鄭 印 胡申華 樊小朝

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830047

0 引言

近些年來，由于能源結(jié)構(gòu)的變化以及人民生活水平的提高，居民對(duì)熱舒適度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的供暖方式已經(jīng)無法滿足熱用戶對(duì)舒適度的要求，如何提高供熱質(zhì)量已變得十分迫切［1］。

根據(jù)建設(shè)部規(guī)定：為了減少能源消耗，2000年開始要逐步實(shí)行“住宅集中供暖系統(tǒng)分戶熱計(jì)量和收費(fèi)制度”，即現(xiàn)在的分戶熱計(jì)量。要實(shí)現(xiàn)供熱采暖系統(tǒng)按實(shí)用熱量計(jì)量收費(fèi).必須使熱用戶能自行調(diào)節(jié)室溫并使室內(nèi)溫度保持在用戶要求的范圍內(nèi)，這樣，就要求該供暖方式具有熱計(jì)量功能和可調(diào)節(jié)性。由于室內(nèi)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，原有的定流量系統(tǒng)成為變流量系統(tǒng)，若不采取相應(yīng)的控制措施，二次側(cè)的流量將會(huì)有很大變化，從而會(huì)引起整個(gè)供暖系統(tǒng)的水力失調(diào)［2］。因此，如何采取控制措施來維持供暖系統(tǒng)的水力平衡成為關(guān)鍵。

1 供暖系統(tǒng)中的壓差

在供暖系統(tǒng)中，流體以一定的流量在一定的壓力下，流經(jīng)水力元件及管道后，其流量是不變的，但是其壓力有所降低，這種壓力的損失即為壓差。在分戶熱計(jì)量模式下，熱用戶對(duì)流量的調(diào)節(jié)，會(huì)引起整個(gè)樓棟（或單元）的壓差變化：當(dāng)熱用戶的供回水壓差不足時(shí)，流量肯定不足，室溫偏低；當(dāng)熱用戶的供回水壓差過大時(shí)，流量增加，室溫偏高［3］。因此，適當(dāng)?shù)目刂茐翰罹涂梢员３侄蝹?cè)流量的動(dòng)態(tài)平衡，從而保證各熱用戶的供暖需求。

為了降低壓力變化帶來的水力失衡，決定設(shè)計(jì)一套裝置控制樓棟進(jìn)口的供回水壓差，使之保持在一個(gè)合適的數(shù)值，當(dāng)用戶自行調(diào)節(jié)時(shí)，該裝置通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率控制水泵的轉(zhuǎn)速，使整個(gè)系統(tǒng)的壓差保持在設(shè)定值附近。其控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 壓差控制系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

系統(tǒng)安裝布置如圖2所示。該系統(tǒng)中加裝了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡罐，該裝置內(nèi)部有特別設(shè)計(jì)的隔板，將一、二次側(cè)的循環(huán)獨(dú)立開來，平衡罐安裝于熱水集中供暖系統(tǒng)的熱網(wǎng)干管與用戶的連接處，形成一次、二次循環(huán)回路，其環(huán)路之間的流量調(diào)節(jié)互不影響［4］，使二次側(cè)的調(diào)節(jié)對(duì)一次側(cè)的影響降到最小，同時(shí)為在不發(fā)生水力失調(diào)的情況下實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行打下了基礎(chǔ)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)布置圖

3 系統(tǒng)控制過程

壓差變送器實(shí)時(shí)采集二次側(cè)的供/回水壓差，溫度傳感器采集供水溫度、回水溫度，變頻器控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速［5］。將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送入到西門子LOGO！控制器中，經(jīng)過控制器內(nèi)部的程序?qū)Σ杉畔⑦M(jìn)行處理，判斷當(dāng)前壓差是否在設(shè)定值范圍內(nèi)。若在設(shè)定值范圍內(nèi)，則變頻器不動(dòng)作，保持當(dāng)前頻率運(yùn)行；若采集到的壓差比設(shè)定值高，則變頻器點(diǎn)動(dòng)減速；若采集到的壓差比設(shè)定值低，則變頻器點(diǎn)動(dòng)加速。如此循環(huán)檢測(cè)，使壓差控制在設(shè)定值附近。其邏輯控制如圖3所示。

LOGO！控制器是這套方案的核心部分，它不僅要完成數(shù)據(jù)的采集、分析，而且要根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的頻率，以滿足不同工況下的需要。

圖3 壓差控制的邏輯控制圖

控制器的輸入端主要采集的數(shù)據(jù)有：二次側(cè)的供水溫度、回水溫度、變頻器的頻率、實(shí)時(shí)壓差和變頻器故障報(bào)警。

控制器的輸出端控制的設(shè)備（或功能）有：變頻器加速、變頻器減速、報(bào)警指示和備泵的切換。

各傳感器采集來的信號(hào)都要送入LOGO！控制器，在控制器內(nèi)經(jīng)過程序的處理后，輸出相應(yīng)的控制動(dòng)作，其核心部分是壓差信號(hào)的檢測(cè)與判斷。為了達(dá)到更好的控制效果，程序中還需要其他的輔助模塊：

1）由于壓差控制程序是針對(duì)于穩(wěn)態(tài)時(shí)而設(shè)計(jì)的，所以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要一段時(shí)間才能達(dá)到正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。而水泵又不能較長(zhǎng)時(shí)間維持在較低的轉(zhuǎn)速段運(yùn)行，為此需要編寫開機(jī)快速啟動(dòng)程序塊；

2）壓差控制程序本身只能感知壓差，只要壓差滿足要求，程序就能正常運(yùn)行，但是壓差與溫度在某種意義上又是無關(guān)量，所以我們還要對(duì)回水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)回水溫度過低時(shí)，啟動(dòng)程序進(jìn)入到低溫保護(hù)程序模塊，這時(shí)程序控制變頻器高速運(yùn)行；

3）在變頻器頻率過低，或者水溫持續(xù)過低，或者變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，需要進(jìn)行報(bào)警輸出，同時(shí)重新啟動(dòng)程序，在啟動(dòng)失敗的情況下啟動(dòng)備用泵工頻運(yùn)行，以便提醒工作人員及時(shí)解決問題，為此編寫報(bào)警輸出程序塊。

綜合以上所需模塊，得到最終的程序如圖4所示。

圖4 運(yùn)行程序圖

4 實(shí)例運(yùn)行及結(jié)論分析

程序完成后，需要把這套裝置投入實(shí)地運(yùn)行，以觀察運(yùn)行情況。將這套裝置安置在新疆廣匯·藍(lán)調(diào)一品C區(qū)15#樓進(jìn)行試驗(yàn)（該樓尚未完工，墻體外部沒有做保溫處理，因此室溫不作為本次試驗(yàn)的主要參考值）。15#樓有4個(gè)單元，6層，每單元每層4戶，共計(jì)96戶。

在壓差控制試驗(yàn)中，重要的是尋找一個(gè)供熱平衡的壓差設(shè)定值，使得變頻器在較低頻率運(yùn)行時(shí)，既能保證所有用戶的供暖需求，又能達(dá)到節(jié)能的目的。為此，采用如下方法：

1）在不啟用程序的前提下，使變頻器按工頻運(yùn)行，記錄此時(shí)的壓差值及每戶的瞬時(shí)流量；

2）調(diào)節(jié)變頻器的頻率至不同頻率，記錄壓差值及每戶瞬時(shí)流量，當(dāng)有部分用戶的流量為零時(shí)，停止調(diào)節(jié)頻率，然后適當(dāng)提高頻率，直到這些用戶恢復(fù)流量。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)收集、分析，發(fā)現(xiàn)變頻器頻率在30～45Hz之間時(shí)能夠滿足用戶供暖要求，并且達(dá)到節(jié)能的目的。先將變頻器頻率設(shè)為40Hz，此時(shí)該樓供暖系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的壓差為8.5kPa，這個(gè)數(shù)值便是程序中所要的設(shè)定值。

在不使用程序控制和開啟程序控制的不同條件下收集各熱用戶的流量數(shù)據(jù)，分析整理后得到的瞬時(shí)流量（平均值）數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 瞬時(shí)流量變化表

從表1中可以看出：

在關(guān)閉程序時(shí)，關(guān)閉25%用戶后，流量比不關(guān)用戶時(shí)增加28.28%左右；當(dāng)關(guān)閉50%用戶時(shí)流量比不關(guān)用戶時(shí)增加75.15%左右。

在啟動(dòng)程序時(shí)，關(guān)閉25%用戶后，流量比不關(guān)用戶時(shí)增加6.4%左右；當(dāng)關(guān)閉50%用戶時(shí)流量比不關(guān)用戶時(shí)增加16.18%左右。

開啟程序后，在不同用戶的自主調(diào)節(jié)作用下，通過程序?qū)?shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)了供暖管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)平衡，使得未調(diào)節(jié)的用戶仍維持在原有流量附近運(yùn)行。以上數(shù)據(jù)是在關(guān)閉25%和關(guān)閉50%的極限條件下得到的，實(shí)際工況條件下不可能有四分之一熱用戶同時(shí)關(guān)閉閥門，由于時(shí)間有限，沒有做相關(guān)實(shí)驗(yàn)，據(jù)估計(jì)，正常運(yùn)行狀況下，部分熱用戶調(diào)節(jié)流量后，其他用戶的流量增加大概在2%～5%左右，完全滿足實(shí)際工況需要。

目前，這套裝置已經(jīng)開始投入運(yùn)行，節(jié)能效果明顯（節(jié)電率約40%），同時(shí)，提高了熱用戶的舒適度，為分戶熱計(jì)量的推廣打下基礎(chǔ)。

［1］張友誼.對(duì)分戶熱計(jì)量供暖熱網(wǎng)變流量壓差控制節(jié)能的探討［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2008，12（23）：105-106.

［2］南翔.壓差控制閥在分戶雙管供暖中的科學(xué)應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2009，13（12）：102-104.

［3］李媛.住宅供暖系統(tǒng)分戶熱計(jì)量研究 ［J］.鞍鋼技術(shù)2000，09（09）：50-52.

［4］劉風(fēng)喜，梁怡芳.住宅供暖系統(tǒng)分戶熱計(jì)量方式的探討［J］.河北科技建筑學(xué)校學(xué)報(bào) 2002，09（03）：9-11.

［5］陳國(guó)棟，馬英力，趙瑜，龐凱.水泵的變頻調(diào)速節(jié)能分析［J］.中國(guó)科技信息，2009，09（18）：137-138.