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)計有限責(zé)任公司，北京 100038)

結(jié)合工程實例，介紹了城市集中供熱系統(tǒng)的工藝過程，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)實際運行，實現(xiàn)了集中供熱熱網(wǎng)的集中動態(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題。

集中供熱系統(tǒng)，循環(huán)水，換熱器，補水泵

0 引言

我國北方地區(qū)冬季目前普遍采用集中供暖方式進行供熱。熱電廠通過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)的熱水通過換熱器交換熱量。經(jīng)過換熱后，二次網(wǎng)中熱水流入各居室中。在以上過程中，供熱調(diào)度部門需要對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)進行集中實時監(jiān)視，控制換熱站中各設(shè)備的運行。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，實現(xiàn)用最少的能源消耗，達到最經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)、安全的供熱目標(biāo)，保證整個冬季供暖的穩(wěn)定運行。

1 工程概況

工程地點位于山東省南部，該城市集中供熱系統(tǒng)改造項目的最終供熱面積約1 000萬m2，包括熱力首站兩個(原低溫循環(huán)水熱網(wǎng)、新高溫水管網(wǎng))，二級換熱站約150個。其中首期項目改造380萬m2，首站一個，二級換熱站約50個。首站為汽水換熱站，汽水換熱器為臥式，循環(huán)水泵為汽輪機推動的泵。二級換熱站內(nèi)大部分為換熱機組。在該集中供熱系統(tǒng)改造項目中新建一個換熱首站及50個二級換熱子站自控系統(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)。實現(xiàn)二級換熱子站、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)計目標(biāo)明確為：

1)實現(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)實現(xiàn)熱網(wǎng)的集中動態(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)實現(xiàn)節(jié)能降耗的優(yōu)化控制及決策支持。4)實現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠設(shè)計。

2 集中供熱工藝過程

2.1 首站工藝描述

1)循環(huán)水。來自凝汽器的循環(huán)回水，經(jīng)并聯(lián)運行的1號、2號、3號、4號蒸汽泵加壓后，分三路進入1號、2號、3號換熱器，在換熱器內(nèi)通過蒸汽加熱。3臺換熱器出口的高溫水匯總至高溫水供水總管，送至二級換熱站。

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

3)蒸汽。來自熱電廠的蒸汽，分兩路進入換熱器。第一路蒸汽先送至并聯(lián)運行的1號、2號、3號、4號汽輪機，驅(qū)動蒸汽泵加壓循環(huán)回水，4臺汽輪機出口的蒸汽匯總后，送至1號換熱器。第二路蒸汽分別送入2號、3號換熱器，與循環(huán)回水進行熱交換。

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。來自換熱首站的高溫水，進入熱交換機組，與來自供熱用戶的二次回水進行熱交換，經(jīng)熱交換后的回水，送至換熱首站的回水母管。

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

3)補水。當(dāng)二次水回水壓力低于工藝要求的壓力時，串聯(lián)在一次水回水和二次水回水之間的電動調(diào)節(jié)閥自動打開，由于一次水壓力高于二次水壓力，一次水回水自動補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)控對象說明。首站系統(tǒng)主要監(jiān)控對象為蒸汽總管流量，補水總管流量，凝結(jié)水總管流量，蒸汽進換熱器總管流量、壓力、溫度及電動調(diào)節(jié)閥，蒸汽進汽動泵總管流量，高溫供水總管、熱量、壓力、溫度及電動蝶閥，高溫回水總管的流量、壓力，4臺汽動泵進出口水的壓力，泵進出口蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥、蝶閥；3臺換熱器液位、進水電動蝶閥、出水電動調(diào)節(jié)閥、進出水壓力；進氣側(cè)電動蝶閥、壓力、溫度；疏水出水調(diào)節(jié)閥、壓力；2臺補水泵運行參數(shù)及進出口壓力，補水箱液位，3臺凝水回收泵運行參數(shù)、回水流量及壓力。系統(tǒng)采用德國西門子S7-400H型PLC對其實現(xiàn)控制功能。

2)主要控制策略。對于按照采暖面積收費的供熱系統(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，采用熱負荷預(yù)測方法確定當(dāng)日的供熱負荷，并由此計算出當(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.汽動泵及入口閥控制。

4臺汽動泵3用1備，用同一個控制信號去控制閥門的動作。

首站采用熱量控制法來對熱力站的供熱進行調(diào)節(jié)，即首站的汽動泵入口調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)控制汽動泵的轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速來控制高溫水循環(huán)的流量，由于首站系統(tǒng)利用了發(fā)電汽輪機凝汽器的熱量，進行低真空循環(huán)水供熱，因此一次水的流量不宜進行大幅度的調(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荷較低時，不能投入全部的3臺汽機，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m2)熱網(wǎng)的總流量基本上是定值，今后在供熱規(guī)模擴大后，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)熱負荷預(yù)測軟件所確定的當(dāng)前流量，調(diào)節(jié)汽動泵入口調(diào)節(jié)閥，改變水泵的轉(zhuǎn)速，進而達到控制熱網(wǎng)總流量的目標(biāo)。

b.汽水換熱器的控制。

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

根據(jù)熱負荷預(yù)測軟件，計算出高溫水供水總管溫度的設(shè)定值，對2號、3號換熱器蒸汽入口調(diào)節(jié)閥進行PID調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)閥門開度改變蒸汽流量，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臺電動碟閥和一電動調(diào)節(jié)閥，當(dāng)負荷高于50%時，兩組全部投入調(diào)節(jié)，當(dāng)負荷低于50%時，關(guān)斷一組閥門，由另一組閥門進行調(diào)節(jié)。

c.換熱器疏水閥的控制。

根據(jù)換熱器當(dāng)前負荷和冷凝水的出口流量計算出當(dāng)前換熱器的液位設(shè)定值，對換熱器內(nèi)壓力進行控制，同時進行換熱器水位控制，以換熱器水位和冷凝水出口流量對疏水閥進行PID調(diào)節(jié)，使換熱器水位和冷凝水流量控制在該時段的計算設(shè)定值，當(dāng)負荷小于某個設(shè)定值時，調(diào)節(jié)疏水閥門的開度控制換熱器水位，增加水位同時減小換熱面積以達到控制的目標(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臺凝水回收泵采用2用1備方式，操作人員在人機界面選擇任意一臺為備用，當(dāng)2臺主凝水回收泵中的任意一臺發(fā)生故障時發(fā)出聲光報警，并自動啟動備用泵工作。根據(jù)凝結(jié)水箱液位進行調(diào)節(jié)，通過水箱液位改變凝水回收泵的頻率，進行PID調(diào)節(jié)使整個水箱液位保持恒定，使液位控制在該時段的目標(biāo)值。當(dāng)軟水箱液位低于某一低限設(shè)定值時，停止1臺回收泵，以節(jié)省凝水回收泵的電耗。

4)補水泵的控制。2臺補水泵采用1用1備方式，操作人員在人機界面選擇1臺為備用，當(dāng)主補水泵發(fā)生故障時發(fā)出聲光報警，并自動啟動備用泵工作。凝汽器供水總管(熱網(wǎng)回水總管)壓力進行調(diào)節(jié)，通過給水壓力改變補水泵的頻率，進行PID調(diào)節(jié)使整個供水水壓控制在設(shè)定范圍值內(nèi)，從而達到調(diào)節(jié)凝汽器出水管壓力和給高溫循環(huán)水補水的作用。

3.2 熱力子站控制策略

1)監(jiān)控對象說明。

本系統(tǒng)監(jiān)控對象為一次管網(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)控制及補水電磁閥和補水泵的控制，并將變頻器及各類儀表、閥門的運行參數(shù)、計量參數(shù)上傳監(jiān)控中心進行監(jiān)控，同時熱力站的現(xiàn)場裝有1個觸摸屏，可進行現(xiàn)場操作和監(jiān)控。每個熱力站有熱量計1臺、壓力變送器5臺、溫度傳感器4只、流量計2臺、電動調(diào)節(jié)閥1臺、電動開關(guān)閥1臺、循環(huán)水泵2臺、變頻器1臺，控制方式為一拖二等組成。系統(tǒng)采用德國Beckhoff BX9000型PLC對其實現(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，來對二次網(wǎng)供暖用戶的供熱進行調(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)熱力負荷預(yù)測算法，計算得出下一段時間內(nèi)(通常為下一天內(nèi))各時段各熱力站的熱力負荷設(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)等對各熱力站熱力負荷設(shè)定值進行調(diào)整。各熱力負荷設(shè)定值即為各熱力站在各時段由一次網(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)計算轉(zhuǎn)換為閥門的開度值，并且寫入PLC控制閥門執(zhí)行該時段內(nèi)的開度。調(diào)節(jié)閥通過改變一次水流量，使熱力站一次水的輸出熱量(熱量計讀數(shù))控制在該時段熱量的設(shè)定值。現(xiàn)場熱量計進行數(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)的方式對供暖用戶供熱進行調(diào)節(jié)，即通過改變二次水循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，改變二次水的流量來進行流量調(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，進行PID調(diào)節(jié)，使二次水循環(huán)流量控制在該時段流量的設(shè)定值。

c.補水調(diào)節(jié)閥的控制。

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

補水調(diào)節(jié)閥有著補水和定壓兩重功效，其通過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)的安全運行。其工作原理是：根據(jù)二次水回水壓力作為反饋信號，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)定下限時開閥，補水壓力上升到上限時關(guān)閥，使二次水回水壓力控制在安全設(shè)定值范圍內(nèi)。

對于部分失水量大的換熱站系統(tǒng)設(shè)置補水泵1臺，補水泵采用變頻控制。當(dāng)補水流量超過上限時關(guān)閉補水閥，低于下限時開啟補水泵補水，補水泵采用PID控制，使水管壓力控制在設(shè)定值。

3)循環(huán)水泵啟?？刂?。

在對二次側(cè)的循環(huán)水泵控制時，操作員需要首先對2臺泵在監(jiān)控畫面上進行主備選擇，并可進行啟動時間設(shè)定，點啟動后系統(tǒng)檢測沒有任何故障的情況下，優(yōu)先啟動主用泵，當(dāng)主用泵有故障的情況下，系統(tǒng)自動切換到備用泵上。接觸器閉合動作完成后，系統(tǒng)將判斷幾個接觸器的狀態(tài)是否正常，正常后將啟動變頻器，水泵進入運行狀態(tài)。接觸器狀態(tài)不對，將停機報警。

4 結(jié)語

該城市集中供熱系統(tǒng)改造工程通過采用上述熱力首站和熱力子站的控制策略并結(jié)合計算機自動化控制系統(tǒng)，經(jīng)過兩年的實際運行，實現(xiàn)了集中供熱熱網(wǎng)的集中動態(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題。該控制策略較好地結(jié)合了該項目的具體情況，是切實可行的控制方案，此方案的應(yīng)用進一步提高了熱力公司的管理水平和經(jīng)濟效益。

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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