換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王建成，石征錦，劉志民，陳 超

(1.遼寧省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，沈陽(yáng) 110181;2.沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159;3.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045;4.沈陽(yáng)重林自動(dòng)化技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110159)

換熱站是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)供熱系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，熱水管網(wǎng)又分為，一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，一次網(wǎng)是指連接于城市熱源管網(wǎng)和換熱站之間的管網(wǎng)，二次網(wǎng)是指連接于換熱站與熱用戶之間的管網(wǎng)，換熱站主要是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，并裝有與用戶連接的相關(guān)設(shè)備、儀表和控制設(shè)備的機(jī)房。根據(jù)規(guī)模和設(shè)置地點(diǎn)不同，換熱站又可分為首站、區(qū)域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站［1］。而且絕大多數(shù)換熱站為了考慮供暖面積的擴(kuò)容，設(shè)備的數(shù)量和容量都設(shè)計(jì)的留有一定裕量，并且如果這些換熱站的循環(huán)泵和補(bǔ)水泵采用人工開、關(guān)閥門控制流量，由于管路的阻尼增大，必將造成電能浪費(fèi)。因此換熱站的控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與應(yīng)用是換熱站建設(shè)和改造的重點(diǎn)工作之一。

1 換熱站的基本構(gòu)成和工作過程

絕大多數(shù)的換熱站為用戶換熱站，大部分換熱站設(shè)備功率較大，是重點(diǎn)耗能單位，但設(shè)備種類比較簡(jiǎn)單，一般由數(shù)臺(tái)熱交換器，幾臺(tái)大功率水泵組成的循環(huán)泵組和幾臺(tái)補(bǔ)水泵構(gòu)成。

換熱站主要是將一次網(wǎng)的80℃左右熱水通過熱交換器使二次網(wǎng)低溫水水溫達(dá)到60℃左右，成為滿足供暖送水溫度的熱水，通過二次網(wǎng)熱水管道送到城市居民家中，流過各用戶的散熱器;通過循環(huán)泵的加壓循環(huán)，流回?fù)Q熱站，進(jìn)入換熱站熱交換器的二次回水溫度有40℃左右［2］。

2 換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

熱力輸配網(wǎng)絡(luò)控制的重點(diǎn)是換熱站的控制，供熱系統(tǒng)的最終目標(biāo)是保持熱用戶的室內(nèi)溫度穩(wěn)定，但由于熱用戶沒有室溫調(diào)節(jié)器，且對(duì)眾多的熱用戶的室溫不可能形成閉環(huán)控制［2］。由于一次網(wǎng)供水溫度是熱源公司所掌控，因此換熱站的二次網(wǎng)最高供水水溫完全取決于一次網(wǎng)的供水溫度，亦稱供熱量。為做到供熱設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又保證供熱質(zhì)量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。換熱站的自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般主要指溫度控制、液位控制、水泵控制三個(gè)方面，大部分換熱站設(shè)備功率較大，是重點(diǎn)耗能設(shè)備［3］。因此換熱站的控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基本原則有:

(1)根據(jù)氣候的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量。通過調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的調(diào)節(jié)閥開度，改變一次網(wǎng)的熱水流量，實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)換熱量調(diào)節(jié)，避免供熱量的浪費(fèi)。具體方式有自動(dòng)和手動(dòng)二種，視一次網(wǎng)的調(diào)節(jié)閥類型而定［4］。

(2)二次網(wǎng)通過對(duì)循環(huán)泵的控制，必須保證供水管網(wǎng)的熱水到達(dá)用戶最高點(diǎn)，用戶溫度達(dá)標(biāo)和避免管道凍裂。同時(shí)循環(huán)泵還要經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)約電能。

(3)二次網(wǎng)通過對(duì)補(bǔ)水泵的控制，必須保證回水管路上缺失的熱水自動(dòng)補(bǔ)給。避免由于泵體、管道、閥門的泄漏引起循環(huán)水的水壓降低，造成供熱系統(tǒng)運(yùn)行不正常。同時(shí)補(bǔ)水泵還要經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)約電能。

(4)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備保護(hù)功能齊全。一般包括回水壓力低于設(shè)定值時(shí)失壓保護(hù)、斷電保護(hù)、超溫保護(hù)、超壓保護(hù)、補(bǔ)水箱液位監(jiān)測(cè)，同時(shí)具備報(bào)警停泵保護(hù)功能。保證水泵、閥門、管道、換熱器、散熱器的安全運(yùn)行［4］。

3 換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從以上的基本構(gòu)成和工作過程可以看出，為了保證換熱站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須保證換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有規(guī)模的供熱用戶有合理的技術(shù)方案、同時(shí)具備可持續(xù)擴(kuò)展，以滿足整個(gè)日益增長(zhǎng)的供暖要求。下面我們以某小區(qū)1000戶住宅，建筑面積12萬(wàn)平方米的所建的換熱站為例，介紹一下?lián)Q熱站控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

3.1 換熱站電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

換熱站電源系統(tǒng)按照換熱設(shè)備容量及設(shè)備數(shù)量，安裝在1#GGD型電柜，具體功能如下(電路圖省略):

(1)供電回路數(shù)為四個(gè)，其中一個(gè)備用回路，并裝有電能計(jì)量表。

(2)數(shù)字顯示供電電壓(A、B、C)、負(fù)荷電流(Ia、Ib、Ic)。

(3)數(shù)字顯示一、二次熱網(wǎng)的出水壓力、回水壓力。

(4)數(shù)字顯示一、二次熱網(wǎng)的出水溫度、回水溫度。

(5)換熱站內(nèi)補(bǔ)水水箱高、低水位報(bào)警。

(6)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門控制調(diào)節(jié)觸摸屏。為降低成本，節(jié)省空間，將“一次網(wǎng)熱水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)”安裝在此柜內(nèi)。

3.2 換熱站一次網(wǎng)熱水流量節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)室外溫度的變化和當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷曲線，決定二級(jí)網(wǎng)側(cè)的供熱量，實(shí)測(cè)供熱量和設(shè)定值相比較后，進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號(hào)至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變一級(jí)網(wǎng)側(cè)的流量［5］，滿足二次網(wǎng)供暖溫度的控制要求。因此對(duì)一次網(wǎng)流量的控制系統(tǒng)必須是一個(gè)單閉環(huán)溫度系統(tǒng)，按照目前的控制技術(shù)，采用電動(dòng)閥門進(jìn)行控制，盡管一次投入較大，但避免了人工操作誤差較大，為今后實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控打好基礎(chǔ)，是比較理想的方案。

為此，根據(jù)一次網(wǎng)管道直徑DN150，我們?cè)O(shè)計(jì)換熱站一次網(wǎng)熱水流量的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下部件組成:選擇適配的西門子VVF41.1502型電動(dòng)閥門;SKC62UA型執(zhí)行器;QAE2110.010型浸入式水溫傳感器，配套熱敏元件PT1000;具有兩個(gè)模擬量輸出點(diǎn)輸出DC 0…10 V信號(hào)，可以是正向或者反向控制的RWD6型控制器。該電路比較簡(jiǎn)單，在此省略該圖。系統(tǒng)具有如下功能:

(1)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的標(biāo)稱行程可達(dá)40 mm，完全滿足調(diào)節(jié)一次網(wǎng)熱水流量的要求。

(2)SKC62UA型執(zhí)行器具有可調(diào)節(jié)閥門開度起始點(diǎn)和工作范圍的順序控制;可進(jìn)行閥門正反工作方向選擇，并且具有斷電時(shí)彈簧復(fù)位功能，保證來電后正常供暖。

(3)閥門的開度控制除了具有線性或等比例調(diào)節(jié)外還有三種接線模式選擇，滿足設(shè)備調(diào)試、閥門完全開、閉的要求。

(4)電動(dòng)閥門安裝在一次網(wǎng)的回水管路，在加熱系統(tǒng)工作時(shí)，密封墊運(yùn)行在較低的溫度，可以延長(zhǎng)其壽命，同時(shí)為了增加電動(dòng)閥門可靠性，在閥門入口前安裝了過濾器。

(5)電動(dòng)閥門操作在配套SKC62UA型執(zhí)行器的觸摸屏上，設(shè)置和調(diào)節(jié)非常方便［5］。

3.3 換熱站循環(huán)泵節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們按照供暖面積和短期擴(kuò)容的可能，為了維持高層用戶供暖，需要穩(wěn)定的實(shí)時(shí)出水壓力，因此該系統(tǒng)也是一個(gè)單閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。選用三臺(tái)電機(jī)功率37KW的循環(huán)水泵。水泵變頻工作方式為二用一備的控制方案，電氣元件選擇型號(hào)分別為FRN37P11－4CX變頻器;HFR1045電機(jī)軟啟動(dòng)器;ID136閉環(huán)調(diào)節(jié)器;AF－20MR－A小型程序控制用可編程控制器;供水、回水壓力信號(hào)DBM20R－1型供水、回水壓力信號(hào)變送器等。將它們安裝在2#GGD型電柜中。具體功能如下:

(1)電網(wǎng)端來電缺相保護(hù)電路，再加上變頻器對(duì)負(fù)載端保護(hù)外，使系統(tǒng)保護(hù)功能更完善。

(2)數(shù)字顯示電壓(A、B、C)、負(fù)荷電流(Ia、Ib、Ic)、手動(dòng)變頻工作頻率。

(3)手動(dòng)工頻/變頻轉(zhuǎn)換;手動(dòng)變頻/自動(dòng)變頻轉(zhuǎn)換及運(yùn)行指示;手動(dòng)工頻選泵;自動(dòng)變頻選泵;工頻/變頻啟動(dòng)、停止。任意組合二臺(tái)工作水泵，實(shí)現(xiàn)均衡磨損。

(4)工頻/變頻過載保護(hù);過電壓/欠電壓保護(hù);對(duì)地短路;外部報(bào)警等。

(5)電機(jī)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)、停止及運(yùn)行指示?？紤]變頻運(yùn)行發(fā)生故障的情況，加入一臺(tái)電機(jī)軟啟動(dòng)器，通過PLC設(shè)置的程序控制三臺(tái)循環(huán)水泵中的任意一臺(tái)在工頻時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行(安裝在3#GGD電柜中)。這樣既保證了循環(huán)泵的安全可靠運(yùn)行，又便于設(shè)備維護(hù)。

(6)利用電接點(diǎn)壓力表設(shè)置循環(huán)泵出水壓力超壓停機(jī)及報(bào)警，避免二次網(wǎng)供暖管道、閥門、用戶散熱器的爆裂，損失熱水。

循環(huán)泵系統(tǒng)變頻控制主電路如圖1、循環(huán)泵系統(tǒng)軟啟動(dòng)控制主電路如圖2、循環(huán)泵系統(tǒng)程序控制回路如圖3、循環(huán)泵系統(tǒng)手動(dòng)變頻及加減泵調(diào)節(jié)控制回路如圖4。

圖1

3.4 換熱站補(bǔ)水泵節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為避免由于泵體、管道、閥門的泄漏引起循環(huán)水的水壓降低，保證回水管路上缺失的熱水自動(dòng)補(bǔ)給，需要穩(wěn)定的回水壓力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)水，因此該系統(tǒng)也是一個(gè)單閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。選用二臺(tái)電機(jī)功率5.5 kW的補(bǔ)水水泵，水泵變頻工作方式為二用一備的控制方案，電氣元件選擇型號(hào)分別為FRN5.5G11S－4CX變頻器;PXR9閉環(huán) PID調(diào)節(jié)器;AF－20MR－A小型程序控制用可編程控制器;DBM20R－1型回水壓力信號(hào)變送器等。將它們安裝在3#GGD型電柜中。具體功能如下:

(1)設(shè)計(jì)了電網(wǎng)端來電缺相保護(hù)電路，再加上變頻器對(duì)負(fù)載端保護(hù)外，使系統(tǒng)保護(hù)功能更完善。

(2)數(shù)字顯示電壓(A、B、C)、負(fù)荷電流(Ia、Ib、Ic)。

(3)手動(dòng)工頻/變頻轉(zhuǎn)換及運(yùn)行指示;手動(dòng)工頻選泵;手動(dòng)變頻選泵;工頻/變頻啟動(dòng)、停止。任意調(diào)整工作水泵，實(shí)現(xiàn)均衡磨損。

(4)工頻/變頻過載保護(hù);過電壓/欠電壓保護(hù);對(duì)地短路;外部報(bào)警等。

(5)變頻器故障檢出報(bào)警。

(6)補(bǔ)水水箱低水位停機(jī)和中水位啟動(dòng)，避免出現(xiàn)水泵抽空現(xiàn)象的發(fā)生。

(7)利用電接點(diǎn)壓力表設(shè)置補(bǔ)水泵回水管道壓力欠壓停機(jī)及報(bào)警，避免二次網(wǎng)回水管道、閥門、用戶散熱器的爆裂后，損失自來水，及時(shí)查找泄漏點(diǎn)。

由于補(bǔ)水泵控制原理與循環(huán)泵類似，具體控制電路圖省略。

3.5 換熱站循環(huán)泵、補(bǔ)水泵節(jié)能控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)各系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)，采用AF20MR－A小型可編程控制器作為控制核心，編制了循環(huán)泵、補(bǔ)水泵設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行程序，由于具體程序比較簡(jiǎn)單，可以通過購(gòu)買的可編程控制器的自帶安裝軟件QuickⅡ在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)控制動(dòng)作的正確與否，非常適用于工程應(yīng)用。因此具體程序省略。

4 應(yīng)用效果

換熱站的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并應(yīng)用后，經(jīng)過三年的用戶使用，取得了可喜的應(yīng)用效果，系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了工頻、變頻轉(zhuǎn)換操作，工作方式靈活，維修方便。由于水泵是軟啟動(dòng)，無(wú)極實(shí)時(shí)調(diào)速，避免了設(shè)備、管網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊。

(2)在一次網(wǎng)進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)，解決了二次網(wǎng)水溫低的現(xiàn)象，保證了二次網(wǎng)的出水溫度，用戶室內(nèi)溫度都在18℃以上。

(3)節(jié)能效果顯著，循環(huán)泵、補(bǔ)水泵設(shè)備在相同工況下，變頻恒壓供暖比工頻供暖節(jié)電25%以上。并且壓力平穩(wěn)，優(yōu)于工頻控制，避免了工頻情況下供暖出水壓力忽高忽低，造成高層用戶無(wú)水及氣化現(xiàn)象。

(4)系統(tǒng)保護(hù)功能完善。這些保護(hù)功能，使得水泵和電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)，立即切斷電源和變頻器的輸出，更精確的保護(hù)了水泵電機(jī)，延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命。

(5)通過在補(bǔ)水水箱水位控制系統(tǒng)，避免補(bǔ)水水箱水的溢出，節(jié)約水資源。

(6)通過設(shè)置循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的超壓和欠壓停機(jī)及報(bào)警，避免了跑冒滴漏，節(jié)省了能源。

(6)需要監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一目了然，在條件成熟的情況下可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

(7)通過系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，節(jié)省了熱能，避免了熱源的損失，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)供暖，并為今后實(shí)現(xiàn)供暖遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)幅員廣闊，冬季采暖的地區(qū)占全國(guó)面積的4/5左右，對(duì)能源的需求是巨大的，而我國(guó)又是能源貧乏的國(guó)家之一，節(jié)能減排、降耗是國(guó)家長(zhǎng)期的重點(diǎn)戰(zhàn)略任務(wù)，是政府和企業(yè)的重點(diǎn)考核指標(biāo)。在全國(guó)集中供暖換熱站都采用節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和進(jìn)行節(jié)能改造，既保證了供暖工作的安全、穩(wěn)定、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］曹宏麟.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)研究［J］.山西建筑，2010，36(1):207 －208.

［2］林柏松，曹文光，劉志杰.換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30(7):49－51.

［3］北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司.和利時(shí)PLC——面向解決方案的PLC［J］.國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2003，6(3):42 －43.

［4］方向輝.自動(dòng)控制技術(shù)在集中供熱節(jié)能方面的應(yīng)用［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，177(1):124 －125.

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