某中央空調(diào)換熱站蒸汽加熱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造

摘 要：文章結(jié)合某廠房中央空調(diào)系統(tǒng)的換熱站供熱系統(tǒng)進(jìn)行了分析，找出了現(xiàn)有蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所存在的問題，并給出了解決方案。簡單介紹了蒸汽自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計，包括蒸汽調(diào)節(jié)閥的選擇；溫度傳感器的選擇、安裝；自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：蒸汽調(diào)節(jié)閥；數(shù)顯PID控制；溫度傳感器；設(shè)計改造

引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人們對各種能源的需求也日益增加，能源及效率問題日益突出，在暖通節(jié)能領(lǐng)域，暖通自動控制調(diào)節(jié)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。自動控制系統(tǒng)已被列為暖通設(shè)計的基本要求之一。當(dāng)前暖通自動控制又離不開PID控制。目前，PID控制及其控制器或智能控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已經(jīng)在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)?？梢岳肞ID控制結(jié)合各種調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位等的閉環(huán)控制，控制穩(wěn)定，并且精度高。

1 工程概況

此廠房位于遼寧省沈陽市，建筑面積20310m2。冬季為保證此廠房內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，供暖系統(tǒng)包括兩部分，其一為散熱片蒸汽采暖系統(tǒng)，其二為中央空調(diào)采暖系統(tǒng)。中央空調(diào)采暖系統(tǒng)換熱站含有兩套高效管換熱器系統(tǒng)。熱媒為飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力為0.2MPa-0.39MPa，溫度為120℃-142℃。蒸汽與冷水通過換熱機(jī)組進(jìn)行熱交換，為廠房末端送風(fēng)機(jī)組提供熱水。供水系統(tǒng)工作壓力為0.3MPa，供水溫度為60℃-50℃和60℃-40℃，設(shè)計總供熱量為1580kW。

2 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有換熱站中蒸汽的流量調(diào)節(jié)，是通過自立式溫控閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。自立式溫控閥是機(jī)械式溫控閥，采用熱敏介質(zhì)封裝在感溫包內(nèi)，利用感溫介質(zhì)熱脹冷縮的原理控制閥門的開啟、調(diào)節(jié)開度大小和關(guān)閉。主要原理和優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）自力式溫度調(diào)節(jié)閥是利用液體熱脹冷縮原理，靠感溫包內(nèi)液體體積變化控制流量?？刂屏鞒虉D如圖1所示，控制過程為：

溫度，體積△v=k1（△t）

流量，行程△Q=k3（△L）

行程，體積△L=k2（△v）△Q=k1·k2·k3（△t）=k（△t）

因此，其控制方式為簡單的比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）K為比例系數(shù)。

（2）優(yōu)點(diǎn)：無需外部電源；造價低；安裝簡便快捷。

（3）缺點(diǎn)：a.原理性缺陷：僅為簡單比例調(diào)節(jié)，無法消除靜差。b.結(jié)構(gòu)性缺陷：比例系數(shù)K由自身機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，無法根據(jù)現(xiàn)場工況修正。c.工藝性缺陷：生產(chǎn)組裝時受環(huán)境溫度濕度影響大，無法精確控制閥芯行程，只能犧牲穩(wěn)定的流量調(diào)節(jié)曲線來滿足流量要求，閥口易磨損。執(zhí)行器閥桿處為動密封，在較高溫度環(huán)境工作，易老化、漏液，且易稀釋生銹，造成執(zhí)行器卡死。d.此調(diào)解系統(tǒng)無實(shí)時溫度顯示。綜上所述，此調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精度已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的加熱系統(tǒng)，導(dǎo)致現(xiàn)有供水溫度總是超高。將會導(dǎo)致的后果有如下幾個，首先使廠房內(nèi)溫度過高，使人員感覺極不舒適；其二浪費(fèi)大量熱力資源；其三溫度升高會直接導(dǎo)致水系統(tǒng)內(nèi)壓力增高，可能會引起安全隱患。

3 方案設(shè)計

通過上述的系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，得出現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題為溫度超高，同時引起系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，另外無現(xiàn)場溫度實(shí)時顯示，不能現(xiàn)場進(jìn)行直觀調(diào)節(jié)。要想解決上述問題，就要設(shè)計選擇一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且要能消除系統(tǒng)靜差。經(jīng)過查閱資料和相關(guān)技術(shù)論證，擬采用數(shù)顯智能PID控制器結(jié)合調(diào)節(jié)閥控制蒸汽的流量，進(jìn)而控制系統(tǒng)的供水溫度。

具體技術(shù)實(shí)施方案為，采用西門子兩通閥、西門子電動液壓執(zhí)行器、數(shù)顯pid控制儀表、溫度傳感器等部件實(shí)現(xiàn)蒸汽流量自動控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水溫度的穩(wěn)定控制?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

3.1 PID調(diào)節(jié)工作原理

PID調(diào)節(jié)，即按偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）、微分 （Derivative）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器（簡稱PID調(diào)節(jié)器）是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器，它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整。采用PID調(diào)節(jié)可以很好地消除系統(tǒng)靜差，從而提高了控制系統(tǒng)的控制精度。

3.2 調(diào)節(jié)閥及執(zhí)行器的選擇

設(shè)計時對調(diào)節(jié)閥特性及口徑的選擇正確與否將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)質(zhì)量。本次設(shè)計改造采用電動液壓調(diào)節(jié)閥，其主要結(jié)構(gòu)分為兩個部分，電動液壓執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥。

3.2.1 執(zhí)行器的選擇

（1）彈簧復(fù)位功能的選擇：一般情況下，電動調(diào)節(jié)閥在無電信號時停在當(dāng)時閥位狀態(tài)。對于蒸汽閥，必須有復(fù)位關(guān)閉的功能，即在斷電時能夠停止蒸汽流入用氣設(shè)備。

（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的選擇：根據(jù)關(guān)閉壓差Δps選擇，關(guān)閉壓差為保證電動閥安全關(guān)閉的情況下閥門兩端的最大壓差，根據(jù)熱媒實(shí)際壓力、閥芯的重力阻力、管路實(shí)際情況等綜合分析，此調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉壓差Δps≥1.0MPa。

（3）根據(jù)上述兩條原則，本次設(shè)計選擇了西門子SKC62電動液壓執(zhí)行器，具體參數(shù)為：彈簧復(fù)位，行程為40mm，關(guān)閉壓差為1.6MPa。

3.2.2 調(diào)節(jié)閥的選擇

（1）流量特性的選擇，宜使閥門的工作狀態(tài)S≤0.7。

（2）結(jié)構(gòu)形式的選擇，本系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥用于蒸汽管路上，蒸汽的流量控制應(yīng)選用單座閥。

（3）調(diào)節(jié)閥口徑的選擇，按流通能力Kv值來確定閥門口徑。

一般步驟：a.計算流量的確定；b.計算壓差的確定；c.流通能力計算；d.初步確定口徑，開度驗(yàn)算，可調(diào)比驗(yàn)算，壓差校核，最終確定口徑。

對于飽和蒸汽：

其中：M-質(zhì)量流量，kg/h；P1-調(diào)節(jié)閥前絕對壓力，Pa；P2-調(diào)節(jié)閥后絕對壓力，Pa；ρ-調(diào)節(jié)閥處的流體密度，kg/m3；ρ2-閥后出口截面上的蒸汽密度，kg/m3；ρ'2-蒸汽密度kg/m3，可根據(jù)P'2=P1/2和蒸汽溫度查表得到。

根據(jù)熱媒參數(shù)和上述三條選擇規(guī)則，并參照西門子兩通閥選型樣本進(jìn)行了相關(guān)計算（計算過程不贅述），選擇了西門子VVF43系列DN100兩通閥門和西門子VVF43系列DN125兩通閥門各一個。

3.3 溫度傳感器的選型及安裝

3.3.1 溫度傳感器選型

（1）測溫原理：根據(jù)電阻阻值、熱電偶的電勢隨溫度不同發(fā)生有規(guī)律變化的原理，我們可以得到所需測溫的溫度值。（2）根據(jù)常用溫度傳感器的種類、測溫范圍及特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

a.溫度傳感器的量程即測溫的上、下限值應(yīng)為測點(diǎn)溫度范圍的1.2-1.5倍。b.根據(jù)工藝要求，確定儀表種類和精度等級。本系統(tǒng)測溫點(diǎn)為供水溫度，所以按上述原則綜合考慮選擇Pt100熱電阻，測溫范圍0℃-100℃，即可滿足系統(tǒng)的測溫控制要求。

3.3.2 溫度傳感器安裝

（1）測溫點(diǎn)的選擇安裝位置要使測得的溫度具有代表性。（2）傳感器應(yīng)保證插入深度，應(yīng)迎著介質(zhì)流向或與流向垂直，最小插入深度一般應(yīng)大于60mm。（3）熱電阻安裝注意事項(xiàng)，如圖3所示。本系統(tǒng)中目的是為了控制供水溫度，所以將測溫點(diǎn)安裝在從換熱器熱交換出來的供水管路上。

4 結(jié)束語

（1）本工程核心控制理論為PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥的選擇為難點(diǎn)和重點(diǎn)。

（2）經(jīng)過這篇文章的敘述、論證和計算，確定了控制系統(tǒng)中各個關(guān)鍵部件的選型。通過這次改造完成后，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)控制，良好地消除系統(tǒng)的靜差，解決原系統(tǒng)超溫、超壓等問題。對此中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能環(huán)保和安全性方面有積極的意義。另外此控制系統(tǒng)的設(shè)計完成，對以后諸如此類的項(xiàng)目設(shè)計都有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]陸培文，孫曉霞，楊炯良.閥門選用手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：張志福（1983-），男，本科，工程師。