多物理场调控的固废基高温储热系统模式切换控制方法与流程

本发明涉及工业固体废物资源化利用、能源可持续供应以及建筑节能，具体涉及一种基于多物理场协同调控的固废基高温储热系统模式切换控制方法。

背景技术：

1、在固废基高温储热系统领域，目前已有技术如cn120212555a和cn120300642a提供了熔盐储热容量调控和配电柜制氢电源的解决方案。

2、cn120212555a提出了一种基于深度学习和自适应pid控制器的熔盐储热系统，能够实时监测系统状态并进行精准调控，但该方法在模式切换时，如从储热模式快速切换到放热模式时，存在蒸汽参数超调和响应速度慢的问题，导致系统效率和稳定性受限。此外，熔盐的高温腐蚀问题也影响了系统的长期运行和寿命。

3、cn120300642a虽然在制氢电源用配电柜方面实现了高效率和智能安全控制，但并未涉及固废基高温储热系统的模式切换控制，且其散热系统设计与本发明的多物理场协同调控技术思路不同。

4、针对上述技术不足，本发明提出了一种基于多物理场协同调控的固废基高温储热系统模式切换控制方法，旨在解决现有技术中模式切换时蒸汽参数超调、响应速度慢以及熔盐高温腐蚀问题，实现系统高效、快速、稳定运行，并延长系统寿命。

技术实现思路

1、本发明提供一种多物理场调控的固废基高温储热系统模式切换控制方法，用以解决上述现有技术存在的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种多物理场调控的固废基高温储热系统模式切换控制方法，其包括以下步骤：

3、s1：使用基材制备固废基梯度复合储热材料；

4、s2：将固废基梯度复合储热材料置入储热单元目标区域，填装完成之后进行密封处理，使其具备储热能力；

5、s3：利用智能控制器实现储热、放热模式之间的动态切换，当处于储热模式时，固废基梯度复合储热材料内部发生物相变化，吸收并存储热量；当处于放热模式时，存储的热量被提取，对外输出作为热源。

6、在本发明的一实施例中，可选的，智能控制器的构建分为三个协同部分：第一部分为前馈补偿模块，第二部分为核心控制模块，第三部分为后馈补偿模块。

7、在本发明的一实施例中，可选的，

8、第一部分前馈补偿模块基于热-流-力-化学四场耦合模型进行构建，前馈补偿模块在模式切换指令发出前，以当前系统状态为初始条件，调用所述四场耦合模型进行快速数值预测，计算出系统关键参数的预测轨迹及潜在的预测超调量，系统关键参数包括蒸汽温度及压力，依据系统关键参数的预测轨迹及潜在的预测超调量，前馈补偿模块生成直接作用于执行机构的前馈控制信号，旨在预先抵消可建模的主要动态扰动，从而显著降低后续反馈控制回路的调节负担，

9、第二部分核心控制模块采用微分先行pid算法，该算法的改进之处在于其微分项仅对系统实际测量值进行微分运算，即微分输出为，有效避免了因设定值阶跃突变而产生的微分冲击，消除了由此引发的系统振荡，同时，核心控制模块具备增益自整定功能，在模式切换的瞬态过程初期自动采用较大比例及微分增益，以实现快速响应，在系统接近稳态时平滑过渡至较小增益，利于稳态精度控制，

10、第三部分后馈补偿模块采用基于模型预警和性能监督的模糊自适应算法，后馈补偿模块持续监测由前馈模块计算出的预测超调量以及系统实际误差与其变化率，当预测超调量超过预设安全阈值或监测到pid控制器的控制性能不佳时，后馈补偿模块被激活，通过内置的模糊规则库，在线实时调整核心pid控制器的比例、积分、微分参数，使pid控制器动态特性与当前系统非线性、时变工况相匹配，确保在最恶劣情况下系统的鲁棒性与稳定性，

11、所述的智能控制器最终输出的总控制信号为前馈控制信号与经模糊自适应优化的微分先行pid输出信号之和，总控制信号控制执行机构的动作，阀门开度由0%至100%连续调节。

12、在本发明的一实施例中，可选的，固废基梯度复合储热材料采用高孔隙率的多孔陶瓷为基体，其孔隙内嵌有高导热碳化硅纤维网络，网络孔隙中再填充nano3-kno3共晶盐作为相变储热介质，

13、所述高孔隙率的多孔陶瓷基体原料为粉煤灰、尾矿、矿渣、泥岩中的一种或多种，

14、所述nano3-kno3共晶盐质量分数≥90%。

15、在本发明的一实施例中，可选的，固废基梯度复合储热材料的制备包括以下步骤：首先将基体原料粉碎至颗粒尺寸小于8mm，清洗烘干之后置入模具内；然后加入混合浆料，压实、养护、脱模；最后进行烧结、研磨及气孔率处理。

16、在本发明的一实施例中，可选的，所述混合浆料的组成及配比为水50-60份、高岭土30-45份、铝粉5-7份、有机粘结剂3-8份。

17、在本发明的一实施例中，可选的，烧结环境气氛为富氧空气，烧结温度为1250-1400°c，保温时间4-6h。

18、在本发明的一实施例中，可选的，研磨至细度200目以下。

19、在本发明的一实施例中，可选的，气孔率处理的工艺参数为：通入气体流量5l/min、气体温度80-100°c、处理时长60-120min。

20、在本发明的一实施例中，可选的，热-流-力-化学四场耦合模型是前馈补偿模块的数学核心，用于描述和预测系统瞬态行为，热-流-力-化学四场耦合模型由以下相互耦合的控制方程构成：

21、（1）热场控制方程：

22、热场控制方程遵守能量守恒，

23、

24、式中，t为温度场，、分别为复合材料与流体密度，、分别为复合材料有效比热容与流体比热容，为复合材料有效热导率，为流体速度场，为相变潜热源项，为化学反应热源项，t为时间，

25、（2）流场控制方程：

26、流场控制方程多孔介质达西流动与质量守恒，

27、

28、式中，为流体压力场，为多孔介质渗透率，为流体粘度，为动态孔隙率，为质量源项；

29、（3）力场控制方程：

30、力场控制方程遵守线弹性平衡与几何耦合，

31、

32、几何耦合关系体现为：

33、动态孔隙率，

34、动态渗透率，

35、式中，为应力张量，为固体位移场，为应变张量，为热膨胀系数；

36、（4）化学场描述：

37、相变过程通过等效热容法在能量方程中体现，潜在的盐类分解反应通过阿伦尼乌斯方程描述反应速率，其反应热汇入化学反应热源项，

38、该模型联立求解，可预测温度未来短时域内的变化轨迹以及流体压力场未来短时域内的变化轨迹，并计算预测超调量。

39、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

40、协同控制，性能优越：通过“前馈预测补偿+微分先行pid+模糊自适应监督”的三级协同控制架构，实现了模式切换过程的快速、平稳、无超调控制，超调量<5%，稳定时间缩短至30-120秒。

41、材料与系统创新结合：梯度复合储热材料设计从本源上改善了储热与导热性能，并结合防腐蚀涂层，与智能控制方法协同，共同解决了熔盐腐蚀与系统响应慢的难题。

42、模型驱动，精准预测：采用四场耦合模型进行前馈预测，使控制行为具有前瞻性，显著克服了大滞后系统控制的固有难点，提高了控制的精确性和系统稳定性。

43、寿命与可靠性提升：上述方法的综合应用，大幅降低了系统在频繁切换工况下的热机械应力与参数波动，从而延长了系统整体使用寿命，提高了运行可靠性。