自动控制技术在集中供热节能方面的应用

摘要:在集中供热系统中,采暖热水由水力管网输送到各个换热站,再由换热站换热后,把热能输送到各个热用户,换热站的平稳、节能运行在供热中就显得十分重要。本文以哈尔滨原马家沟机场开发区集中供热系统换热站自动控制方面的一些实际应用为例,对自动控制在集中供热系统中起到的作用进行一些探讨。

关键词:自动控制;集中供热;节能;换热站

哈尔滨哈投投资股份有限公司供热公司,目前承担着哈尔滨原机场开发区近800万平方米的集中供热任务,现有换热站124座。大多应用黑龙江天翔公司设计的RTU(Remote Terminal Unit,远程终端单元)系统,供热设备按设定参数运行,运行参数和运行状态以及故障情况,能实时上传到公司调度中心机房,换热站可实现无人值守。下面就对我公司换热站RTU系统应用情况进行简要介绍。

1 换热站自控系统设计原则

运用换热站自控系统的目标是在保证供热质量的前提下,达到经济运行,即降低热、水、电的消耗,为此就需要提出一套科学的工艺控制方案和与之匹配的设备设置,这是十分重要的。根据供热系统规模及供热系统的复杂程度,选用高性价比的自控设备,比如国内外知名品牌的PLC(可编程序控制器)系统及控制软件。目前我公司采用的热网RTU系统主要元器件采用施耐德品牌PLC。换热站自控系统由于供热形式和机组设备的不同,因而需制定具有针对性的控制策略。在选择控制系统及配套仪表时,应该本着性能可靠,简单实用便于维护的原则。在设计整个换热站自控系统时,要充分考虑到系统运行的稳定性、兼容性、开放性、通用性及可扩展性。站内RTU和公司调度中心机房的通讯协议应选用在国际上或者在国内已经广泛应用的通讯协议。

2 换热站自控系统组成

我公司的供热形式为通过换热器对集中供热一次网和用户二次网进行热能交换,通过二次网络将热能输送给用户,具体形式如简图1所示。

我公司换热站RUT系统一般由PLC、现场仪表及电器、通讯接口、人机接口触屏等组成。

自控系统采集参数有:一次网供水温度、压力、流量(热量);一次网回水温度、压力;二次网供水温度、压力;二次网回水温度、压力;一次网供水流量调节阀开启度;循环水泵、补水泵运行状态;循环水泵、补水泵的频率控制与反馈

如上图2所示,温度、压力、流量等参数通过现场仪表传感器转换成标准的电信号,变频器把电机的电流、转速等信号送入PLC,PLC可以控制变频器的启停及调速。触屏作为现场的人机接口,显示换热站的主要参数及设备状态,现场的操作指令也可以通过触屏下达。

3 换热站供热控制策略

热量平衡:当热水网路在稳定状态下运行时,如不考虑管网的沿途损失,则网路的供热量应等于供暖用户采暖设备的散热量,也应该等于供暖热用户的热负荷。

3.1 供暖热用户的热负荷Q1

Q1=qV(tn-tw)

q-建筑物的体积供热指标;V-建筑物的外部体积;tn-室内温度;tw-室外温度。

3.2供暖用户采暖设备的散热量Q2

3.3供热量Q3

Q3=GC(tg-th)/3600=1.163G(tg-th)

G-循环水流量;c-热水的质量比热;c=4.187J/kg.℃;tg-供水温度;th-回水温度

即Q1=Q2=Q3这也是供热调节的理论基础,从公式中可以看出,系数q及V一般变化不大,我们可以认为是常数,所以当我们要控制建筑物的室内温度一定时,只有tw-室外温度一个变量,也就是说室外温度是影响建筑物供暖热负荷的唯一变量。所以在换热站自控系统中,室外温度的变化是系统产生扰动的决定性因素,控制的主要目的就是抵消室外温度变化产生的扰动影响,维持系统的平衡。我们公司采用 “室外温度-供水温度的调节” 与“分段改变流量”结合的方式。

3.4供水温度tg调节

G-相对流量比;等于实际流量G与设计运行流量G"的比,G=G/G";?茁-散热器的散热指数,对于常用散热器?茁=0.14～0.37。

公式中凡带有上角标“"” 的参数为设计工况下的,不带上角标的为任意室外温度tw下的参数。当室外温度tw一定时,相对流量比G是定值,所以供水温度tg也是定值。通过以上分析我们知道,在一段时间内的平均室外温度和供水温度在理论上有唯一的对应关系。我们很容易通过理论计算求出质调节时室外度-供水温度的对应曲线。

如上图3所示,室外温度-供水温度的对应曲线在某一段可以近似为折线,我们可以通过多段折线函数来描述室外温度-供水温度的对应关系。即tg=f(tw)。优点:此种控制策略的优点比较突出,直接控制供水温度具有调节周期短,较稳定的特点,而且便于实时修正。此种控制在自控调节上也最容易掌握。因此此种控制策略的应用也较多。比较适合于单纯质调节和质调节加分阶段量调节的热力站。缺点:在同一室外温度下,当流量比变化时,相对供暖热负荷比Q会改变,二级网供水温度tg也会改变,曲线得重新制定,比较繁琐。另外用同一条曲线很难适应所有的建筑,必须结合运行人员的实际经验加以修正,才能达到令人满意的效果。

由于供热系统热惰性大,属于滞后系统,对于调节规律的选择,适合于长积分调节,即流量调节阀不连续调节,避免产生振荡,使被调参数出现上下反复波动现象,这样调节效果反而不好。这种调节就是把RTU的调节积分时间设定稍长一些,把供热系统的规模大小作为一个参考数据。系统越大,积分时间应愈长,这样可以充分反映延时的影响。调节时流量调节阀的频率变化也不能过大,要进行行程限制和调节死区控制。

3.5 分阶段改变流量

循环水泵的控制主要是保证二级网的水力工况,根据情况可以采用一对一或一对多的调节模式。运行方式主要为以下几种。

3.5.1 定压差调节

以二级网进出口母管的压差为控制目标,通过变频器控制循环泵的转速,保持二级网进出口母管的压差始终保持在定值。

3.5.2 分阶段改变流量

根据采暖期气象条件的不同,热用户热负荷会有很大的变化,所以我们在自控系统中可把采暖期分为初末期、中期、严寒期几个阶段,在每个阶段采用不同的运行方式,采用循环水泵和一次网流量调节阀配合动作供热。以循环水泵为例,假设在初末期以70%的额定流量运行,在中期以80%的额定流量运行,在严寒期以额定流量运行,这样将节省大量的电能,也能保证提供更加理想的运行工况。

在热风幕机组中,热负荷的主要需求为9:00-20:00时段,所以我们在热负荷需求时段设定正常压差值,保证用户的供热量,在其它时段RTU自动切换为已设定的经济压差,保证系统运行需求的最低负荷指标。这样即满足了用户的要求,要保证了能源的合理利用。

4节能效果分析

4.1降低单位热能消耗

通过自动控制方案的实施,一方面减小了管网水力失调的程度,使得用户系统热能的分布更为均匀。另外通过对一次网流量调节阀开度的分时自动控制与换热站水泵合理、及时的调节配合,还可以避免人工调节在时间上的滞后性和对经验的依赖性。以我公司一个15万平米供热面积的换热站为例,05年热量单耗为0.91GJ/平方米,06年在自动控制方案的实施后,热量单耗为0.83GJ/平方米,则累计节省热量为12000GJ,以1GJ购入价30元计算,可节省热能费用36万元。

4.2降低单位电耗

在换热站增设水泵变频设备,可对水泵电机频率进行自动控制,通过改变电动机的电流及频率,达到节能的目的。变频控制的调节范围很宽,且能保持较高的效率,实现精度很高的运行。变频控制的节能还表现在消除了电动机启动过程中的大电流,对延长水泵的使用寿命也很有益处。另一方面,当热用户的用热负荷较小时,可以通过减小流量的方式降低水泵对能源的消耗。还以我公司一个15万平米供热面积换热站为例,05年换热站水泵共耗电23.4万度,即电单耗为1.56度/平米供热面积,06年在自动控制方案的实施后,电单耗为1.25度/平米供热面积,15万平米供热面积节电量为4.65万度,按电费单价0.747计算,可节省购电费用3.44万元。

4.3降低人工费

增加自动控制设备,换热站运行最终达到无人值守,值班巡查方式。可节省人员费用2万元。由此可见,以我公司15万平米供热面积的换热站为例,合计节省热能费用、运行费用和人工费用41.44万元。所以通过自控调节手段及变频器的合理配置,一定能达到很好的节能效果。

5结论

综上所述,换热站自控系统的应用能够使热能更加有效地得到利用,并且降低供热成本,提高供热效率,使经济效益显著提高。

参考文献

[1]余宝法,李百红,赵海恒.供热系统的自动控制策略[J].西南交通大学学报,2001-08-28.

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