集中供熱換熱站水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)

孫志沛

摘 要：根據(jù)集中供熱水系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律，并運(yùn)用自動(dòng)控制的原理，總結(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行控制的方案，目的在于在集中供熱項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段提出設(shè)計(jì)依據(jù)，并可指導(dǎo)運(yùn)行人員對(duì)具備自動(dòng)運(yùn)行控制的集中供熱系統(tǒng)提供操作指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鍋爐；一次管道；換熱站；二次管道；熱用戶；自控

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.09.097

1 前言

我國(guó)北部地區(qū)冬季的供熱是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技水平的提高，供熱系統(tǒng)向著大型集中供熱發(fā)展。大型集中供熱有利于節(jié)能和環(huán)保，但是因其水系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行中的自控調(diào)節(jié)成為科學(xué)運(yùn)行和節(jié)能降耗的關(guān)鍵。目前集中供熱系統(tǒng)普遍采用二次換熱的方式，其特點(diǎn)在于可以將大型管網(wǎng)通過(guò)換熱站分解為相對(duì)小的供熱單元，以利于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。在沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的供熱系統(tǒng)，往往依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，人為因素較多，投入的人力也相對(duì)較多，往往也因?yàn)椴僮魅藛T的技術(shù)水平和責(zé)任心因素，不能實(shí)現(xiàn)科學(xué)的運(yùn)行。為了達(dá)到更加科學(xué)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的，換熱站的自動(dòng)化控制是發(fā)展趨勢(shì)。

2 自動(dòng)控制運(yùn)行的系統(tǒng)模式

（1）集中供熱系統(tǒng)由鍋爐，一次管道，換熱站，二次管道和用戶幾個(gè)單元構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)（圖1）。

在非自動(dòng)控制的供熱系統(tǒng)模式下，鍋爐的運(yùn)行調(diào)節(jié)是主動(dòng)性的，也就是說(shuō)在鍋爐運(yùn)行中，根據(jù)室外溫度情況并參考供水溫度的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由鍋爐主動(dòng)進(jìn)行供水溫度的調(diào)節(jié)，這種情況下一次水的流量是不變化的，也就是稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”的運(yùn)行方式。在實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)中，由于一次水流量的不同，一次水供水溫度與回水溫度的溫差無(wú)法從經(jīng)驗(yàn)值做出統(tǒng)一規(guī)定，因此參考一次水回水溫度是可行的模式（表1）。質(zhì)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于鍋爐運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，但是因?yàn)橐淮喂艿篮投喂艿赖拈L(zhǎng)度不一，存在到達(dá)供熱終端的熱用戶實(shí)現(xiàn)根據(jù)室外溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)存在滯后問(wèn)題。

（2）自動(dòng)控制調(diào)節(jié)模式。自動(dòng)控制的供熱系統(tǒng)中，熱用戶和換熱站成為主動(dòng)調(diào)節(jié)的單元，而鍋爐運(yùn)行處于被動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)。其模式是根據(jù)室外溫度的變化，換熱站對(duì)一次管道的水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè)供熱系統(tǒng)中多個(gè)換熱站同時(shí)調(diào)節(jié)的結(jié)果，勢(shì)必造成一次水的總量變化。而鍋爐運(yùn)行模式為一次水供水溫度基本保持不變，根據(jù)一次回水溫度變化來(lái)調(diào)整燃燒。這樣的運(yùn)行模式一般稱為“量調(diào)節(jié)”。在量調(diào)節(jié)運(yùn)行模式下，換熱站的水量調(diào)節(jié)依靠流量調(diào)節(jié)閥或者二級(jí)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閺膿Q熱站到熱用戶的二次網(wǎng)相對(duì)更加復(fù)雜，不建議對(duì)二次水也進(jìn)行量調(diào)節(jié)。

（3）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的硬件條件。換熱站作為主動(dòng)調(diào)節(jié)單元，需要具備針對(duì)一次水流量調(diào)節(jié)的設(shè)備，一般可采取流量調(diào)節(jié)閥控制或者二級(jí)泵變頻控制。而控制的依據(jù)是室外溫度檢測(cè)和二次水供回水溫度的檢測(cè)。通過(guò)PLC系統(tǒng)采集溫度數(shù)據(jù)來(lái)控制流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度或者二級(jí)泵的運(yùn)行頻率。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，鍋爐的自動(dòng)運(yùn)行也是必備的條件。在一次網(wǎng)各換熱站的同趨向調(diào)節(jié)下，一次水的流量會(huì)發(fā)生變化。一次水流量的變化會(huì)造成回水溫度的變化。鍋爐自控系統(tǒng)應(yīng)具備通過(guò)流量和一次水溫差折算外網(wǎng)需熱量的功能，通過(guò)這些數(shù)據(jù)的采集與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐爐排，鼓引風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3 自控運(yùn)行的參數(shù)確定

3.1 供熱系統(tǒng)需熱量的確定

供熱系統(tǒng)自控運(yùn)行的重要參數(shù)是需熱量，由于換熱站是調(diào)節(jié)的執(zhí)行單元，因此每個(gè)換熱站的需熱量是決定一次水和二次水溫度的關(guān)鍵數(shù)值。對(duì)于每個(gè)換熱站其供熱的范圍是相對(duì)固定的，因此可以根據(jù)所供熱區(qū)域內(nèi)各種建筑形式來(lái)核算總的需熱量。在建筑采暖設(shè)計(jì)中，單平米的需熱量的計(jì)算是比較復(fù)雜的，需要參考的參數(shù)比較多，比如圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，門窗冷風(fēng)滲透，建筑物朝向，頂棚地面等因素。對(duì)于新建小區(qū)總的需熱量往往由建筑采暖設(shè)計(jì)給出，核算相對(duì)簡(jiǎn)單。但對(duì)于老舊小區(qū)，往往缺乏這些基礎(chǔ)資料。那么需要根據(jù)建筑物的節(jié)能等級(jí)來(lái)核算在一定室外溫度T0下的總需熱量（表2）。

從表1可以看出，一個(gè)換熱站供熱區(qū)域內(nèi)的不同建筑形式的需熱量是不同的。根據(jù)不同形式建筑的單平米需熱量結(jié)合供熱平方米數(shù)，可以計(jì)算出每種建筑形式需熱量Q0，其關(guān)系為：

Q0=Kq0S（1）

Q0為熱量 W；

K為修正系數(shù) （邊墻K=1.2頂，底K=1.4）；

S為建筑面積m2。

對(duì)于存在多種建筑形式的換熱站，其總的需熱量為各種建筑形式需熱量之和。

3.2 供熱系統(tǒng)水流量的確定

供熱系統(tǒng)二次水的流量與需熱量有關(guān)，也與二次水供回水溫度差相關(guān)。供熱系統(tǒng)的二次水在某個(gè)室外溫度情況下的供回水溫度的確定是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，由于熱用戶的采暖形式不同，所需要的供回水溫度也不同。例如四柱813暖氣片，銅鋁復(fù)合式暖氣片以及地采暖各自有相適應(yīng)的供回水溫度。所以針對(duì)每一個(gè)換熱站需要根據(jù)其具體情況參考熱用戶采暖形式來(lái)確定二次水的供回水溫度。對(duì)于多種采暖形式并存的換熱站，則應(yīng)考慮主要采暖形式。二次水的流量基本上遵循下面的關(guān)系：

G2=0.86Q0/[C（T21-T22）]μ2（2）

G2為二次水流量kg/h；

Q0為建筑需熱量W；

C為水的比熱（C≈1kcal/kg℃）；

T21為二次水供水溫度℃；

T22為二次水回水溫度℃；

μ2為管道效率，一般取0.8-0.9。

上面公式中，需要根據(jù)室外氣溫確定的，是二次水的供回水溫度，也就是T1和T2。根據(jù)供熱行業(yè)多年摸索的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于四柱813暖氣片，其數(shù)值可參考表3。其他形式的暖氣片及地采暖應(yīng)參考廠家給定數(shù)值。

4 自控運(yùn)行調(diào)節(jié)原理

（1）變頻水泵的特性。對(duì)于水泵來(lái)講，每個(gè)廠家的水泵都有特定的特性曲線，但特性曲線的基本模式是基本相同的。也就是說(shuō)水泵的流量變化取決于阻力變化。對(duì)于一個(gè)阻力相對(duì)固定的系統(tǒng)，流量是基本恒定的。但是目前運(yùn)用變頻技術(shù)來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量，那么我們需要了解水泵在不同頻率下的特性曲線。如上所述，每個(gè)廠家的特性曲線也是不同的。隨著變頻從50Hz（工頻）向下調(diào)節(jié)，其特性曲線的變化趨勢(shì)是逐漸變窄并參數(shù)降低的。

（2）二次水水量的調(diào)節(jié)。在自控系統(tǒng)中，檢測(cè)外界氣溫T0二次供回水溫度T21和T22是重要的環(huán)節(jié)。因?yàn)橛脽醾?cè)的變化是隨機(jī)的，保證回水溫度即可保證熱量輸出達(dá)到效果，也就是說(shuō)能夠保證供熱效果。在實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)中，應(yīng)將外界氣溫與二次水回水溫度的關(guān)系在微機(jī)中進(jìn)行預(yù)設(shè)，并將所使用的水泵各頻率下的特性曲線進(jìn)行預(yù)設(shè)。在外界氣溫參數(shù)下，通過(guò)檢測(cè)的二次供回水溫度來(lái)計(jì)算所需的水泵流量，并對(duì)水泵運(yùn)行頻率赫茲數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。以達(dá)到滿足當(dāng)前室外溫度下的需熱量。

（3）一次水水量的調(diào)節(jié)。從原理上講，通過(guò)板式換熱器一次水與二次水的熱量交換是等量的，只是應(yīng)考慮換熱效率的修正。因此，一次側(cè)的需熱量為：

Q1=Q2/μ1（3）

由此可以確定一次水的流量為：

G1=0.86Q0/[C（T11-T12）]μ1（4）

G為二次水流量kg/h；

Q0為建筑需熱量W；

C為水的比熱（C≈1kcal/kg℃）；

T11為二次水供水溫度℃；

T12為二次水回水溫度℃；

μ1為換熱效率，一般取0.9。

根據(jù)換熱站的設(shè)置形式不同，一次水的流量調(diào)節(jié)方式有流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方式和二級(jí)泵調(diào)節(jié)方式。對(duì)于流量調(diào)節(jié)閥的形式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)應(yīng)選用電控調(diào)節(jié)閥。在運(yùn)行調(diào)節(jié)中，通過(guò)檢測(cè)室外氣溫和一次水供1回水溫度作為基本參數(shù)，并將室外氣溫與一次水供回水溫度的關(guān)系進(jìn)行預(yù)設(shè)，并根據(jù)所選用的調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度與流量特性，對(duì)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。而通過(guò)二級(jí)泵的調(diào)節(jié)方式，與二次水的流量調(diào)節(jié)原理是相同的。與二次水調(diào)節(jié)不同的是，一次水的調(diào)節(jié)需要增加對(duì)二次水回水溫度的檢測(cè)，也就是需要一個(gè)對(duì)供熱效果的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，并通過(guò)檢測(cè)二次回水溫度，及時(shí)對(duì)一次水流量進(jìn)行修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所闡述的是鍋爐——換熱站——熱用戶這個(gè)系統(tǒng)，被動(dòng)調(diào)節(jié)情況下，針對(duì)換熱站的自動(dòng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的問(wèn)題。也就是說(shuō)，調(diào)節(jié)的首位主動(dòng)權(quán)在熱用戶。當(dāng)熱用戶調(diào)節(jié)造成換熱站參數(shù)發(fā)生變化后，換熱站針對(duì)二次水和一次水的調(diào)節(jié)思路。對(duì)于鍋爐來(lái)講，多個(gè)換熱站的自主調(diào)節(jié)，將視同于熱用戶的主動(dòng)調(diào)節(jié)。鍋爐房的調(diào)節(jié)問(wèn)題是另一個(gè)課題，此文沒(méi)有涉及。

本文是從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了換熱站調(diào)節(jié)的問(wèn)題。由于供熱技術(shù)與自控，軟件編程分屬不同專業(yè)，本文未對(duì)供熱技術(shù)和自控編程等進(jìn)行深入的闡述，本文的目的是針對(duì)不同專業(yè)在銜接中的問(wèn)題進(jìn)行分析，希望能夠在實(shí)際工作中起到參考作用。