高 彥 兵

(北京華優(yōu)建筑工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京 100038)

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城市集中供熱系統(tǒng)控制策略的探討

高 彥 兵

(北京華優(yōu)建筑工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京 100038)

結(jié)合工程實(shí)例，介紹了城市集中供熱系統(tǒng)的工藝過(guò)程，從熱力首站與熱力子站兩方面，闡述了集中供熱的控制策略，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了集中供熱熱網(wǎng)的集中動(dòng)態(tài)平衡控制，有效解決了一次網(wǎng)的水力平衡和熱力平衡問(wèn)題。

集中供熱系統(tǒng)，循環(huán)水，換熱器，補(bǔ)水泵

0 引言

我國(guó)北方地區(qū)冬季目前普遍采用集中供暖方式進(jìn)行供熱。熱電廠通過(guò)城市高溫供熱管道將熱水送至各居民小區(qū)、企業(yè)中的換熱站。在換熱站，高溫管道中的熱水與二次網(wǎng)的熱水通過(guò)換熱器交換熱量。經(jīng)過(guò)換熱后，二次網(wǎng)中熱水流入各居室中。在以上過(guò)程中，供熱調(diào)度部門(mén)需要對(duì)分散在不同地理位置的首站和換熱站中的熱量、溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行集中實(shí)時(shí)監(jiān)視，控制換熱站中各設(shè)備的運(yùn)行。故城市集中供熱系統(tǒng)采用科學(xué)合理的熱力首站和熱力子站控制策略就顯得尤為重要，并需結(jié)合現(xiàn)代的供熱理論，采用“管、控一體化”的方法，實(shí)現(xiàn)用最少的能源消耗，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、安全的供熱目標(biāo)，保證整個(gè)冬季供暖的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程概況

工程地點(diǎn)位于山東省南部，該城市集中供熱系統(tǒng)改造項(xiàng)目的最終供熱面積約1 000萬(wàn)m2，包括熱力首站兩個(gè)(原低溫循環(huán)水熱網(wǎng)、新高溫水管網(wǎng))，二級(jí)換熱站約150個(gè)。其中首期項(xiàng)目改造380萬(wàn)m2，首站一個(gè)，二級(jí)換熱站約50個(gè)。首站為汽水換熱站，汽水換熱器為臥式，循環(huán)水泵為汽輪機(jī)推動(dòng)的泵。二級(jí)換熱站內(nèi)大部分為換熱機(jī)組。在該集中供熱系統(tǒng)改造項(xiàng)目中新建一個(gè)換熱首站及50個(gè)二級(jí)換熱子站自控系統(tǒng)，熱網(wǎng)調(diào)度室監(jiān)控中心，SCADA系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)二級(jí)換熱子站、換熱首站全網(wǎng)的科學(xué)化調(diào)度、控制和管理。

該城市集中供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)明確為：

1)實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的“管、控一體化”，將供熱系統(tǒng)的能源管理與控制系統(tǒng)結(jié)合在一起。2)實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的集中動(dòng)態(tài)平衡控制，有效地解決一次網(wǎng)的水力平衡和熱力平衡。3)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的優(yōu)化控制及決策支持。4)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠設(shè)計(jì)。

2 集中供熱工藝過(guò)程

2.1 首站工藝描述

1)循環(huán)水。來(lái)自凝汽器的循環(huán)回水，經(jīng)并聯(lián)運(yùn)行的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)蒸汽泵加壓后，分三路進(jìn)入1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)換熱器，在換熱器內(nèi)通過(guò)蒸汽加熱。3臺(tái)換熱器出口的高溫水匯總至高溫水供水總管，送至二級(jí)換熱站。

2)補(bǔ)充水。來(lái)自化學(xué)水處理系統(tǒng)的軟化水，送入補(bǔ)水箱，經(jīng)補(bǔ)水泵送入回水母管，補(bǔ)充損失的循環(huán)水量。

3)蒸汽。來(lái)自熱電廠的蒸汽，分兩路進(jìn)入換熱器。第一路蒸汽先送至并聯(lián)運(yùn)行的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)汽輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)蒸汽泵加壓循環(huán)回水，4臺(tái)汽輪機(jī)出口的蒸汽匯總后，送至1號(hào)換熱器。第二路蒸汽分別送入2號(hào)、3號(hào)換熱器，與循環(huán)回水進(jìn)行熱交換。

4)凝結(jié)水。換熱器內(nèi)蒸汽產(chǎn)生的凝結(jié)水，回入凝結(jié)水箱，經(jīng)泵送至鍋爐系統(tǒng)除氧器。

2.2 熱力子站工藝描述

1)一次水。來(lái)自換熱首站的高溫水，進(jìn)入熱交換機(jī)組，與來(lái)自供熱用戶的二次回水進(jìn)行熱交換，經(jīng)熱交換后的回水，送至換熱首站的回水母管。

2)二次水。來(lái)自供熱用戶的二次水回水，經(jīng)循環(huán)水泵送入熱交換機(jī)組，與來(lái)自換熱首站的高溫水進(jìn)行熱交換，經(jīng)加熱后進(jìn)入二次水供水母管，送至供熱用戶。

3)補(bǔ)水。當(dāng)二次水回水壓力低于工藝要求的壓力時(shí)，串聯(lián)在一次水回水和二次水回水之間的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開(kāi)，由于一次水壓力高于二次水壓力，一次水回水自動(dòng)補(bǔ)入二次水回水管道中。

3 集中供熱控制策略

3.1 熱力首站控制策略

1)監(jiān)控對(duì)象說(shuō)明。首站系統(tǒng)主要監(jiān)控對(duì)象為蒸汽總管流量，補(bǔ)水總管流量，凝結(jié)水總管流量，蒸汽進(jìn)換熱器總管流量、壓力、溫度及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，蒸汽進(jìn)汽動(dòng)泵總管流量，高溫供水總管、熱量、壓力、溫度及電動(dòng)蝶閥，高溫回水總管的流量、壓力，4臺(tái)汽動(dòng)泵進(jìn)出口水的壓力，泵進(jìn)出口蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥、蝶閥；3臺(tái)換熱器液位、進(jìn)水電動(dòng)蝶閥、出水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、進(jìn)出水壓力；進(jìn)氣側(cè)電動(dòng)蝶閥、壓力、溫度；疏水出水調(diào)節(jié)閥、壓力；2臺(tái)補(bǔ)水泵運(yùn)行參數(shù)及進(jìn)出口壓力，補(bǔ)水箱液位，3臺(tái)凝水回收泵運(yùn)行參數(shù)、回水流量及壓力。系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子S7-400H型PLC對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制功能。

2)主要控制策略。對(duì)于按照采暖面積收費(fèi)的供熱系統(tǒng)，應(yīng)該采用熱源優(yōu)先調(diào)節(jié)的控制方法。即根據(jù)室外氣溫(日平均溫度)的變化，采用熱負(fù)荷預(yù)測(cè)方法確定當(dāng)日的供熱負(fù)荷，并由此計(jì)算出當(dāng)日的供水流量和供水溫度。由此就決定了首站中循環(huán)水泵和熱網(wǎng)換熱器的控制調(diào)節(jié)方法。

a.汽動(dòng)泵及入口閥控制。

4臺(tái)汽動(dòng)泵3用1備，用同一個(gè)控制信號(hào)去控制閥門(mén)的動(dòng)作。

首站采用熱量控制法來(lái)對(duì)熱力站的供熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，即首站的汽動(dòng)泵入口調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)控制汽動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)控制高溫水循環(huán)的流量，由于首站系統(tǒng)利用了發(fā)電汽輪機(jī)凝汽器的熱量，進(jìn)行低真空循環(huán)水供熱，因此一次水的流量不宜進(jìn)行大幅度的調(diào)節(jié)，而應(yīng)采用定流量的質(zhì)調(diào)節(jié)(如果在初寒期和末寒期熱負(fù)荷較低時(shí)，不能投入全部的3臺(tái)汽機(jī)，則可采取分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié))。

其工作原理是：系統(tǒng)的總流量由于受到凝汽器最小循環(huán)水流量的限制，因此在第一階段(采暖面積380萬(wàn)m2)熱網(wǎng)的總流量基本上是定值，今后在供熱規(guī)模擴(kuò)大后，總流量有了一定的調(diào)節(jié)范圍后，亦可作一定的變流量調(diào)節(jié)，根據(jù)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件所確定的當(dāng)前流量，調(diào)節(jié)汽動(dòng)泵入口調(diào)節(jié)閥，改變水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制熱網(wǎng)總流量的目標(biāo)。

b.汽水換熱器的控制。

1號(hào)換熱器承接循環(huán)水泵汽輪機(jī)的排氣，此排氣量取決于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。汽水換熱器的蒸汽入口不做調(diào)節(jié)。

根據(jù)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件，計(jì)算出高溫水供水總管溫度的設(shè)定值，對(duì)2號(hào)、3號(hào)換熱器蒸汽入口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度改變蒸汽流量，使高溫供水溫度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。

該換熱器上配有兩組蒸汽輸入口，每組輸入口上配置了1臺(tái)電動(dòng)碟閥和一電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)負(fù)荷高于50%時(shí)，兩組全部投入調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷低于50%時(shí)，關(guān)斷一組閥門(mén)，由另一組閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

c.換熱器疏水閥的控制。

根據(jù)換熱器當(dāng)前負(fù)荷和冷凝水的出口流量計(jì)算出當(dāng)前換熱器的液位設(shè)定值，對(duì)換熱器內(nèi)壓力進(jìn)行控制，同時(shí)進(jìn)行換熱器水位控制，以換熱器水位和冷凝水出口流量對(duì)疏水閥進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使換熱器水位和冷凝水流量控制在該時(shí)段的計(jì)算設(shè)定值，當(dāng)負(fù)荷小于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)疏水閥門(mén)的開(kāi)度控制換熱器水位，增加水位同時(shí)減小換熱面積以達(dá)到控制的目標(biāo)溫度，以保持高溫供水溫度的恒定和換熱器液位的穩(wěn)定。

3)凝水回收泵的控制。3臺(tái)凝水回收泵采用2用1備方式，操作人員在人機(jī)界面選擇任意一臺(tái)為備用，當(dāng)2臺(tái)主凝水回收泵中的任意一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并自動(dòng)啟動(dòng)備用泵工作。根據(jù)凝結(jié)水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)水箱液位改變凝水回收泵的頻率，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)使整個(gè)水箱液位保持恒定，使液位控制在該時(shí)段的目標(biāo)值。當(dāng)軟水箱液位低于某一低限設(shè)定值時(shí)，停止1臺(tái)回收泵，以節(jié)省凝水回收泵的電耗。

4)補(bǔ)水泵的控制。2臺(tái)補(bǔ)水泵采用1用1備方式，操作人員在人機(jī)界面選擇1臺(tái)為備用，當(dāng)主補(bǔ)水泵發(fā)生故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并自動(dòng)啟動(dòng)備用泵工作。凝汽器供水總管(熱網(wǎng)回水總管)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)給水壓力改變補(bǔ)水泵的頻率，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)使整個(gè)供水水壓控制在設(shè)定范圍值內(nèi)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)凝汽器出水管壓力和給高溫循環(huán)水補(bǔ)水的作用。

3.2 熱力子站控制策略

1)監(jiān)控對(duì)象說(shuō)明。

本系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象為一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)，完成熱力站系統(tǒng)溫度、壓力、流量、熱量等參數(shù)的采集、監(jiān)控，負(fù)責(zé)熱力站一次側(cè)調(diào)節(jié)閥的控制，二次側(cè)循環(huán)水泵的變頻調(diào)節(jié)控制及補(bǔ)水電磁閥和補(bǔ)水泵的控制，并將變頻器及各類(lèi)儀表、閥門(mén)的運(yùn)行參數(shù)、計(jì)量參數(shù)上傳監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)熱力站的現(xiàn)場(chǎng)裝有1個(gè)觸摸屏，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和監(jiān)控。每個(gè)熱力站有熱量計(jì)1臺(tái)、壓力變送器5臺(tái)、溫度傳感器4只、流量計(jì)2臺(tái)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1臺(tái)、電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥1臺(tái)、循環(huán)水泵2臺(tái)、變頻器1臺(tái)，控制方式為一拖二等組成。系統(tǒng)采用德國(guó)Beckhoff BX9000型PLC對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制功能。

2)主要控制策略。

a.一次循環(huán)水調(diào)節(jié)閥的控制。

熱力站一次水系統(tǒng)采用控制一次水的輸出熱量方法，來(lái)對(duì)二次網(wǎng)供暖用戶的供熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，即熱力站一次水調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)控制一次水的流量。其工作原理是：熱網(wǎng)集中監(jiān)控中心根據(jù)熱力負(fù)荷預(yù)測(cè)算法，計(jì)算得出下一段時(shí)間內(nèi)(通常為下一天內(nèi))各時(shí)段各熱力站的熱力負(fù)荷設(shè)定值；并根據(jù)熱網(wǎng)平衡調(diào)度、各熱力站間均勻性調(diào)節(jié)等對(duì)各熱力站熱力負(fù)荷設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。各熱力負(fù)荷設(shè)定值即為各熱力站在各時(shí)段由一次網(wǎng)向二次網(wǎng)供暖用戶輸出熱量的設(shè)定值。該設(shè)定值經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為閥門(mén)的開(kāi)度值，并且寫(xiě)入PLC控制閥門(mén)執(zhí)行該時(shí)段內(nèi)的開(kāi)度。調(diào)節(jié)閥通過(guò)改變一次水流量，使熱力站一次水的輸出熱量(熱量計(jì)讀數(shù))控制在該時(shí)段熱量的設(shè)定值。現(xiàn)場(chǎng)熱量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把數(shù)據(jù)反饋到熱力中心，作為檢查執(zhí)行情況及下一時(shí)段調(diào)整數(shù)據(jù)的參考依據(jù)。

b.二次循環(huán)水泵的控制。

主要由兩套循環(huán)水泵、循環(huán)水泵變頻器、二次供回水溫度傳感器、二次供回水及循環(huán)泵出口壓力傳感器等組成。

二次水系統(tǒng)采用質(zhì)—量并調(diào)的方式對(duì)供暖用戶供熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過(guò)改變二次水循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，改變二次水的流量來(lái)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以節(jié)省循環(huán)水泵電耗。其工作原理是：根據(jù)室外溫度及流量調(diào)節(jié)算法，計(jì)算二次水循環(huán)流量的設(shè)定值。二次水循環(huán)泵改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使二次水循環(huán)流量控制在該時(shí)段流量的設(shè)定值。

c.補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥的控制。

硬件主要由補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥、二次水回水壓力傳感器、補(bǔ)水流量計(jì)等組成。

補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥有著補(bǔ)水和定壓兩重功效，其通過(guò)控制二次水回水的壓力在安全設(shè)定值范圍內(nèi)，以保證二次網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其工作原理是：根據(jù)二次水回水壓力作為反饋信號(hào)，在觸摸屏上設(shè)定二次網(wǎng)的上下限壓力值，與回水壓力作比較，反饋值小于設(shè)定下限時(shí)開(kāi)閥，補(bǔ)水壓力上升到上限時(shí)關(guān)閥，使二次水回水壓力控制在安全設(shè)定值范圍內(nèi)。

對(duì)于部分失水量大的換熱站系統(tǒng)設(shè)置補(bǔ)水泵1臺(tái)，補(bǔ)水泵采用變頻控制。當(dāng)補(bǔ)水流量超過(guò)上限時(shí)關(guān)閉補(bǔ)水閥，低于下限時(shí)開(kāi)啟補(bǔ)水泵補(bǔ)水，補(bǔ)水泵采用PID控制，使水管壓力控制在設(shè)定值。

3)循環(huán)水泵啟停控制。

在對(duì)二次側(cè)的循環(huán)水泵控制時(shí)，操作員需要首先對(duì)2臺(tái)泵在監(jiān)控畫(huà)面上進(jìn)行主備選擇，并可進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定，點(diǎn)啟動(dòng)后系統(tǒng)檢測(cè)沒(méi)有任何故障的情況下，優(yōu)先啟動(dòng)主用泵，當(dāng)主用泵有故障的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用泵上。接觸器閉合動(dòng)作完成后，系統(tǒng)將判斷幾個(gè)接觸器的狀態(tài)是否正常，正常后將啟動(dòng)變頻器，水泵進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。接觸器狀態(tài)不對(duì)，將停機(jī)報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

該城市集中供熱系統(tǒng)改造工程通過(guò)采用上述熱力首站和熱力子站的控制策略并結(jié)合計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了集中供熱熱網(wǎng)的集中動(dòng)態(tài)平衡控制，有效地解決了一次網(wǎng)的水力平衡和熱力平衡問(wèn)題。該控制策略較好地結(jié)合了該項(xiàng)目的具體情況，是切實(shí)可行的控制方案，此方案的應(yīng)用進(jìn)一步提高了熱力公司的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 江 億.集中供熱網(wǎng)控制調(diào)節(jié)策略的探討[J].區(qū)域供熱，1997(2):10-14.

[2] 關(guān) 玲.不同采暖收費(fèi)體制下的控制策略[J].中國(guó)儀器儀表，2012(1):53-57.

[3] 石兆玉.供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994：53-59.

[4] 劉國(guó)林.關(guān)于城市集中供熱工作中的系統(tǒng)調(diào)節(jié)[J].區(qū)域供熱，2004(4)：26-30.

[5] 姜蒼華.集中供熱網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制策略的研究[J].自動(dòng)化博覽，2000(S1):61-64.

Discussion on controlling strategies of urban concentration heat-supply system

Gao Yanbing

(BeijingHuayouArchitecturalEngineeringDesignCo.,Ltd,Beijing100038,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the craft process for the urban concentration heat-supply system, illustrates the controlling strategies for the concentration heat-supply from the thermal head and substation, and realizes the concentration dynamic balance control of the concentration heat-supply network by its operation, so as to solve some hydraulic and thermal balance of the primary network.

concentration heat-supply system, circulation water, heat exchanger, make-up pump

1009-6825(2016)05-0136-03

2015-12-05

高彥兵(1980- )，男，工程師

TU833

A