中，所述高温工质存储单元的出口管路上至少设置一流体驱动元件，所述第一支路上至少设置一控制阀门和一加热器，所述第二支路上至少设置一控制阀门和一冷却器，所述被测储热装置的进口管路上至少设置一流量计、一压力传感器和一温度传感器；

所述被测储热装置的出口管路经一控制阀门与所述低温工质存储单元的进口管路连通，其中，所述被测储热装置的出口管路上至少设置一压力传感器、一温度传感器和一流量计，所述低温工质存储单元的进口管路上至少设置一冷却器，

所述被测储热装置的内腔中布设有多个温度传感器，用以测量所述被测储热装置内部的温度分布，所述被测储热装置的外壁上至少设置一热流传感器，用以测量所述被测储热装置外壁散热的热流。

2.根据权利要求1所述的储热实验系统，其特征在于，所述高温工质存储单元为一高温工质储罐，所述低温工质存储单元为一低温工质储罐或外界环境，所述流体驱动元件为泵、压缩机或风机的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的储热实验系统，其特征在于，所述被测储热装置内腔中的多个温度传感器，沿流体流动方向间隔布置在所述被测储热装置的内腔中。

4.一种储热实验系统的控制与检测装置，用于对上述权利要求1至3任一项所述储热实验系统的实验过程进行控制，并实现对其中的被测储热装置性能进行检测，所述控制与检测装置包括参数测量模块组、信号转换模块组、计算单元模块、分析检测模块和控制模块组，其特征在于，

--所述参数测量模块组，至少包括温度测量模块、压力测量模块、流量测量模块和热流测量模块，分别用以采集所述储热实验系统中各对应部件的参数信息，其中，所述温度测量模块与所述储热实验系统中的各温度传感器通信连接，所述压力测量模块与所述储热实验系统中的各压力传感器通信连接，所述流量测量模块与所述储热实验系统中的各流量计通信连接，所述热流测量模块与所述储热实验系统中的热流传感器通信连接；

--所述控制模块组，至少包括泵控制模块、加热器控制模块、冷却器控制模块和阀门控制模块，分别用以控制所述储热实验系统中各对应执行部件，其中，所述泵控制模块与所述储热实验系统中的流体驱动元件通信连接，所述加热器控制模块与所述储热实验系统中的加热器通信连接，所述冷却器控制模块与所述储热实验系统中的冷却器通信连接，所述阀门控制模块与所述储热实验系统中的各控制阀门通信连接；

--所述信号转换模块组，至少包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和第三信号转换模块，其中，

所述第一信号转换模块，其输入端与所述参数测量模块组中的各测量模块通信连接，其输出端与所述计算单元模块的输入端通信连接，用以将各测量模块采集的参数信息转换为数字信号并输出至所述计算单元模块；

所述第二信号转换模块，其输入端与所述储热实验系统中的流体驱动元件、加热器、冷却器、各控制阀门的信息反馈端通信连接，其输出端与所述计算单元模块的输入端通信连接，用以将所述储热实验系统中各执行部件的反馈信息转换为数字信号并输出至所述计算单元模块；

所述第三信号转换模块，其输入端与所述计算单元模块的输出端通信连接，其输出端与所述控制模块组中的各控制模块通信连接，用以将所述计算单元模块生成的各控制信号对应输出至所述控制模块组中的各控制模块；

--所述计算单元模块，至少包括解耦控制单元和预测控制单元，所述计算单元模块基于控制目标及输入的参数信息和反馈信息，并分别通过所述解耦控制单元和预测控制单元的解耦控制运算和预测控制运算生成状态信息参数及控制信号，所述状态信息参数输出至所述分析检测模块，所述控制信号输出至所述控制模块组中的各对应控制模块；

--所述分析检测模块，用以对所述计算单元模块输入的状态信息参数进行实时分析，实现对所述储热实验系统的性能检测。

5.根据权利要求4所述的控制与检测装置，其特征在于，所述控制与检测装置还包括一存储单元模块，所述存储单元模块分别与所述第一信号转换模块、第二信号转换模块、分析检测模块的输出端通信连接，用以存储实验过程中所述储热实验系统中的各类状态信号、控制信号和分析检测信息结果。

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