一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统的制作方法

本实用新型涉及喷淋热湿交换领域，尤其涉及一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统。

背景技术：

矿井回风的温湿度常年保持恒定，温度范围约为15℃～30℃，相对湿度大于90％以上，矿井回风的流量约为50m³/s～500m³/s，是一种低温余热资源，目前用于矿井回风余热回收的装置或系统，多利用热交换器或喷淋塔回收矿井回风中的余热资源，其中喷淋式是矿井回风与循环喷淋水直接逆流接触的热湿交换方式，夏季循环喷淋水的温度约为32℃～37℃，矿井回风与循环喷淋水热湿交换后，循环喷淋水的部分热能转移到矿井回风中，矿井回风吸热吸湿，其温度、相对湿度和焓均升高，循环喷淋水温度降低；冬季循环喷淋水的温度约为8℃～12℃，经热湿交换后矿井回风温度和相对湿度均降低，循环喷淋水吸热后温度升高，矿井回风的部分热能转移到循环喷淋水中。

目前实际应用于矿井回风喷淋换热装置常根据经验设定喷淋参数，缺少系统控制方法，由于矿井回风的温度和相对湿度是影响热湿交换效率的主要因素，经验调节方法不易得到较高热湿交换效率，与用户侧负荷匹配困难，与大气环境参数的适应性低，同时造成机械设备能耗浪费，此外矿井回风的风量大、风井阻力大，合理调节矿井回风风量和循环喷淋水水量的配比成为影响矿井回风余热回收供热系统效率的重要因素。

一种矿井回风部分废能回收利用系统(公布号：CN202442550U)、一种矿井回风余热回收利用系统(公布号：CN205980886U)、矿井乏风余热利用装置(公布号：CN202281419U)、矿井回风能量利用方法与装置(公布号：CN101696833A)、矿井回风热回收利用的方法及装置(公布号：CN1916368A)通过热交换器实现能量传递，但是热交换器只能回收余热中的显热部分，余热资源中的潜热量仍无法回收，单一显热回收效率较全热交换效率低；矿井回风余热回收利用装置(公布号：CN204373452U)、矿井热及湿源能量采集利用系统(公布号：CN103398510A)、一种基于矿井回风热能的水源热泵(公布号：CN205174927U)、一种矿井通风降温及余热利用系统(公布号：CN104213931A)、矿井回风热能提取装置(公布号：CN201133774Y)、一种矿井回风部分废能回收利用系统(公布号：CN202442550U)、一种矿井回风源热泵系统(公布号：CN201852361U)、矿井热及湿源能量采集利用系统(公布号：CN203432151U)都提出了一种矿井回风喷淋系统，但未对系统调节和控制方法进行研究；一种基于多参数的矿井喷淋换热效率计算方法的喷淋系统(公布号：CN105807609A)提出了一种矿井回风喷淋系统的控制方法，但是没有考虑大气环境参数和供热负荷的动态变化；一种利用云处理的矿井余热回收的系统与方法(公布号：CN105806144A)通过云处理的手段在运行管理方面对矿井余热回收系统进行管理和控制，但对系统参数的优化研究和控制不足；一种喷淋式矿井回风换热器性能评价指标的确定方法(公布号：CN105139117A)提出了矿井回风换热器的效率计算方法，但对计算参数的内在规律和换热优化方法研究不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供了一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统，要解决的核心技术是通过控制方程动态控制矿井回风余热回收供热系统喷淋换热的最优水气比，使得矿井回风喷淋换热系统的热湿交换效率最优，且矿井回风余热回收供热系统的能效比最高。

本实用新型提出了一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统，其核心技术包含三个方面内容：一是通过控制方程调节变频系统，得到最匹配负荷侧的回收热量，以减少过余传热量，减少水泵、热泵机组等机械能耗；二是将负荷侧动态变化及时反馈到控制方程，控制方程自适应调整后重新调节变频系统，如此循环得到最优的矿井回风喷淋换热系统的热湿交换效率，即有效回收的低品位热能利用效率最高；三是自适应控制方程的监测，防止自适应方程严重偏离控制目标，同时可以监测和记录系统的状态参数，保证自适应控制的安全性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提出了一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统，包括矿井回风喷淋换热系统、低品位热能提升系统、负荷侧供热系统和自适应控制系统；所述矿井回风喷淋换热系统回收矿井回风中的显热量和潜热量，经过所述低品位热能提升系统提升为较高品位热量，提供给所述负荷侧供热系统使用；所述自适应控制系统对矿井回风喷淋换热系统、低品位热能提升系统和负荷侧供热系统进行监测、控制、反馈和调节。

进一步的，所述矿井回风喷淋换热系统包括喷淋塔、矿井回风风机、喷淋管排、喷淋水循环水泵、汇水池和第一储热水箱，喷淋水循环水泵通过喷淋管排在喷淋塔中喷洒喷淋循环水与矿井回风逆流换热，喷淋水回收矿井回风中的显热量和潜热量后汇集到喷淋塔底部的汇水池中，喷淋回水经水处理后进入所述低品位热能提升系统，第一储热水箱和第二储热水箱用于缓冲系统调节引起的波动；

所述低品位热能提升系统包括热泵机组和第一水处理设备，喷淋回水经水处理后进入热泵机组中提升为较高品位热量；

所述负荷侧供热系统包括采暖末端及其管网、生活热水及其管网、井口防冻换热器、供热循环水泵、第二水处理设备和第二储热水箱，热泵机组产生的高温水供负荷侧供热系统使用。

再进一步的，所述自适应控制系统包括监测单元、PLC模块、HMI人机界面和执行单元；其中监测单元完成各测点的温度、湿度、风速、流量、液位高度数据的采集，将数据传输到PLC模块进行处理和存储；HMI人机界面用于显示PLC模块采集的数据，并完成设置启动参数和特定工况的人机交互功能；执行单元用于执行PLC模块的处理结果。

再进一步的，所述自适应控制系统的监测单元包括矿井回风温度传感器、矿井回风湿球温度传感器、矿井回风风速传感器、喷淋循环水回水温度传感器、喷淋循环第一储热水箱液位传感器、喷淋循环水供水温度传感器、喷淋循环水流量传感器、供热循环水回水温度传感器、井口防冻换热器回水温度传感器、井口防冻换热器供水温度传感器、采暖用户系统回水温度传感器、采暖用户系统供水温度传感器、生活热水供水温度传感器、大气环境湿度传感器、大气环境温度传感器、供热循环水供水温度传感器、供热循环水流量传感器、供热循环第二储热水箱液位传感器、矿井回风喷淋出口温度传感器、矿井回风喷淋出口湿球温度传感器、采暖用户系统循环水流量传感器、矿井送风风速传感器、井口防冻换热器出口空气温度传感器、井口防冻换热器循环水流量传感器、生活热水流量传感器。

再进一步的，在系统待启动的情况下，当HMI人机界面和PLC模块得电后即可对其进行操作，按照顺序依次打开回风风机、喷淋水循环水泵、供热循环水泵、热泵机组和相关阀门，之后在HMI人机界面中给定系统运行的常规初始参数，使得系统能正常启动运行，PLC模块以固定时间单元进行数据处理和运行调节，计算出负荷侧供热系统所需要的总热量，依据热泵机组能效比计算出矿井回风喷淋换热系统回收的热量，根据矿井回风经喷淋换热前后的状态点参数计算出需用回风风量和矿井排风量，再利用水气比优化函数和相关测量数据计算得到喷淋循环水量，再通过PLC模块控制变频器以调节风机和水泵频率，减少水泵和热泵机组机械能耗；式中cp,a为矿井回风的比热容；Ta,in为矿井回风的入口干球温度；Tw,in为喷淋循环水的入口温度；γ为矿井回风的汽化潜热；da,in为矿井回风入口的含湿量；dw,in为矿井回风出口的含湿量；cw为喷淋循环水的比热容。

再进一步的，自适应控制系统还需要适应负荷侧供热系统的逐时变化，将自适应控制系统中采集的相关能耗模拟参数传输到模拟软件中进行计算，并将计算的模拟采暖热负荷结果传输到PLC模块；因作息和季节的变化在不同时间段生活热水量也不相同，将生活热水水温控制在一定范围以保证舒适的用水温度，当生活热水水温传感器采集的温度低于(高于)目标温度范围则提高(降低)当前生活热水的温度，加热量按当前热水需用量和待提高(降低)温差确定；井口防冻换热器的散热量也受冬季昼夜、大气温度变化的影响，井口防冻换热器盘管的温度保持在一定温度内以保证井口防冻的安全性，当井口防冻换热器传感器采集的平均温度低于(高于)目标温度范围则提高(降低)当前温度，加热量按待提高(降低)温差确定，将以上三种供热需用量之和作为负荷侧供热系统总热负荷，根据负荷侧供热系统总热负荷等于矿井回风余热的储热量，进而得到最优水气比下的喷淋循环水量，如此循环往复实现动态自适应的运行调节，使得需用供热量和供热负荷的相对一致。

再进一步的，自适应控制方程需要连续监测，防止调节混乱或者严重偏离，为了保证自适应调节方法的稳定性和有效性以及系统的安全性，需要利用相关参数的测量结果对系统当前最优水气比和广义水气比进行计算比较，当误差小于5％时认为自适应调节有效，否则将重新进行调节，另外需要监测采暖实际供热量与采暖模拟热负荷是否匹配可利用Q′n＝Vncp,w(tn,1-tn,2)，定义要求两者的相对误差小于10％，式中Q′n为采暖实际供热量；Vn为采暖管网的循环水量；cp,w为热水的比热容；tn,1为采暖供水管网入口温度；tn,2为采暖回水管网出口温度。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果如下：

本实用新型提出了一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统，使得矿井回风余热回收供热系统达到其最优的热湿交换效率和能效比，能逐时监测系统的运行状态并进行指定的运算和控制，提高了系统运行的准确性和目标性，节能和节水效果明显，解决了外界环境状态和用热负荷时刻变化与热湿交换效率适应性低的问题，系统应用参数化调节和变频器等控制方法实现了变工况矿井回风喷淋换热器高效调节。

附图说明

下面结合附图说明对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型矿井回风余热回收供热系统的自适应控制系统的测点布置图。

图2是本实用新型矿井回风余热回收供热系统的自适应控制系统的结构示意图。

图3是本实用新型矿井回风余热回收供热系统的自适应控制方法流程图。

附图标记说明：1、喷淋塔；2、汇水池；3、矿井回风风机；4、喷淋管排；5、喷淋循环水水泵；6、第一水处理设备；7、热泵机组；8、第一储热水箱；9、供热循环水泵；10、井口防冻系统；11、采暖用户系统；12、生活热水系统；13、PLC模块；14、HMI人机界面；15、矿井回风喷淋入口温度传感器；16、矿井回风喷淋入口湿球温度传感器；17、矿井回风风速传感器；18、喷淋循环水回水温度传感器；19、喷淋循环第一储热水箱液位传感器；20、喷淋循环水供水温度传感器；21、喷淋循环水流量传感器；22、供热循环水回水温度传感器；23、井口防冻换热器回水温度传感器；24、井口防冻换热器供水温度传感器；25、采暖用户系统回水温度传感器；26、采暖用户系统供水温度传感器；27、生活热水供水温度传感器；28、大气环境湿度传感器；29、大气环境温度传感器；30、供热循环水供水温度传感器；31、供热循环水流量传感器；32、供热循环储第二储热水箱液位传感器；33、第二储热水箱；34、第二水处理设备；35、矿井回风喷淋出口温度传感器；36、矿井回风喷淋出口湿球温度传感器；37、采暖用户系统循环水流量传感器；38、矿井送风风速传感器；39、井口防冻换热器出口空气温度传感器；40、井口防冻换热器循环水流量传感器；41、生活热水流量传感器。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种自适应控制的矿井回风余热回收供热系统，本实用新型根据热力学和传热传质学的基本理论，一定质量的空气和水逆流传热传质过程中，空气与水进行全热交换，空气变成了饱和湿空气，且饱和湿空气与水的温度相同，此过程称为气-水理想传热传质过程，此过程中传热传质能量守恒式为：cp,airGair(Tair,in-Tair,out)+γGair(dair,in-dair,out)＝cwW(Tw,in-Tw,out)，式中cp,air为湿空气的比热容；Gair为湿空气的质量；Tair,in为湿空气的入口干球温度；Tair,out为湿空气出口干球温度(饱和湿空气的温度)；γ为湿空气的汽化潜热；dair,in为湿空气入口的含湿量；dair,out为湿空气出口的含湿量；cw为水的比热容；W为水的质量；Tw,in为水的入口温度；Tw,out为水的出口温度，当给定湿空气状态和质量，经过理想传热传质过程，空气的出口干球温度等于水的入口温度，水的出口温度等于空气的入口湿球温度，此外热力学第二定律表明可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程，对于饱和湿空气与水逆流无能量损失的传热传质过程，可视为理想传热传质过程，即得到理论热力学最优化水气比方程式中dSTair,in为水的入口温度下饱和湿空气的含湿量。

本实用新型依据上述湿空气的热湿交换理论，可在矿井回风余热回收工程中应用，实际矿井回风余热回收供热系统工程项目常包括矿井回风喷淋换热系统、低品位热能提升系统、负荷侧供热系统、自适应控制系统四个部分。

上述矿井回风喷淋换热系统包括喷淋塔1、矿井回风风机3、喷淋管排4、喷淋水循环水泵5、汇水池2和第一储热水箱8，喷淋水循环水泵通过喷淋管排在喷淋塔中喷洒喷淋循环水与矿井回风逆流换热，喷淋水回收矿井回风中的显热量和潜热量后汇集到喷淋塔底部的汇水池中，喷淋回水经水处理后进入热泵机组，第一储热水箱能缓冲系统调节引起的波动，矿井回风喷淋换热系统的自适应控制系统需要采集回风断面若干点位的风速来确定回风量，在喷淋管排的供水干管上采集喷淋循环水的流量，利用回风风量和喷淋水的流量可以得到当前状态的水气比，还需要采集矿井回风的干湿球温度，喷淋循环水喷头前的温度和汇水池中的水温，回风风机和循环水泵都加装变频器无级变速控制转数。

上述低品位热能提升系统包括热泵机组7和第一水处理设备6，使矿井回风余热在以热泵机组为主要部分的低品位热能提升系统中提升为较高品位热量，其特征为热泵机组的能效系数大于1，自适应控制系统采集热泵机组蒸发器进出口温度和冷凝器进出口温度，用来监测热泵机组的运行状态和计算热泵机组的能效比，为保障热泵机组运行安全稳定，进出热泵机组的循环水都要经过第一水处理设备做净化除氧等处理。

上述负荷侧供热系统包括采暖末端及其管网、生活热水及其管网、井口防冻换热器、供热循环水泵9、第二水处理设备34和第二储热水箱33，井口防冻换热器为井口防冻系统10的部件，采暖末端及其管网为采暖用户系统11的部件，生活热水及其管网为生活热水系统12的部件，热泵机组冷凝器产生的高温水供采暖用户、生活热水、井口防冻负荷侧供热系统使用，自适应控制系统采集采暖管网的供回水温度和流量、生活热水管网的供水温度和流量、井口防冻换热器进出口水的温度和流量、井口防冻换热器进出口空气的温度和流量，即可得知各用热单元参数化运行情况和热负荷变化。

上述自适应控制系统是矿井回风喷淋换热系统重要的组成部分，包括监测单元、执行单元(反馈功能单元)、PLC模块13以及HMI人机界面14，监测单元将采集到的数据传输到PLC模块，在PLC模块的程序运行下完成整个矿井回风余热回收供热系统的监测、控制、反馈和调节等任务，HMI人机界面可以显示PLC模块采集的数据，并完成设置启动参数和特定工况等人机交互功能。

自适应控制系统的数据监测单元包括矿井回风喷淋入口温度传感器15、矿井回风喷淋入口湿球温度传感器16、矿井回风风速传感器17、矿井回风喷淋出口温度传感器35、矿井回风喷淋出口湿球温度传感器36、喷淋循环水回水温度传感器18、喷淋循环水供水温度传感器20、喷淋循环水流量传感器21、喷淋循环第一储热水箱液位传感器19、供热循环水回水温度传感器22、供热循环水供水温度传感器30、供热循环水流量传感器31、供热循环第二储热水箱液位传感器32、井口防冻换热器回水温度传感器23、大气环境温度传感器29、大气环境湿度传感器28、井口防冻换热器供水温度传感器24、井口防冻换热器循环水流量传感器40、井口防冻换热器出口空气温度传感器39、井下送风风速传感器38、采暖用户系统回水温度传感器25、采暖用户系统供水温度传感器26、采暖用户系统循环水流量传感器37、生活热水供水温度传感器27、生活热水流量传感器41以及执行单元包括变频器等调节机构。

上述自适应控制系统涉及其自适应控制方法是在矿井回风喷淋换热系统所有设备和构件都安装调试运行正常的条件下由自控系统负责日常的运行和调节功能，在系统完全停止的情况下，当HMI人机界面和PLC模块得电后即可对其进行操作，按照顺序依次打开回风风机、喷淋水循环水泵、供热循环水泵、热泵机组和相关阀门，之后按常规参数在HMI人机界面中给定系统运行的初始参数，使得系统能正常启动运行，系统以时间单元进行数据处理和运行调节，根据Q＝Qn+Vdρaircp,air(td,1-td,2)+Vscp,wts计算供热负荷侧所需要的总热量，式中Q为供热侧总热负荷；Qn为通过桥接的能耗模拟软件所计算的采暖热负荷；Vd为通过井口防冻换热器的室外空气体积流量；ρair为当地气压环境下的空气密度；cp,air为环境中空气的比热容；td,1为通过井口防冻换热器管网后空气的出口温度；td,2为进入井口防冻换热器管网的空气入口温度；Vs为生活用热水量；cp,w为热水的比热容；ts为生活用热水的供水温度，依据供热侧总热负荷等于热泵机组输出的总热量，热泵机组能效比定义为式中COP为热泵机组的能效比，Q0为矿井回风喷淋换热系统回收的热量，热泵机组的能效比随运行工况变化而变化，根据前一时间段内的热泵机组能效比来计算出矿井回风喷淋换热系统回收的热量，再根据矿井回风状态点经过喷淋换热前后温湿球温度参数得到矿井回风喷淋换热系统需用风量式中ha,in＝0.0595ts,in²+1.1066ts,in+11.892，ha,out＝0.0595ts,out²+1.1066ts,out+11.892，Ga为矿井回风喷淋换热系统需用风量，ha,in为矿井回风喷淋进口焓，ha,out为矿井回风喷淋出口焓，ts,in为矿井回风喷淋进口湿球温度，ts,out为矿井回风喷淋出口湿球温度，由于矿井回风常为定流量，因此需要将矿井回风喷淋换热系统需用风量之外的矿井回风不经过喷淋换热旁通排出，矿井排风量Gp＝Gh-Ga，式中Gp为矿井回风排风量，Gh为矿井回风总风量，之后利用水气比优化函数和相关参数的测量结果计算最优水气比，式中cp,a为矿井回风的比热容；Ta,in为矿井回风的入口干球温度；Tw,in为喷淋循环水的入口温度；γ为矿井回风的汽化潜热；da,in为矿井回风入口的含湿量；dw,in为矿井回风出口的含湿量；cw为喷淋循环水的比热容，从而利用W＝βGa运算得到喷淋循环水量，在矿井回风余热回收系统中，回风风机的转数通常为定值，根据水泵的运行特性曲线，通过PLC控制变频器以调节水泵频率，达到控制喷淋循环水量的目标，实现减少过余传热量，减少水泵、热泵机组等机械能耗的目的，通过这种控制技术达到供热量和需用热量的相对一致。

当大气环境温度发生变化时引起室内采暖负荷变化，所述的自适应控制系统还需要适应负荷侧的逐时变化，为此通过反馈调节实现，在自控系统中采集工程所在地每个时刻的大气环境参数，室内温湿度参数将被传输到模拟软件中进行模拟分析计算，并将模拟计算的采暖热负荷结果传输到PLC模块；因作息和季节的变化在不同时间段生活热水量也不相同，为了将生活热水水温控制在35℃～43℃的范围以保证舒适的洗浴和卫生用水，当最远端生活热水水温传感器采集的温度低于(高于)目标温度范围则提高(降低)当前生活热水的温度，补偿热量按当前热水需用量和待提高(降低)温差确定；井口防冻换热器的散热量也受冬季昼夜大气温度变化的影响，为了保证送入井下的新鲜空气经过井口防冻换热器盘管后的温度保持在3℃～5℃范围内以保证井口防冻的安全性和有效性，当井口防冻换热器传感器采集的井口防冻换热器出口空气平均温度低于(高于)目标温度范围则提高(降低)当前井口防冻换热器盘管入口的供水温度，补偿热量按供水循环水流量和待提高(降低)温差确定，将以上三种供热需用量之和作为供热侧总热负荷。

上述系统运行中供热侧总热负荷随时间不断变化，本系统按1小时为时间单元进行数据处理和系统调节，并按照上述过程和运算实现动态循环自适应的运行调节。

上述自适应控制系统所提出的自适应控制方程需要连续监测，防止调节混乱或者严重偏离，为了保证自适应调节方法的稳定性和有效性以及系统的安全性，需要利用相关参数的测量结果对系统当前最优水气比和广义水气比进行计算比较，并定义当Δ≤5％时认为自适应调节有效，否则将重新进行调节，另外需要监测采暖实际供热量与采暖模拟热负荷是否匹配可利用Q′n＝Vncp,w(tn,1-tn,2)，式中Q′n为采暖实际供热量；Vn为采暖管网的循环水量；tn,1为采暖供水管网入口温度；tn,2为采暖回水管网出口温度，定义要求两者的相对误差小于10％。

上述自适应控制系统所需采集的测点参数，均需要剔除偏离趋势的数据噪点，再进行平均数和正则化处理后传输到目标地址，完成后续计算。

以上所述的实施仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。