某中央空调换热站蒸汽加热自动调节系统改造

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摘 要：文章结合某厂房中央空调系统的换热站供热系统进行了分析，找出了现有蒸汽调节系统中所存在的问题，并给出了解决方案。简单介绍了蒸汽自动调节系统的设计，包括蒸汽调节阀的选择；温度传感器的选择、安装；自动控制系统的实现。

关键词：蒸汽调节阀；数显PID控制；温度传感器；设计改造

引言

随着经济建设的快速发展，人们对各种能源的需求也日益增加，能源及效率问题日益突出，在暖通节能领域，暖通自动控制调节技术已经获得了广泛的应用。自动控制系统已被列为暖通设计的基本要求之一。当前暖通自动控制又离不开PID控制。目前，PID控制及其控制器或智能控制器（仪表）已经很多，产品已经在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。可以利用PID控制结合各种调节阀，实现压力、温度、流量、液位等的闭环控制，控制稳定，并且精度高。

1 工程概况

此厂房位于辽宁省沈阳市，建筑面积20310m2。冬季为保证此厂房内良好的空气质量，供暖系统包括两部分，其一为散热片蒸汽采暖系统，其二为中央空调采暖系统。中央空调采暖系统换热站含有两套高效管换热器系统。热媒为饱和蒸汽，饱和蒸汽压力为0.2MPa-0.39MPa，温度为120℃-142℃。蒸汽与冷水通过换热机组进行热交换，为厂房末端送风机组提供热水。供水系统工作压力为0.3MPa，供水温度为60℃-50℃和60℃-40℃，设计总供热量为1580kW。

2 现状分析

现有换热站中蒸汽的流量调节，是通过自立式温控阀进行调节。自立式温控阀是机械式温控阀，采用热敏介质封装在感温包内，利用感温介质热胀冷缩的原理控制阀门的开启、调节开度大小和关闭。主要原理和优缺点如下：

（1）自力式温度调节阀是利用液体热胀冷缩原理，靠感温包内液体体积变化控制流量。控制流程图如图1所示，控制过程为：

温度，体积△v=k1（△t）

流量，行程△Q=k3（△L）

行程，体积△L=k2（△v）△Q=k1·k2·k3（△t）=k（△t）

因此，其控制方式为简单的比例调节（P调节）K为比例系数。

（2）优点：无需外部电源；造价低；安装简便快捷。

（3）缺点：a.原理性缺陷：仅为简单比例调节，无法消除静差。b.结构性缺陷：比例系数K由自身机械结构确定，无法根据现场工况修正。c.工艺性缺陷：生产组装时受环境温度湿度影响大，无法精确控制阀芯行程，只能牺牲稳定的流量调节曲线来满足流量要求，阀口易磨损。执行器阀杆处为动密封，在较高温度环境工作，易老化、漏液，且易稀释生锈，造成执行器卡死。d.此调解系统无实时温度显示。综上所述，此调节阀的稳定性和调节精度已经不适应当前的加热系统，导致现有供水温度总是超高。将会导致的后果有如下几个，首先使厂房内温度过高，使人员感觉极不舒适；其二浪费大量热力资源；其三温度升高会直接导致水系统内压力增高，可能会引起安全隐患。

3 方案设计

通过上述的系统现状分析，得出现有系统存在的问题为温度超高，同时引起系统压力不稳定，另外无现场温度实时显示，不能现场进行直观调节。要想解决上述问题，就要设计选择一套闭环控制系统，而且要能消除系统静差。经过查阅资料和相关技术论证，拟采用数显智能PID控制器结合调节阀控制蒸汽的流量，进而控制系统的供水温度。

具体技术实施方案为，采用西门子两通阀、西门子电动液压执行器、数显pid控制仪表、温度传感器等部件实现蒸汽流量自动控制，进而实现供水温度的稳定控制。控制流程图如图2所示。

3.1 PID调节工作原理

PID调节，即按偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分 （Derivative）进行控制的调节器（简称PID调节器）是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器，它结构简单，参数易于调整。采用PID调节可以很好地消除系统静差，从而提高了控制系统的控制精度。

3.2 调节阀及执行器的选择

设计时对调节阀特性及口径的选择正确与否将直接影响系统的稳定性和调节质量。本次设计改造采用电动液压调节阀，其主要结构分为两个部分，电动液压执行器和调节阀。

3.2.1 执行器的选择

（1）弹簧复位功能的选择：一般情况下，电动调节阀在无电信号时停在当时阀位状态。对于蒸汽阀，必须有复位关闭的功能，即在断电时能够停止蒸汽流入用气设备。

（2）执行机构输出力矩的选择：根据关闭压差Δps选择，关闭压差为保证电动阀安全关闭的情况下阀门两端的最大压差，根据热媒实际压力、阀芯的重力阻力、管路实际情况等综合分析，此调节阀的关闭压差Δps≥1.0MPa。

（3）根据上述两条原则，本次设计选择了西门子SKC62电动液压执行器，具体参数为：弹簧复位，行程为40mm，关闭压差为1.6MPa。

3.2.2 调节阀的选择

（1）流量特性的选择，宜使阀门的工作状态S≤0.7。

（2）结构形式的选择，本系统调节阀用于蒸汽管路上，蒸汽的流量控制应选用单座阀。

（3）调节阀口径的选择，按流通能力Kv值来确定阀门口径。

一般步骤：a.计算流量的确定；b.计算压差的确定；c.流通能力计算；d.初步确定口径，开度验算，可调比验算，压差校核，最终确定口径。

对于饱和蒸汽：

其中：M-质量流量，kg/h；P1-调节阀前绝对压力，Pa；P2-调节阀后绝对压力，Pa；ρ-调节阀处的流体密度，kg/m3；ρ2-阀后出口截面上的蒸汽密度，kg/m3；ρ"2-蒸汽密度kg/m3，可根据P"2=P1/2和蒸汽温度查表得到。

根据热媒参数和上述三条选择规则，并参照西门子两通阀选型样本进行了相关计算（计算过程不赘述），选择了西门子VVF43系列DN100两通阀门和西门子VVF43系列DN125两通阀门各一个。

3.3 温度传感器的选型及安装

3.3.1 温度传感器选型

（1）测温原理：根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律变化的原理，我们可以得到所需测温的温度值。（2）根据常用温度传感器的种类、测温范围及特点进行选择。

a.温度传感器的量程即测温的上、下限值应为测点温度范围的1.2-1.5倍。b.根据工艺要求，确定仪表种类和精度等级。本系统测温点为供水温度，所以按上述原则综合考虑选择Pt100热电阻，测温范围0℃-100℃，即可满足系统的测温控制要求。

3.3.2 温度传感器安装

（1）测温点的选择安装位置要使测得的温度具有代表性。（2）传感器应保证插入深度，应迎着介质流向或与流向垂直，最小插入深度一般应大于60mm。（3）热电阻安装注意事项，如图3所示。本系统中目的是为了控制供水温度，所以将测温点安装在从换热器热交换出来的供水管路上。

4 结束语

（1）本工程核心控制理论为PID调节，调节阀的选择为难点和重点。

（2）经过这篇文章的叙述、论证和计算，确定了控制系统中各个关键部件的选型。通过这次改造完成后，可实现系统的平稳控制，良好地消除系统的静差，解决原系统超温、超压等问题。对此中央空调系统运行节能环保和安全性方面有积极的意义。另外此控制系统的设计完成，对以后诸如此类的项目设计都有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]陆培文，孙晓霞，杨炯良.阀门选用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

作者简介：张志福（1983-），男，本科，工程师。

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