多热源耦合（精选6篇）
多热源耦合 篇1
0 引言
变流器作为风电机组电能回馈至电网的关键控制环节,其可靠运行对并网风电机组的电能质量以及安全稳定性至关重要[1]。 由于风电机组长时间、频繁和大范围的随机出力变化以及机侧变流器可能长期处于较低工作频率下运行,风电变流器运行可靠性问题近年来已经引起了国内外学者和工程师的广泛关注[2,3,4]。 功率模块的结温均值及其波动以及内部材料的热失配特性产生的疲劳损伤,是导致电力电子器件老化和失效的主要因素[5],然而,其功率模块结温却很难通过实验手段直接测量[6],加之大功率风电机组变流器功率模块通常是多芯片并联的封装结构,芯片间可能存在热耦合影响[7]。 因此,功率模块结温的准确计算与评估是分析风电变流器运行可靠性问题的关键,其对于提高变流器运行的状态监测和可靠性评估水平具有重要的学术价值和现实意义。
目前国内外关于变流器IGBT模块结温评估已有一定的研究成果。 文献[7]采用有限元方法对IGBT模块进行了热分析,虽然获得了IGBT模块芯片表面的二维温度场分布云图,但是这类模型难以实现变流器部件级的结温实时计算和可靠性评估。 文献[8- 10]基于开关周期的损耗分析方法,研究了IGBT模块损耗及结温计算模型;文献[11]采用集总参数法,基于器件的瞬态热阻抗参数,建立了RC热网络结温计算模型,但上述结果只表征整个芯片表面的平均温度,且忽略了芯片间的发热影响,无法获取对可靠性影响更为关键的芯片最高结温。 此外,文献[12]提出一个实时结温预测模型用以实现功率模块的健康管理,文献[13]采用热网络模型分析了不同的散热方式对变流器IGBT模块结温的影响。 然而上述文献涉及的常规结温计算模型及结温分析大都基于功率模块内部芯片彼此独立传热的假设,对于模块内部各个芯片间的热耦合作用很少考虑。 虽然文献[14]分析了IGBT和续流二极管(FWD)之间的热影响,但是在应用日趋广泛的多芯片并联功率模块中,多个芯片间的热源相互作用不能忽略。 文献[15]通过叠加2 个不同的等效热网络建立了功率模块的集总参数热分析模型,但是并未深入分析芯片间的热耦合作用机理。
基于此,为了进一步分析风电变流器功率模块内部多芯片热耦合作用及其对结温的影响,本文从2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法研究其多芯片的热耦合作用机理和热分布特性,分析其对结温计算的影响;基于耦合热阻抗矩阵理论分析,建立考虑多热源耦合的IGBT模块结温评估改进模型;与某H93-2MW双馈风电机组变流器功率模块的有限元模型结果以及常规结温计算模型结果进行对比分析,验证其有效性。
1 风电变流器IGBT模块结构及热耦合分析
1.1 风电变流器IGBT模块结构
随着风机单机容量的增大,风力发电功率变流器承受的功率也在增大,其功率模块通常采用多芯片并联结构[8]。 图1 为某2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块及剖面图,图中DCB表示直接铜层连接。
多个IGBT芯片和FWD芯片组成该双馈风电变流器功率模块。 从图1 中可以看出,其由7 层材料构成。 最上层为硅芯片,绝缘陶瓷层及铜层构成DCB基板,并通过焊接层连接到底板上。 底板周边分别引出有集电极、栅极、发射极3 个电极。 另外,风电变流器IGBT模块内部的多个硅芯片共用1 个基板,各芯片发热产生的热量传递可能会相互影响。
1.2 基于有限元的IGBT模块热耦合分析及验证
为了分析该风电变流器IGBT模块内部芯片间可能的热耦合作用,本节利用ANSYS构建其三维有限元模型,仿真分析其芯片在热耦合作用下的结温变化。 考虑到功率模块结构的对称性,且每4 组IGBT和FWD芯片组空间位置相对独立,本文选取该功率模块的1 / 4 单元,IGBT芯片分别记为T1— T4,FWD芯片分别记为D1— D4。 根据其在模块内部的具体位置,定义T(D)1、T(D)4为边缘位置芯片,T(D)2、T(D)3为非边缘位置芯片,其内部各个芯片之间的距离关系如图2 所示,功率模块剖面图中各层材料的参数如表1 所示[16,17]。
假设各层材料结合完好,无相对滑移,忽略硅胶散热[14]。 根据上述功率模块内部芯片的尺寸及各层材料的参数特性,建立风电变流器IGBT模块的三维有限元模型如图3(a)所示。由于铝键合线对功率模块温度分布的影响很小,因此模型忽略其影响[7]。考虑风电变流器功率模块多芯片并联同时工作,为了分析其芯片热源间的相互作用,通过有限元模型,在T1—T4芯片上施加270 W功率损耗,环境温度为50℃。此时IGBT模块内部各个芯片的结温分布结果及其局部放大图分别如图3(b)、(c)所示。
由图3(b)和(c)可知,当给并联IGBT芯片施加相同损耗时,由于并联芯片热源相互耦合,不同芯片的结温分布不一致,其中处于非边缘位置的芯片T2结温最高,约103 ℃。
为了验证风电变流器功率模块有限元分析的有效性,本文以某实际H93-2MW双馈风电机组为例,首先将机侧变流器功率模块的损耗输出作为有限元仿真模型的激励输入,并设置和实测壳温相同的环境温度及散热条件,得到其壳温仿真值。 然后与该实际H93-2MW双馈风电机组机侧变流器功率模块芯片正下方底板位置的壳温测试结果进行对比验证,图4 为不同风速下的对比结果。 图中,Ic为变流器壳温,v为60s平均风速。
从图4 可以看出,变流器功率模块的壳温随着风速的上升而不断增加,并在风速达到12 m/s的额定值后趋于稳定。在不同的风速下,采用变流器功率模块有限元模型的壳温计算结果与测试结果基本一致,说明了本文仿真模型的有效性。其中,变流器功率模块实测壳温略高于仿真壳温这可能是由实际风电机组运行中器件老化因素导致的。
芯片的结温对于器件的选型、散热器的设计以及变流器功率模块的状态监测至关重要,因此,考虑到有限元方法在结温评估中的局限性[7],有必要进一步计及芯片间的热耦合因素,建立更为有效的功率模块结温评估模型。
2 考虑多热源耦合的热网络模型及结温计算
2.1 未考虑热耦合的常规热网络模型及结温计算
为了实时在线计算IGBT模块结温,采用集总参数方法的热网络以及基于热网络分析的结温计算方法已被广泛采用[11]。 为便于比较考虑多芯片热源耦合的热网络及结温计算模型,本节首先简述基于硅芯片发热和单独传热的热网络及其常规结温计算方法,然后基于耦合热阻抗矩阵理论分析建立考虑多热源耦合影响的改进结温计算模型。
针对变流器IGBT模块层状结构,基于芯片独立发热和传热的常规热网络模型见图5[6,18]。 图中,Ploss_1为芯片1 的功率损耗,Tj1为芯片1 的结温,Zth(1,1)为芯片1 的结壳热阻抗,也可表示为Zth_ jc1,Zth_ch1为芯片1 对应的管壳-散热器之间的导热脂热阻抗,其余依此类推;Zth_ha为IGBT模块的散热器热阻抗;Tc为壳温;Th为散热器温度;Ta为环境温度。
根据图5 所示热网络模型,功率模块中某个芯片k的结温计算式为:
其中,芯片k的结壳热阻抗可表示为式(2)[11]。
其中,τki、Rki、Cki分别为芯片k的热时间常数、热阻和热容。
从图5 及式(1)可知,目前常规热网络模型没有涉及多芯片间的热耦合影响,下节将推导含多热源耦合影响的功率模块结温计算模型。
2.2 考虑热耦合影响的多芯片热网络模型及结温计算
模块内各芯片间的热耦合主要受图1(b)功率模块层状结构中导热系数更大的硅芯片焊层、DBC中的铜层以及铜底板的影响[14],多芯片并联模块的芯片结温计算若采用不考虑热耦合的常规结温计算模型,结果将出现较大评估误差。 为了计及芯片间热耦合对结温计算的影响,本文引入等效耦合热阻抗概念,其表征周边某芯片施加单位功率损耗时目标芯片稳态最高结温的增量,计算公式如下:
在芯片m上施加功率损耗激励Pm时,芯片n的稳态最高结温从未施加损耗时的Ta升至Tjn。
对于多个芯片热源的耦合影响,可得其等效耦合热阻抗矩阵Zcouple为:
其中,Zth(1,2)表示芯片2 对芯片1 的耦合热阻抗,其余依此类推。 器件的自热阻抗Zself可表示为:
其器件自阻抗矩阵的参数通过有限元仿真获取。 因此,结合器件自热阻抗Zself,考虑多芯片热耦合的功率模块结温计算可表示为:
其中,Tj、Tc以及Ploss皆为n × 1 矩阵。 结合上述公式,进一步建立考虑热源耦合影响的多芯片功率模块的改进热网络模型如图6 所示。
从图6 中可知,相比于未考虑热耦合的常规热网络模型,本文提出的改进热网络模型考虑了目标芯片周边各个芯片热源对其热耦合影响,同时模型热阻抗参数采用有限元方法获取,其结温探测点可灵活控制,可实现多芯片并联功率模块内部芯片结温更为有效的评估。
3 耦合热阻抗参数提取
为了进一步得到结温计算改进热网络模型中的自热阻抗及耦合热阻抗参数,采用有限元法分析其功率芯片间的损耗和结温关系[7,14]。 即通过在某芯片上施加一单位脉冲损耗P,监测该芯片及周边芯片的稳态结温最大值,具体流程如图7 所示。
根据式(2),经拟合计算可得IGBT模块的结壳热阻抗参数如表2 所示。 表中,RIGBT和τIGBT分别为IGBT的热阻、热容值;RFWD和τFWD分别为FWD的热阻、热容值。
表2 中每列的数据分别表示IGBT和FWD的4组Foster热网络参数。 此外,根据式(3),经拟合计算可得IGBT模块耦合热阻Rcouple(℃/W)和热容Ccouple(J/℃)如表3所示。考虑其芯片布局的对称性,表中只列出了4个芯片间的耦合热阻抗。
表3 中,T1行的数值分别为芯片T2、D1、D2对芯片T1的耦合热阻抗,即式(4)所示耦合阻抗矩阵的第1 行,其余行依此类推。 从表中的结果可以看出,任意2 个不同的芯片,其相互之间的耦合热阻抗基本相同。 此外,当芯片尺寸不变时,随着芯片的距离增加,其耦合热阻减小。 图8 给出了以芯片T1为例,在不同的芯片T1、T2间距下,其耦合热阻的变化曲线。
从图中可知,随着芯片距离的增加,其芯片间的耦合热阻近似按指数规律递减[18],且当距离大于10 mm时,其耦合热阻接近0,可忽略其芯片热源耦合因素的影响。 对于图1 中整个功率模块,由于每4 组IGBT / FWD之间的间隔大于10 mm, 所以本文基于其中1 / 4 模块单元对功率模块芯片热耦合影响及其芯片结温进行研究。 因此,在第4 节模型验证的研究中,当计算芯片T1的结温时,仅考虑周边芯片D1、D2和T2的热耦合影响;当计算芯片T2的结温时,考虑芯片D1、D2、D3及T1、T3对其热耦合影响。
4 实例验证
为了进一步验证考虑多芯片热源耦合影响的变流器功率模块结温计算改进模型的有效性,本文将风速为8 m / s对应的器件损耗作为有限元仿真模型的激励输入,利用瞬态分析求解出其功率模块结温波动曲线;并搭建基于PLECS的DFIG动态模型。
2 MW双馈风电机组及变流器主要参数:额定电压UN为690 V;直流侧电压Udc为950 V;额定频率fN为50 Hz;同步转速nn为1 500 r / min;定子电阻Rs为0.022 Ω;转子电阻Rr为0.0018 Ω;定子漏感Lsl为0.012 m H;转子漏感Lrl为0.05 m H;定、转子互感Lm为2.9 m H;转子转动惯量Jg为75 kg·m2;变流器功率模块管壳至散热器热阻抗Zch中Rch为18 ℃ / k W,Cch为7.6 J / ℃; 散热器热阻抗Zha中Rha为80 ℃ / k W,Cha为1320.8 J / ℃;环境温度Ta为50 ℃。 在PLECS中采用上述提出的改进热网络模型,分别计算了相同损耗下处于边缘位置的芯片T1和非边缘位置的芯片T2的结温,如图9 所示,图中还列出了未考虑芯片间热耦合影响的常规模型的计算结果。
从图中不同位置芯片结温的计算结果对比可知,本文提出的考虑多热源耦合影响的IGBT模块结温计算改进模型的结果和有限元计算结果基本一致,较好地反映了芯片的结温大小。 而常规模型由于忽略了多芯片间的热耦合影响,结温计算的平均值和最大值明显更小,进一步验证了IGBT模块结温计算改进模型的有效性和必要性。 此外,对比图9(a) 和9 (b) 可知,处于功率模块非边缘位置的芯片T2的结温误差更大,接近8 ℃,相比处于边缘位置的芯片T1,受热耦合的影响更明显,且多芯片热耦合仅影响其结温大小,对结温波动幅值和频率几乎不影响。
5 结论
本文从实际2 MW双馈风电机组变流器功率模块的结构和材料参数出发,通过有限元方法分析了IGBT模块内部多芯片间的稳态耦合热分布,基于集总参数法建立考虑芯片间热耦合影响的变流器IGBT模块结温计算改进模型。 通过ANSYS / MATLAB获取其耦合热阻抗参数,并与变流器实测壳温、有限元模型以及未考虑多热源耦合的常规结温计算模型的结果进行对比分析,得出的主要结论如下。
a. 风电变流器多芯片并联IGBT模块内部芯片热源之间相互耦合,影响芯片结温的准确评估。 在计算其内部结温时,与边缘位置芯片相比,更需要考虑处于非边缘位置的硅芯片受热源耦合的影响。
b. 功率模块内部芯片间耦合热阻抗参数的研究表明,芯片间的热耦合影响与芯片的间距有关,且随着芯片间距的增大而减小。 当芯片间距大于10 mm时,可忽略其热耦合因素的影响。
c. 与变流器实测壳温及有限元结果的比较表明,多芯片并联工作模式下,现有常规热网络模型得到的结温结果偏小,而本文提出的基于耦合热阻抗矩阵的改进热网络结温计算模型能很好地反映多芯片热源的影响,实现更有效的芯片结温评估。
多热源联合供热环状管网运行分析 篇2
1. 多热源联合供热的技术可行性分析
多热源联合供热在技术上是否可行, 是否能达到预期效果, 是否能实现良好的供热能力, 是我们设计技术人员必需面对的首要问题。
1.1 可行性的关键是良好的水力工况
一种供热方式和供热系统在技术上是否可行, 是指在供暖期能否满足用户供热质量, 通过实践, 多热源供热时, 只要通过对热源的循环水量, 供、回水压力的集中调节, 各热力站和用户局部调节, 就可获得良好的水力工况。
1.2 多热源系统供暖的方式
1.2.1 热网全部为间接式供暖。
由于间接式供暖是把热网分成相对独立的系统, 许多相互影响的因素可以分时处理, 使运行中的调节工作得到简单化。各热源间的协调可在一次网中解决, 对于用户的水力工况可以在二次网中解决。
1.2.2 热网由间接与直接混合供暖。
由几个单热源系统组合成多热源系统, 将原有的间接供暖与直接供暖方式在一次网中连在一起, 形成直接与间接并存的运行模式。
1.2.3 热网全部为直接混水式供暖。
因直接混水式供暖存在许多缺点, 所以多热源联合供热不宜用这种方式供热。
2. 多热源联合供热环状管网系统运行方案的确定
由于多热源联合供热, 对供热量的调节和热网水力工况的调节比单热源系统复杂, 因此必须根据各地区的特点、供热系统的方式 (直接与间接供暖、间接供暖) 、各热源运行时间长短及系统设备配置等具体情况, 选择最经济可行的方案投入进行运行。但不论何种方案, 都是由质调、量调、质与量调相结合的方式组合成不同的运行方案, 以达到多热源联合供热环状管网系统调节的灵活、运行的方便。下面就两个比较典型的运行方案做详细说明。
2.1 整个采暖期采用恒定流量的质调节运行方式
在这种运行方式下, 主热源出口循环水量按整个供热区域总设计热负荷确定, 供热初期由主热源向全网供热, 直至达到主热源最大供热量后, 开始启动调峰热源;在调峰运行期间, 降低主热源出口的循环水量, 使热网总循环水量保持不变, 运行时各热源均控制在相同的供回水温度, 并随着室外温度的降低逐步加大调峰热源的供热量, 而主热源的供热量保持在最大值不变。此方案有如下特点:
2.1.1 按全区总设计热负荷确定设计流量, 流量大, 管网投资运行电耗大, 因此热源宜选用变频调速泵。
2.1.2 整个采暖期按质调节曲线供热, 水温低, 热网热损失小, 有利于热电厂的总热能利用率, 热网调节量小。
2.1.3 调峰期间主热源满负荷运行, 有利于主热源效能充分发挥。
2.2 分阶段改变流量的质与量的调节运行方式
这种运行方式是按主热源最大供热能力确定循环水量, 运行期间根据管网系统具体情况将运行期内流量分成几个阶段, 各阶段内保持流量不变, 调峰运行期间系统总流量增加。此方案特点如下:
2.2.1 管网初期投资低, 电能费用低。
2.2.2 可充分利用主热源的年供热能量, 随时调节供热温度, 但对热电厂的热能综合利用效率将受到影响。
2.2.3 调峰期间管网水力工况变化大, 要保持良好的水力平衡状态需要有良好的自控措施。
3. 多热源联合供热环状管网运行中应注意的几个问题
3.1 水力工况的调节
水力工况调节的目的, 是实现不同工况下的系统流量平衡, 在实际操作中可采用以下步骤进行调节:
3.1.1 制定全年运行方案, 最理想的是通过优化调度程序软件进行, 若条件不具备, 可在工程设计的基础上, 尽量做到量化估算。
3.1.2 调整系统工况, 按确定的水力平衡点运行, 在进行操作时, 系统压力必须保持正常, 各循环泵的运行数量和主要参数必须和制定的方案一致。
3.1.3 调整热用户流量, 实现供需平衡, 在系统水力平衡点的调整工作完成后, 把若干个热源枝状供热系统组合成一个多热源联网环状供热系统进行水力工况调节。
3.2 热力工况调节是通过供热系统供、回水温度和系统循环流量的调节, 在实际运用中, 对热源和换热站 (或用户入口) 进行二级调节, 只要供水温度按照设计的调节曲线运行, 同时在用户系统加装流量平衡调节阀进行调节, 就可实现供热热量调节的目的。
3.3 当各热源使用不同燃料时, 在满足运行工况的情况下, 可先利用价格低的热源, 停用高价格热源, 以达到降低运行成本。
3.4 在热源热效不同时, 应首先运行热效率高的热源, 让其热源充分发挥起作用, 在不能满足用户需求时, 再启用其它热源进行调峰。
3.5 在调峰热源投运时, 应采取一切措施使其供热温度尽快达到与主热源一致, 以减少调峰启动造成某些用户温度出现明显或长时间波动, 并尽量保持各热源供、回水温度相同, 以免造成全网一端热一端冷的现象出现。
3.6 对环状管网调节, 原则上应使主环网全面开启, 需要调节时, 只对环网外的分支管线、用户入户处或调峰供热的换热站内的调节阀进行调节。
3.7 对系统循环水量进行调节时, 应使循环水量不低于最小循环水量 (此时最不利换热站压差为0.02MPa) 以免造成流量过低, 出现大量低压差换热站, 增加热网调节难度, 降低调节设备发挥正常的调节作用。
3.8 运行中应尽量按预先确定好的方案运行, 切忌随意改变运行工况, 且运行方案不能选用过多 (一般不宜超过四种, 不包括事故工况) , 以减少热网调节的工作量和由于工况变化造成的热网供热参数频繁波动而对用户供热效果产生的不良影响。
4.结语
供热系统在其运行的过程中, 常常会发生各种各样的事故, 对单热源供热系统, 若有一个部位发生故障, 就会影响全系统的运行, 给供热单位和用户带来很大的损失。若采用多热源联合供热环状管网的供热, 由于热源数目增多, 整个系统供热的安全性、可靠性得到了保证, 若有一个热源和干线出现了问题, 关闭此处管网进行维修, 其它热源仍可正常供暖, 大大提高了供暖系统的稳定性。因此多热源联合供热环状管网的供热, 既有其调节灵活, 运行稳定可靠等优点, 但也有初期投资较大, 运行工况多变等不利因素, 实践证明只要设备配置适当, 运行管理科学就能够很好地发挥其长处, 避免其不足。
4.1 由上面论述可以看出, 多热源联合供热环状管网设计计算完全可行, 特别是计算机的应用将彻底解决这一困难。
4.2 在多热源联合供热环状管网的设计中, 应认真进行多种方案的初投资及相应运行费用的分析比较, 再结合企业自身具体情况, 选择出最经济可行的方案来实施。
4.3 在设计和运行中, 应尽量提高供热系统的自动控制程度, 这是保证供热系统正常、经济运行的重要措施, 特别对多热源环状管网供热系统, 自控程度越高越能发挥其优越性。
4.4 环网建成后, 切忌在管网扩建改造中随意乱改、乱连环网, 确实需要改造时, 则必须进行相应的水力计算后, 确定改造方案再予以实施。
多热源综合干燥中心及其控制系统 篇3
1 多热源综合干燥中心的设施
1.1 干燥房
干燥房包括多个高温干燥室、多个低温干燥室及多个生晒室。干燥房设计高温干燥室、低温干燥室和生晒室沿着干燥房纵向轴线依次排列。干燥房顶部相对于高温干燥室和低温干燥室的部分设置有太阳能集热器的太阳能集热板;而干燥房顶部相对于生晒室的部分, 被设置为可打开的外顶。
干燥室包括:高温干燥室, 干燥温度最高可达120℃;低温干燥室, 最高干燥温度为60℃;生晒室, 利用太阳晾晒, 对物料进行天然的大气干燥。环境气温高于25℃时, 建议使用生晒室进行天然晾晒;如果环境温度低于25℃, 则送入低温干燥室进行干燥。
高温干燥室的四壁和顶部均为三层结构, 也即外墙、保温夹层和内墙。低温干燥室的四壁和顶部均为2层结构, 即外墙和内墙。生晒室的四壁结构与低温干燥室相同, 而顶部则包括与四壁相接的内顶以及与干燥房顶部一体设置的可折叠外顶。其中, 内顶为耐热透光聚酯材料。
1.2 供热部
供热部包括太阳能集热器、热泵供热器、电热供热器、热油循环系统和锅炉。太阳能集热器、热泵供热器、电热供热器三者协同合作, 对热油进行加热, 经过加热的热油输入到各个干燥室中实行干燥。热油循环系统的管路经过太阳能集热部热交换器、热泵供热部的热交换器以及电热供热部的加热器, 再经过高温干燥室或低温干燥室。热油管路上设置有热油控制阀根据干燥室控制器的命令加热或者停止加热。太阳能供热部包括设置于干燥中心屋顶的太阳能采集器、太阳能储热器。热泵供热部包括压缩机、冷凝器、热交换器。电热供热部包括电加热器。锅炉部用以提供干燥过程中所使用的蒸汽。
热油循环系统包括热油加热管路, 通入干燥室内的热油放热管路, 从干燥室排出后经过热泵回收热量的回收管路, 热油存储循环部。
热油循环系统的热油加热管路分为低温加热管路和高温加热管路。低温加热管路经过太阳集热器和热泵供热器加热到预定温度之后, 送入低温干燥室的热油放热管路;高温加热管路经过热泵供热器和电加热器加热到预定温度后, 送入高温干燥室的热油放热管路。
1.3 装卸区
干燥房侧部设置有装卸区, 按物料干燥要求对物料进行堆垛。堆叠好后, 干燥小车上贴上射频标签, 沿着干燥房内设置的轨道进入到指定的干燥室进行干燥。小车达到指定干燥室前之后, 干燥室大门设置的读卡器, 读取标签, 如果标签内信息与干燥室大门读卡器接收到的信息相匹配, 则打开大门, 让小车进入干燥室。干燥完成, 小车沿着轨道返回到装卸区。
1.4 总控制室
总控制室设置有控制系统, 该控制系统包括干燥数据处理装置、热源控制装置、干燥控制装置。干燥数据处理装置, 用于识别物料情况, 确定干燥要求, 获取气候信息, 匹配干燥计划, 计算热量信息, 分配干燥室。热源控制装置, 用于从干燥数据处理装置接收所需热量信息和气候信息, 计算当日太阳能集热器、热泵供热器、电热供热器各自所能提供热量, 制定优化供热方案;并计算中心用电量, 向附近水力或者热力发电站提出用电请求。干燥控制装置, 用于根据所匹配的干燥计划, 控制一个或多个干燥室进行干燥。
2 多热源综合干燥中心的控制系统
2.1 干燥数据处理装置
干燥数据处理装置包括参考干燥计划存储器、图像采集识别器、含水率测定仪, 以及干燥要求输入器、气候监测仪、通信单元、干燥数据处理器。参考干燥计划存储器中存储的参考干燥计划, 包括不同含水率阶段, 干燥室内应保持的干燥温度、干燥湿度、进风量等信息。图像采集识别器对物料进行图像采集及识别, 确定物料种类。含水率测定仪利用电阻原理测试物料的含水率情况。干燥要求输入器用以提供人工输入接口以供用户输入相关干燥要求, 包括物料终含水率、干燥物料量、尺寸等信息。气候监测仪实时监控当日气候、气温, 并通过通信单元向热源控制装置和干燥控制装置发送相关信息。
2.2 干燥数据处理器
干燥数据处理器根据物料种类、含水率及所输入要求信息, 在干燥数据控制装置中匹配参考干燥计划后, 做出调整形成新的干燥计划, 并根据新干燥计划中的温度、湿度变化情况以及物料的处理量来分配干燥室;计算出干燥计划中每日所需及总体所需热量。预处理计算器之后将热量信息发送到热源控制装置, 并将新的干燥计划发送给干燥控制装置。干燥计划的匹配是依照含水率进行的。
2.3 热源控制装置
热源控制装置, 从干燥数据处理装置获取所需热量信息, 并根据气候、日照等信息估算当前太阳能供热部、热泵供热部、电热供热部、锅炉供汽部各自所能提供热能, 计算最佳供热方案, 并执行最佳供热方案, 向干燥室供热, 并向附近水力或风力发电站、热力发电站提出当日用电请求。
热源控制装置包括太阳能供热控制器、热泵供热控制器、电热供热控制器、热油循环控制器、锅炉供汽控制器、通信单元和热源计算控制器。太阳能供热控制器, 用以控制设置于干燥房顶部太阳能采集器的工作。热泵供热控制器, 控制热泵中压缩机、冷凝器、制冷剂、热交换器的工作。锅炉蒸汽控制部, 用以控制提供干燥过程中所使用蒸汽的供给和停止。热油循环控制器, 控制热油的加热、回收及循环等。热源计算控制器, 接收来自干燥数据处理装置发出的热量信息, 并结合天气、气温、风向、湿度等因素计算出当日太阳能集热器所能提供热量;计算当日热泵供热器所能提供热量;通过2个部分的计算, 确定需要电热供热器作为辅助热源需要提供的热量。除了对热油进行加热外, 还需要为锅炉的正常工作提供足够热量。将电加热能耗换算为用电量, 并计算整个中心的其他部件用电量之后, 确定总用电量。通信单元向附近的发电站发出用电请求。附近电站根据用电请求分配电量。
3 多热源综合干燥中心工作过程
物料在堆叠期间, 干燥室控制装置的干燥执行器便启动干燥室预热。当堆叠好物料的小车到达相应干燥室门口, 读卡器读取干燥小车上射频标签确定为本干燥室所需干燥物料之后, 干燥小车从干燥室两端大门沿着小车轨道分别送入干燥室中。干燥小车到达固定位置后, 启动干燥。期间, 干燥执行器根据实时温度传感器、湿度传感器以及含水率测试仪的实时数据, 按照干燥计划调整干燥室温度、湿度, 也即根据干燥计划启动风机控制器、排气控制器、喷蒸控制器、进气控制器和供热控制器实现加热、停止加热、喷蒸汽、停止喷蒸汽、排入新鲜空气和排出湿热气体等工作。风机控制器用于控制风机的转速、方向, 实现干燥。每个风机的风向是可逆的, 进而可更为灵活地控制气流走向。
干燥完成后, 待干燥室内温度下降至室温, 启动干燥小车, 进行卸料, 然后作进一步处理, 如装袋、消毒、再加工等。
4 结语
太阳能、热泵及电热干燥各自具有不同的供热特点, 为了综合利用3种清洁能源并避免资源没有物尽其用, 基于不同物料干燥所需温度、能量的情况, 本文构建了三级能源利用平台及综合干燥中心, 充分利用干燥的能耗, 实现针对性供能。
参考文献
多热源耦合 篇4
1.1 热源情况
1) 宏伟电厂一期最大平稳供热能力为320 MW (1 150 GJ/h) , 运行高峰期受系统压力限制, 可提供305 MW (1 100 GJ/h) 供热负荷。
2) 银浪燃煤锅炉房、八百垧燃煤锅炉房、乘风燃气锅炉房共有14台热水锅炉, 设计总供热能力累计727 MW, 最高可提供700 MW运行负荷。
1.2 供热管网
宏伟电厂、银浪燃煤锅炉房、乘风燃气锅炉房三热源为环网布局, 通过乘风→银浪主线、创业大道沿程主线、安装→东湖主线三热源联网运行, 八百垧燃煤锅炉房为枝状网结构, 通过D N500管线与银浪燃煤锅炉房相连, 实现乘银与八百垧联网运行。
1.3 热力站
现有89座热力站, 全部采用间接连接方式, 使用阿法拉伐板式换热器, 站内设置变频循环泵实现二级网变流量控制, 设置自力式调节阀通过一级网回水实现二级网系统补水定压, 中、高区系统通过变频补水泵实现系统定压, 电动调节阀实现一级网流量远程调控, 各节点设置温度、压力变送器实现运行参数采集并远传至指挥中心。
2 乘银集中供热系统运行调节方案
2.1 系统调节控制原则
2.1.1 全网集中调控原则
各热源负荷分配及全网水利、热力工况调整统一按照集中供热指挥中心指令执行, 运行管理人员统筹考虑系统负荷需求, 结合各阶段热源锅炉房启运情况, 分配各热源启运负荷。
2.1.2 热源择优投运原则
通过测算分析系统各项能源产生单位热量消耗的燃料成本, 以供热经济性为基本原则, 综合考虑系统水力工况布局、热源锅炉房的热效率及供热运行调节难易程度, 确定优先电厂, 其次燃气, 最后燃煤的梯次投运思路, 即采暖初末期充分使用电厂热量, 中期启运乘风燃气锅炉房, 高峰期启运银浪燃煤锅炉房。
2.1.3 质量综合调节原则
供热初末期, 系统调节采用分阶段改变流量的质调节方式, 在供热中、高峰期, 采用热量调节方式, 即保持各热源供水温度基本一致, 根据运行负荷匹配运行流量。同时, 避免质调节过程中由于供热半径大造成的滞后性。
2.1.4 回水定温控制原则
综合考虑各热力站系统设施类别、散热器形式、建筑保温等实际情况, 分别制定各热力站室外温度与回水温度对照运行表, 通过一级网远程流量调节, 控制二级网回水温度, 保证二级网供热系统最不利环路最不利用户的室内温度。
2.2 运行方案的确定
2.2.1 用热负荷确定
分类统计用热设施供热面积, 测算各热力站综合热指标, 并结合系统流程缺陷、墙体保温状况、散热器形式等运行实际进行修正, 明确系统综合热指标, 作为负荷计算依据。
乘银集中供热系统总供热面积1 375.25万m 2, 综合热指标为69.55 W/m 2, 总热负荷为956.53 MW, 小于热源供热总供热热负荷1 005 MW, 热源配备能够满足用热需求。
2.2.2 热源负荷分配
供热指挥中心根据天气预报室外平均温度计算系统整体负荷需求, 并综合考虑日照、风速等气象因素加以修正, 并根据系统运行负荷表分配各热源运行负荷及流量。
2.2.3 热力站运行调节
综合考虑各热力站系统设施功能、散热器形式、建筑保温等实际情况, 按照散热器形式将住宅区热力站划分为翅片散热器住宅、四柱散热器住宅、地热采暖住宅三个类别, 按照设施功能将工业区热力站划分为办公型工业区、厂区型工业区两个类别, 分别编制各热力站室外温度与回水温度对照表, 分类调节一级网循环流量, 控制二级网回水温度, 实现各热力站按需供热。
3 乘银集中供热系统联网运行体会
3.1 确定供热系统“四个运行”管理模式
3.1.1 安全运行
热源相互补充:多热源联网运行中各个热源能够相互补充, 系统安全性显著提高。当四个热源中任意热源出现故障时, 其他三个热源仍可提供65%以上的供热负荷, 保障系统正常运行。
有效区域截断:合理规划供热一级网分段截断布局, 在关键点位加装或更换截断球阀, 确保热网在出现故障应急抢修过程中, 能够有效截断防止事故扩大, 保障系统平稳运行。
3.1.2 满意运行
通过回水定温控制方式, 结合不同时期室外温度与热力站回水温度的对比情况及相应条件下入户测温的实际供暖情况, 三项温度互相验证, 形成闭环控制管理, 并通过无线测温技术对二级管网进行时时回水温度监控, 使各类型用热设施运行标准能够达到统一标准, 有效解决各个热力站、热用户间的高低温问题。
3.1.3 经济运行
建立经济供热一体化管理模式, 由集中供热指挥中心统一调控、统一管理, 以标准供热为目标, 实施热源、热网、热用户“三位一体”精细化管理。
在多热源联网运行系统中, 热源负荷的调整有更多的选择性, 根据各热源锅炉房锅炉实际运行情况, 合理调配各锅炉房的运行负荷, 在满足系统总体负荷的前提下, 最大限度的减少原煤、天然气的消耗, 提高低成本能源 (电厂热量) 使用量, 从而达到降成本不降标准的供热目的。
3.1.4 规范运行
建立一体化的运行体系:对各个热源和热网进行规划整合为统一的供热系统。建立供热分级管理模式, 即集中供热指挥中心执行远程供热调节权, 实行监管职能;基层分公司执行辖区管理监控权, 实行监督职能;基层客服部执行局部监控权, 实行操作职能。
建立模块化的调度指令:由指挥中心下达指令, 按照预定程序执行具体操作, 使指令化繁为简, 提升执行力。
建立制度化的反馈系统:对从指挥中心下达的各项指令, 热源、热力站操作人员要及时反馈, 并对相应调节的情况进行说明。
3.2 夯实供热系统基础保障工作
3.2.1 做细自控系统的保障工作
专业技术人员的储备:无论是供热系统自动化的推广和数字传输的技术应用, 都离不开专业技术管理人员的维护, 每年公司都投入大量的人力物力来培养专业技术管理人员, 提升专业技术人员水平, 通过设立专业技术岗来挖掘和激励自控专业技术人员, 使公司自控、网络、信息等数字化水平不断提升。
操作技术水平的提升:随着供热前沿技术不断的推广应用, 新技术不断完善, 新理念不断更新, 我们的专业技术人员就要不断地提升操作技术水平来适应供热自控科学化的需求。
3.2.2 做实数据传输的保障工作
集中供热指挥中心是供热运行管理的中枢控制机构, 各项指令的下达及调节方案的确定, 需要及时、准确的数据传输作为依据, 加强运行期间的数据传输维护以及夏季检修期间有针对性的优化改造, 将数据传输工作做实, 才能真正实现集中控制管理。
由于热力站实施无人值守的运行管理模式, 在上传各项运行参数的同时, 还要时时传输热力站的监控画面, 以前512 K有线的带宽不能满足数据的传输需求, 为此公司自主研发了无线宽带广域数传技术, 利用免费的公用频段进行传输, 带宽增至10 M既解决了数字平台数据传输的带宽问题, 还每年节省通信费用24万元, 节约了供热运行成本。
3.2.3 做强应急抢修的保障工作
浅谈单管多热源供热系统的优越性 篇5
随着我国供热事业的发展,城市热网规模不断扩大,地下管线日趋复杂,布设困难,同时传统双管系统存在的失调问题难以解决,为了降低供热成本,实现经济、节能运行,本文阐述了一种新型供热系统能很好的满足这些要求。
1 新型系统简介
新型单管供热系统由热源,热网,热用户3部分组成,见图1。
1.主热源;2.辅热源;3.调节阀;4.闸阀;5.加压泵;6.混水泵;7.循环泵
与传统双管系统相比,新型供热系统为单线环状敷设,热网与用户的连接方式为混水直连,热媒顺序流过各热源和用户。热源处循环泵只负责管网及热源的阻力,用户加压泵用以克服用户及其支线的阻力[1]。
用户处加压泵位置可根据主干线压力及用户承压设在供水管或回水管上,用户处混水可由跨接在用户供回水管之间的混水泵,或旁通调节阀来实现。
2 单管系统特点及优势
2.1 单管系统的热力及水力工况
单管系统的水力工况及热力工况相对独立,与传统的双管系统相比,单管系统中,用户各取所需,而且采用分布式变频,主管的流量始终不变,用户流量互不影响,故其水力工况比传统的双管要好。同时传统的双管多热源运行中存在着多个水力交汇点,其位置会随着负荷的变化不断变化,这使得双管多热源的水力工况和运行调节极为复杂[2]。单管系统中由于其水流方向始终一致,即使是多热源联网也不会出现水力交汇点,故其水力工况很好。
2.2 单管系统的灵活性
a)单管系统对于扩网适应性较强,而且扩网对管网的水力工况影响不大。热用户可以是散热器,地板采暖,也可以是空调机组等,符合当前供热末端用户多样性的特点;
b)由于单管系统中是通过提高水温而不是增大水量来提高热量的输送,故辅助热源增加不会改变系统原水力工况,随着热负荷的增长,可以通过在适当位置引入辅助热源和补充热源的方式来提高整个系统的输热量,同时由于单管多热源系统没有水利平衡点,故较传统多热源系统调节方便。
2.3 单管系统的经济和节能
2.3.1 初投资
a)单管系统没有回水管,故减少了回水干管的压力损失,动压线整体降低,管网初投资也降低,同时由于单管系统只有一根管子,在一定热源供热半径的范围内,相对于双管供热系统来说可以节省管材、管道构件以及保温材料;
b)由于现有直埋保温材料耐温性能的限制,直埋技术对供热系统热媒的温度有一定的要求。在单管系统中,随着用户的消耗,管网水温不断降低,在低于一定温度时就可以采用无补偿直埋敷设,具有占地面积小、工程造价低、施工周期短、保温性能好等特点;
c)单管系统降低了管网的压力,可以大量采用直接连接,把传统的换热站变为混水泵站,减少了换热器和占地,大大节省了初投资。
2.3.2 节能
a)由混水泵站代替了传统的换热站,从直观上看,混水站没有换热器,相对间接供热方式可减少换热器的散热损失,所以供热热利用率更高;同时没有换热器,在检修期间相对间接供热方式节省大量的维护费用;
b)传统的双管系统,存在或多或少的节流损失见图2,由于用户之间水力工况的相互影响,分布式变频泵在双管系统中实用性差,但在单管供热系统中却非常适合,用户分布式变频泵和热源循环泵的合理分工,在单管系统中避免了节流损失,实现节能运行[3]。
2.4 单管系统的可靠性及稳定性
2.4.1 用户
在单管系统中,任意用户的发生故障,不会引起其余用户水力工况的变化,以图1所示管网为例,当热用户C发生故障时,关闭用户C支管处的关断阀,此时系统水压图见图3。
图3中虚线部分为用户C水压图,当C户事故关闭时,系统总阻抗不变,主管的循环流量保持不变,水力稳定性系数等于1,虚线部分去除,其余各用户水压图保持不变。各用户节点温度变化参见表1。
由表1可知,用户事故关闭时,对其之前用户节点温度没有影响,之后用户节点温度升高,可通过改变混流比满足用户供水温度要求。
同理,在用户c与d之间新增用户e时,对主管及现有用户的阻抗影响很小,其余用户水力工况依然保持不变,各用户节点温度变化参见表2。
单位为摄氏度
由表2、3可知,在热源温度和管网流量不变的情况下,增加新用户时,对其之前用户温度没有影响,之后用户节点温度降散热器的平均温度降低。此时可通过适当提高主管供水温度或增加管网总流量来解决。当热源流量不变,供水温度145℃/70℃时,参见表4。
可见,与双管系统相比,单管系统无论是增减用户,对其余用户影响较小。
2.4.2 热源
单管多热源系统中,当某一热源发生事故,不能完全投入运行时,系统水力工况不会发生改变,可通过提高其余热源的供水温度和增加流量改善事故区的热力工况。同时由于扩网的需要,当供热系统并入新的热源时,由于仅仅是提高干管水温而不是增大水量来提高热量的输送,故系统的水力工况不会发生改变,供水节点温度发生改变的用户,可通过改变混流比满足其温度要求[4]。
2.4.3 管网
单管系统管网的可靠性可通过单环加连通管或管线的复线敷设来提高,参见图4
图4中(a)系统是将图1的管网采用复线设计,此时单根管径按总负荷的70﹪来选,起到了互为备用的作用。两根管所带负荷应尽量相同,中间的连通管增加了管网的可靠度。(b)系统是在图1单环系统中适当添加连通管以增加管网可靠度。
3 结语
作为一种新型的集中供热系统,单管多热源系统运行工况稳定,设计灵活,便于多热源的联网与运行,能够很好适应供热系统多变、多样性的特征;新型系统中用户分布式变频泵和热源循环泵的合理分工消除了传统双管系统的节流能耗,实现了节能运行;该系统动水压线整体降低,使得直联用户增多,减少了换热站的设置数量,降低了集中供热初投资;同时单管复线敷设可大大增加管网的后备能力和可靠性,具有传统供热系统不具备的优越性。
参考文献
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[2]赵鑫,赵安平.多热源区域供热系统的环网和调节[J].区域供热,2003(4):7-10.
[3]李志平,翁杰.混水直连供热系统的节能分析[J].河北电力技术,2004,23(4):47-49.
多热源耦合 篇6
1.1 集中供热
集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒, 利用一个或多个热源通过供热管网、热交换站等, 向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。现在普遍采用的是间接连接方式, 即:热源输出热水经一级网送往各换热站进行热交换, 然后经二级网送往各热用户。集中供热已成为我国北方冬季供暖的主要形式。
1.2 多热源联网运行
多热源联网是指2个及2个以上热源组成1个热网系统为用户供热。以物业管理一公司为例, 热源有三个, 分别为宏伟电厂热源、登峰锅炉房热源和区域调峰锅炉房热源。在采暖初期和末期室外温度较高、管网需求热量少于电厂供热量时, 宏伟电厂单独供热。当室外温度降低, 电厂热量达到上限, 则与登峰锅炉房联网, 除使用电厂热量外, 还使用部分锅炉房热量。温度继续降低, 则陆续启用调峰锅炉房。
使用多热源联网运行:
(1) 可以有效的分配和使用整个管网的热量。由主热源承担基本热负荷, 调峰热源承担调峰热负荷, 更多的设备能够在满负荷下高效运行, 极大的减少区域锅炉房的运行时间, 做到节能和降低成本。
(2) 可以提高整个供热系统运行的安全性与可靠性。当其中某个热源出现故障, 停止或减少对外供热时, 另外的热源可以进行替代和补充, 比起单一热源, 更能保持供热运行过程的稳定。
(3) 可以适应城市发展需求。随着城市发展, 集中供热面积在不断扩大, 多热源联网有利于提高供热系统可扩展能力。
2 集中供热远程监控系统
2.1 产生背景
换热站是连接热源和热用户之间的重要中间环节, 能够直接影响供热的安全与质量。过去换热站大都采用人工监控、手动调控, 工作人员工作量大, 工作效率低, 而且在出现事故隐患时难以发现, 易造成设备事故;同时, 各换热站都独立运行, 难以达到供热系统整体最佳状态, 易造成热力失衡, 影响供热效果。
如果有了远程实时监控系统, 就可以把热源和换热站的运行参数实时传输至监控中心, 不仅减轻了换热站工作人员的劳动, 指挥人员更可随时观察各站参数, 了解当前和历史数据, 实现全网的统一调配、协调工作, 并及时调整运行工况达到最合理的水平。远程监控更可以及时发现问题, 指挥人员可以通过换热站参数变化及实时报警信息, 了解系统的异常情况, 及时下达指令, 避免事故的发生。
集中供热远程监控系统是现代计算机技术、通讯技术以及自动控制技术相结合而发展起来的, 在实际生产指挥过程中能发挥很重要的作用。
2.2 工作原理及组成
集中供热远程监控系统的工作原理是换热站本地采集数据, 然后通过数据传输系统利用公共通讯网络平台将数据传输到监控中心, 由此在监控中心建立起一个热力生产信息共享平台, 这个平台上的数据由服务器发布, 可以通过互联网络实现远程浏览。
整个远程监控系统由三部分组成。
2.2.1 换热站的自动控制系统
换热站自控系统主要由以下3个部分组成:
(1) 各种测量仪表及传感器:用于对换热站各种运行参数如:一二级网的供回水温度、压力、流量等进行测量并转化为可用的电信号。
(2) 执行机构:用于对循环泵及一级网供水调节阀进行调节, 主要由变频器、电动调节阀组成。
(3) PLC和嵌入式触摸屏:PLC用于对传感器读取的数据进行处理, 并实现相关自控算法、发出控制指令, 并与监控中心上位机进行通讯, 嵌入式触摸屏可以对换热站的运行参数进行就地监控与调节。
2.2.2 换热站与监控中心之间的通讯系统
各换热站独立工作的同时, 利用通讯系统将现场数据实时发送给监控中心, 方便供热企业进行集中管理, 并通过通讯网络接受监控中心相应的指令, 实现供热运行的动态跟踪监视及远程控制。
物业管理一公司采用的主要是ADSL通讯方式。这种通讯方式是借助换热站原有的电话线, 只需申请ADSL宽带接入服务, 安装ADSL MODEM后即可接入Internet。个别较偏远站点使用SCDMA无线通讯方式。
2.2.3 监控中心的监控及网页发布系统
物业管理一公司监控系统按功能分为实时纵览与报警、换热站管网图和流程图、历史曲线、温压棒图、控制管理几部分。
实时纵览与报警:监控系统的主界面能够显示热源和全部换热站的运行参数, 包括一级网供、回水压力, 温度;二级网分、回水缸压力, 温度;流量;热量等, 有利于各热力站的横向对比。当数据超出预先设定上下限或出现错误时, 会启动报警, 并实时记录报警情况。
换热站管网图和流程图:管网图以平面地图形式展示不同地理位置的换热站, 点击换热站的名称就可进入该换热站流程图, 流程图直观显示换热站的设备布局、详细运行参数, 还可以看到阀门开度, 泵的电流和运行状态。
历史曲线:显示温度、压力、流量等历史数据的曲线记录, 随时查询。
温压线图:采用曲线图的形式显示供回水温度、压力的数值, 采用这种方式对管线沿线压降、温降变化具有直观简洁的观察特点。
控制管理:远程控制站内阀门的开度, 从而调节一级网进站流量和二级网供水温度, 进一步对热量进行分配。
网页发布系统可以为指挥人员提供快速的实时数据查看, 详尽的历史数据查看, 准确的数据汇总, 形象的曲线分析。
网页发布监控系统分六大功能子模块:登录, 管网地图导航, 多站参数浏览, 曲线图表分析, 运行情况查询, 统计报表查询。
登录:设置用户名和密码, 分配权限。
管网地图导航:提供准确的站点信息和实时数据, 单站点详细数据查询。
多站参数浏览:提供多站点的一次完整、任意参数浏览, 实现数据动态监控。
曲线图表分析:提供耗热量、补水量分析表查询。
运行情况查询:提供各站点参数超标量的详细查询, 详尽报警信息查询。
统计报表查询:提供单站日报表查询, 月报表查询, 供热一览表实时/历史查询汇总。
3 结束语
公司引入集中供热远程监控系统后, 取得了良好的效果。现在每日只需要2名指挥人员即可对所有的换热站进行管理, 减少了大量的人力, 并且实现了对换热站的集中调度, 分散控制;实现了高速、实时的数据采集、处理和传输;利用计算机网络实现了数据共享。为企业创造了经济效益, 为实现科学化、精细化、安全平稳供暖提供了有力的技术保障。
参考文献
[1]吕德臣, 刘波, 孔庆君.城市集中供热监控系统的组成及应用[J].区域供热, 2004[1]吕德臣, 刘波, 孔庆君.城市集中供热监控系统的组成及应用[J].区域供热, 2004
[2]戴斌文, 邓宇春.集中供热网的计算机监控系统[J].中国建设信息供热制冷, 2004[2]戴斌文, 邓宇春.集中供热网的计算机监控系统[J].中国建设信息供热制冷, 2004