煙臺航天德魯科技節(jié)能有限公司       韓傳忠

煙臺大學      喬玲敏

摘   要：分布式變頻集中供熱系統(tǒng)作為一種新的供熱系統(tǒng)運行方式，由于其在節(jié)能、調(diào)節(jié)方面的明顯優(yōu)勢，在我國集中供熱系統(tǒng)中得到了越來越多的應用，特別是在改造工程中。然而，分布式變頻集中供熱系統(tǒng)必須以可靠穩(wěn)定的自動控制為基礎，本文以實際工程為例，分析集中供熱系統(tǒng)末端用戶特點，自動控制系統(tǒng)目標，控制策略，自動控制系統(tǒng)框架。并對應用自動控制系統(tǒng)后的供熱運行情況和效果進行分析，以說明自動控制系統(tǒng)在分布式變頻集中供熱系統(tǒng)的重要作用。

關鍵詞：分布式變頻；集中供熱；自動控制

       1   供熱系統(tǒng)概述

       該集中供熱系統(tǒng)采用分布式變頻技術，下設52個換熱站，每個換熱站均設有一級網(wǎng)分布變頻泵，承擔換熱站內(nèi)一次側(cè)阻力和本站與鍋爐房之間管網(wǎng)阻力；熱源側(cè)設置熱源循環(huán)泵，承擔鍋爐房內(nèi)阻力（包括鍋爐阻力和鍋爐房內(nèi)管線阻力）。熱源側(cè)設置連通管，使熱源側(cè)循環(huán)泵與一級網(wǎng)分布泵的控制相互獨立，互不干擾^[1]。熱源側(cè)設有兩臺40t和一臺100t燃煤鍋爐，供暖初期和末期，熱負荷較低，由100t燃煤鍋爐為整個系統(tǒng)提供熱量，供暖中期，隨著熱負荷的增加，相應的再投入兩臺40t的燃煤鍋爐共同為整個系統(tǒng)提供熱量。該供熱系統(tǒng)原理如圖1。

圖1   分布式變頻集中供熱系統(tǒng)原理圖

       2   系統(tǒng)控制目標

       系統(tǒng)的最終控制目標是實現(xiàn)按需所供，按需所供是指用戶需要多少熱量，系統(tǒng)就提供多少熱量，既不多供也不少供，將系統(tǒng)的損耗降低到最少。用戶的需熱量是指在一定室外溫度下，為了達到室內(nèi)設計溫度，需要提供的熱量，因此室內(nèi)溫度可以反應供熱系統(tǒng)是否實現(xiàn)了按需所供，然而全面、準確地測量所有建筑物的室內(nèi)溫度是不現(xiàn)實的，所以只能通過與室內(nèi)溫度關聯(lián)的其它參數(shù)作為控制目標。當熱網(wǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，熱源的供熱量等于散熱設備的放熱量，同時也等于供暖用戶的熱負荷。散熱設備采用散熱器時可以得到的熱平衡方程^[2]。

       式中：K為散熱器的傳熱系數(shù)（W/(m²·℃)）；F散熱器的傳熱面積（m²）；q為建筑物的體積熱指標（W/(m³·℃)）；V為建筑物的體積（m³）；t_n為室內(nèi)溫度（℃）；t_w為室外溫度（℃）；t_pj為散熱器內(nèi)熱媒平均溫度（℃）；G為供暖用戶的循環(huán)水量（kg/s）；c為熱水的質(zhì)量比熱（4187J/(kg·℃)）；t_g為二級網(wǎng)熱水供水溫度（℃）；t_h為二級網(wǎng)熱水回水溫度（℃）。

       散熱器為自然對流放熱，它的傳熱系數(shù)具有K=a(t_pj -t_n)b的形式。則公式（1）可以改寫為：

       對整個供暖系統(tǒng)而言，可近似的認為：t_pj =(t_g +t_h)/2。對于某個換熱站而言，所供熱區(qū)域建筑的a、F、q、V、b、tn均為定值，可以建立在不同t_w下相應的t_pj，系統(tǒng)通過控制用戶供回水平均溫度，實現(xiàn)按需所供。

       3   系統(tǒng)控制策略

       3.1   一級網(wǎng)分布泵控制

       根據(jù)二級網(wǎng)（用戶側(cè)）供回水平均溫度控制一級網(wǎng)分布泵頻率，使二級網(wǎng)供回水平均溫度滿足當前室外溫度下用戶的需熱量要求。為了滿足供熱的穩(wěn)定、安全運行，對每次供熱量（流量）的調(diào)整幅度進行必要的限制，再輔以相應邊界條件及報警設置確保系統(tǒng)安全運行。

       3.2   二級網(wǎng)循環(huán)泵控制

       該地區(qū)居民供熱收費標準還是按照面積收費，這樣就導致了居民對供熱追求目標是“多多益善”，戶內(nèi)的調(diào)節(jié)閥門總是保持在最大開度狀態(tài)，供暖過程中，供暖用戶和非供暖用戶的數(shù)量已經(jīng)基本確定。綜合上述，可以得出末端用戶的阻力特性系數(shù)不會發(fā)生太大變化，這樣導致不能通過壓差控制二級網(wǎng)循環(huán)泵^[3]，本系統(tǒng)采用溫差控制二級網(wǎng)循環(huán)泵頻率，通過優(yōu)化溫差，來控制二級網(wǎng)循環(huán)泵頻率。在供熱量一定的情況下，如果直接以二級網(wǎng)供回水溫差控制二級網(wǎng)變頻水泵，由于二級網(wǎng)回水溫度存在很大的滯后性，加上因流量變化而引起的溫差變化，必然導致供回水平均溫度變化，而二級網(wǎng)供水平均溫度變化又會引起一級網(wǎng)分布泵的變化，反之亦然，一級網(wǎng)分布泵的變化也會引起二級網(wǎng)循環(huán)泵的變化。一級網(wǎng)分布泵和二級網(wǎng)循環(huán)泵的耦合以及回水溫度的大滯后，大大增加了控制的難度。根據(jù)公式2可知，當供回水溫差為定值時，可以建立不同室外溫度下相應的二級網(wǎng)循環(huán)水泵流量，根據(jù)循環(huán)水泵相似定律^[3]，可以得到循環(huán)水泵的實際運行頻率。通過此種控制方式可以控制二級網(wǎng)供回水溫差在要求范圍內(nèi)，使二級網(wǎng)流量、頻率在一定幅度范圍內(nèi)跟隨一級網(wǎng)熱量而變化，從而到達節(jié)能運行的目的。

       3.2   熱源側(cè)控制

       通過負荷預測模型，對當前以及未來一段時間的負荷進行預測，確定熱源供熱溫度，保證熱源最低供熱溫度且不超過最高供熱溫度。在最低供熱溫度下，當熱負荷繼續(xù)降低，熱源回水溫度升高到上限時，在保證熱源最低供熱溫度的前提下，適當降低熱源循環(huán)泵頻率，使熱源高效安全的運行；在最低供熱溫度并且熱源循環(huán)泵運行頻率已降低到最低時，如果熱負荷增加，熱源回水溫度降低到下限時，適當提高鍋爐循環(huán)泵頻率，并保證鍋爐最低供熱溫度。

       4   自動控制系統(tǒng)設計

       自動控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，從結(jié)構(gòu)上劃分主要包括：現(xiàn)場節(jié)能自動控制系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡、遠程集中控制管理中心三部分。

圖2   自動控制系統(tǒng)框架

       現(xiàn)場節(jié)能控制系統(tǒng)由節(jié)能控制器（PLC）、溫度變送器、壓力變送器、室溫傳感器、變頻器、熱表、水表、電表等組成（見圖3）。現(xiàn)場節(jié)能控制系統(tǒng)向下可以通過Modbus、MBUS有線通訊協(xié)議以及Zigbee無線通訊協(xié)議采集現(xiàn)場中溫度變送器、壓力變送器、水表、電表、熱量表的數(shù)據(jù)；向上通過通信網(wǎng)絡給遠程集中控制管理中心上傳數(shù)據(jù)。現(xiàn)場節(jié)能控制系統(tǒng)既可以現(xiàn)場控制水泵變頻器、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥等設備，又可以接受遠程集中控制管理中心命令來控制現(xiàn)場設備。

圖3   現(xiàn)場節(jié)能控制系統(tǒng)原理圖

       遠程集中控制管理中心將各個現(xiàn)場節(jié)能控制系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和存儲，如果有任何異常，將產(chǎn)生報警，并推送到供熱系統(tǒng)操作員站，以便他們及時處理。遠程集中控制管理中心通過對實時和歷史數(shù)據(jù)的處理、挖掘，分析出各個換熱站在不同室外溫度下的供熱特性，實時修正負荷預測模型，并根據(jù)室外溫度，下發(fā)給各個換熱站現(xiàn)場節(jié)能控制系統(tǒng)指令，實現(xiàn)各個換熱站的按需所供。遠程集中控制管理中心還具有能耗統(tǒng)計功能，對各個換熱站、某段時間的分類分項能耗進行統(tǒng)計、分析、對比、打印等。

       為了使供熱系統(tǒng)的監(jiān)控更加便捷，對自動控制系統(tǒng)進行Web發(fā)布，這樣系統(tǒng)操作員可以用任何一臺普通電腦或手機，通過互聯(lián)網(wǎng)服務器，在普通瀏覽器中管理各能源站及熱力站。

       5   運行效果分析

       投入自動控制系統(tǒng)后，某換熱站1月份運行數(shù)據(jù)見表1，二級網(wǎng)供回水平均溫度、二級網(wǎng)供回水溫差、室內(nèi)溫度與室外溫度關系見圖4。

表1   某換熱站1月份運行數(shù)據(jù)

圖4   二級網(wǎng)供回水平均溫度、溫差與室外溫度關系

       通過圖4可以看出，加入自控系統(tǒng)后，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，二級網(wǎng)供回水溫差維持在10~12℃，室內(nèi)溫度維持在20℃左右，滿足了熱用戶舒適性和節(jié)能性要求。負荷預測模型很好的反映了室外溫度與供回水平均溫度的關系，實現(xiàn)了按需所供。

       6   總結(jié)

       分布式變頻集中供熱系統(tǒng)之所以能夠降低管網(wǎng)輸配能耗、減少管網(wǎng)的水力失調(diào)、提高水力穩(wěn)定性，是因為分布式變頻集中供熱系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)壓力和流量的按需所供，解決了管網(wǎng)系統(tǒng)中資用壓力與用戶實際需求壓力不匹配的問題，減少了調(diào)節(jié)閥門造成的管網(wǎng)能量損耗和因水力失調(diào)導致的熱力失調(diào)。

       分布式變頻集中供熱系統(tǒng)的按需所供，除了在系統(tǒng)工藝方面的設計要求外，最重要的是要有穩(wěn)定可靠的自動控制。自動控制系統(tǒng)以按需所供為目的，最大化的減少系統(tǒng)能量損耗，在系統(tǒng)的節(jié)能、提高能源效率方面有著非常重要的作用
自動控制系統(tǒng)通過遠程集中控制管理中心，實現(xiàn)對全部能源站、換熱站的遠程監(jiān)控，全網(wǎng)平衡控制，無人值守控制及能耗統(tǒng)計等功能。實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集——過程監(jiān)控——能耗分析——能耗管理等全過程的自動化、高效化、科學化管理，提升了整體能源管理水平。

參考文獻

       [1] 孫海霞，李德英.分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工程應用[J].供熱制冷，2012,(10):68–70.

       [2] 賀平，孫剛，王飛，等.供熱工程(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

       [3] 蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學泵與風機(第5版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年3月刊總第3期。
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