供熱及生活熱水系統自動控制關鍵技術分析

王旭東

(晉城市市政工程總公司，山西晉城 048000)

隨著控制技術、傳感技術的不斷發展，這些技術也越來越多的應用于工程的各個領域。傳感技術和控制技術的發展使得合理有效地利用蒸汽熱能變得游刃有余，同樣也使得電鍋爐蓄熱系統應用成為可能。傳感器、執行器、PLC同時作用于電鍋爐蓄熱系統，控制電鍋爐的開啟和關閉以及管路的自動切換，為大廈提供溫度穩定的生活熱水［1，2］。本論文主要是利用現代化的控制手段解決大廈的供暖熱源和生活熱水系統相關技術進行分析。

1 供熱熱水系統方案設計

電廠生產出的高溫高壓熱蒸汽通過市政熱力管網輸送到寫字樓、商場、住宅等用戶的換熱站，經過換熱器換熱后把循環水溫度升高，利用采暖循環泵循環實現供熱的功能。在每一個換熱站現場都安裝蒸汽流量計，計量蒸汽的使用量。采暖循環泵采用星三角啟動方式，下面分析板式換熱器選型計算過程。

1)使用參數。使用負荷：2 500 kW。熱側(蒸汽)：0.4 MPa飽和蒸汽。冷側(水)進口溫度：50℃，出口溫度：60℃，流量：215 m3/h。

2)板式換熱器計算過程。a.對數平均溫差：Δtm=［(150-50)-(150-60)］/ln［(150-50)/(150-60)］=94.9℃。取溫差修正系數0.70，則 Δtm=66.4℃。換熱器的傳熱系數 K= 1 200 kcal/(m2·K)～1 800 kcal/(m2·K)較合理。b.換熱器的負荷計算：Q=2 500 kW(215萬大卡)。c.換熱面積：A=Q/K× Δtm=(2 150 000/1 500)×66.4=21.6 m2。考慮實際工作情況復雜，有一部分換熱面積用于蒸汽過冷，因此取15%的設計余量，則A=25 m2。根據流量及換熱面積初選用BRO.5人字型波紋板型。d.初選型。需用單板面積為0.52 m2的BRO.5型板片約49片。初選流道布置方案：1×24/1×24。有效換熱面積：Ac=0.52× 48=24.96 m2。單通道截面積：0.001 62 m2，角孔直徑：DN125。二次水側流速：V2=q2/As·n2=1.53 m/s。水側流速范圍超出0.2 m/s～0.7 m/s之間，冷側需加旁通。所以，選用型號為BR0.5 P-1.0-25-E的板式換熱器。

2 控制與調節

當系統運行時，壓力傳感器檢測循環水的壓力，當壓力低于0.4 MPa時，控制器發出指令啟動補水泵向系統補水，當壓力上升到0.4 MPa時，控制器發出指令補水泵停止。此時，溫度傳感器檢測板式換熱器二次側出口水的溫度，水低于55℃時，控制器發出信號，執行器向上運動蒸汽流量加大此時二次側出口溫度隨之上升，當溫度達到55℃時，控制器發出信號，執行器停止運動，循環水溫度穩定在55℃。

2.1 溫度調節

1)一次網調節方式探討。這里所謂一次網的調節，就是區域供熱管網系統熱源側方式，量調節是其采用的方式。一般是通過電動調節閥的開度來進行調節一次網的流量，從而使得一次網的量調節成為可能。對于電動調節閥的調節來說，供水溫度傳感器安裝在二次網上，同時根據反饋的二次網供水溫度信號進行說明。該閥門的動作則是通過中央控制器輸出信號進行控制，同樣的反饋信號存在于與該調節閥開度中，另外，對于在室外的中央控制器的室外溫度傳感器來說，也能夠根據實時溫度反饋信號，在一定的內部程序基礎上進行電動調節閥的開度，內部程序還可以通過用戶進行修改和編程。工作說明：通過檢測二次回路的出水溫度來控制一次回路進水閥門的開度，使出水溫度保持在用戶需要的范圍內。控制器在x2接點上可接遠程溫度設定裝置(FZA21.11或QAA25)，該裝置即成為控制器的住設定點。也可接一室外溫度傳感器，實現供水溫度的室外溫度補償。控制器在D1和M之間可接一開關實現晝夜設定點切換。2)一次網調節方式。對于二次網質調節來說，這里采用定轉速泵，即定流量泵采用在二次網的循環泵，能使得二次網的流量保持不變。間接控制二次網的供水溫度可以通過一次網的流量來間接控制，而安裝在一次網上的電動調節閥則能夠改變相關的一次網流量，這就實現所謂的二次網的質調節。同時，在一定程序曲線的控制下進行二次網的供水溫度控制，使得最大可能的節能成為現實。二次網的量調節：變流量泵(變頻泵)在二次網的循環泵中被采用。二次網流量改變則是通過改變電源的頻率而改變電機的轉速實現的，這樣二次網的變流量控制就成為可能。這對于采暖用戶是分戶計量情況較為適用。另外，還采用二次網質和量調相互結合的條件，即二次網的量調節是通過一次網的循環泵采用變流量來改變二次網的流量來實現的。而二次網的質調節則是通過安裝在一次網上的電動調節閥來控制二次網的供水溫度來實現的。

2.2 蒸汽疏水器

熱蒸汽經過板式換熱器換熱后變成冷凝水，為了防止冷凝水排出時產生蒸汽流失，在板式換熱器的熱側出口安裝蒸汽疏水器。蒸汽疏水器的基本作用是將蒸汽系統中的凝結水、空氣和二氧化碳氣體盡快排出，同時最大限度地自動防止蒸汽的泄露。

2.3 蒸汽溫度壓力自動控制方案設計

減壓系統：由壓力傳感器監測蒸汽壓力變化，通過控制系統控制電動執行機構，自動調節減壓裝置出口壓力使之達到用戶使用蒸汽要求。減溫系統：由溫度傳感器監測蒸汽出口溫度變化，并將變化通過信號傳遞至中央控制器進行運算，控制減溫水量，使之達到用戶使用蒸汽要求。控制系統：中央控制器可接受模擬量和數學開關信號并進行復雜運算，實現無級調節，超溫超壓報警，以及智能化無人值守運行。

2.4 各種控制調節元件的選擇

1)溫度傳感器選擇。應該選擇耐高溫、靈敏度高的傳感器，根據這兩個條件選擇PT100溫度傳感器。PT100溫度傳感器是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測量-200℃～+850℃之間的溫度。2)壓力傳感器選擇。西門子BQ620_P10型，此變送器具有精度高、使用壽命長、耐高溫等特點。3)小型控制器選擇。選用西門子RWD62型，該控制器最多可以配置3個PID控制環路，每個控制環路最多可有4套程序，完全能夠滿足最復雜的控制要求。有2個數字輸入接口，6個數字輸出接口，5個模擬量輸入接口，3個模擬量輸出接口。4)換熱器選擇。選用板式換熱器，選用316 L板片制造的蒸汽型板式換熱器。板式換熱器具有傳熱效率高、冷卻水量小、熱損失小等優點。5)水泵選擇。選用單極立式離心泵。循環水泵功率較大，采用“星—三角”啟動方式降低啟動電流，啟動延時時間8 s，由時間繼電器實現。減溫水泵和補水泵功率較小，采用直接啟動的方式。

2.5 系統安裝

1)蒸汽管道根據現場位置布置，須方便操作及維修，并須對管道、減壓閥、安全閥水泵機組加以固定，安全閥的排氣高度注意不能傷及行人并盡量室外排放。2)蒸汽、減溫水如質量較差，需加裝蒸汽過濾器、水過濾器。安裝時，應將管道、水箱等關聯設備內的焊渣雜質等清理干凈，否則將導致閥門密封破壞及減溫器堵塞等故障。3)控制柜可根據現場情況遠/近距離安裝，注意環境溫度及濕度。4)所有管道接口均需密封良好，所有電氣接線均需緊固可靠。5)在蒸汽管道上，應加裝旁通管道以便檢修時不中斷后端重要設備的運行，并在減溫減壓裝置前管道最低處加設疏水閥及管道排水閥。

3 生活熱水電蓄熱系統方案設計

市政熱力管網在春、夏和秋季都不供應蒸汽熱源，這樣一般往往只是采用電鍋爐蓄熱方案在生活熱水系統中。這是因為，環保不符合要求的燃煤鍋爐不能使用，也有運行費用太高的原因。利用夜間低谷電價的電蓄熱方案一方面可以使得運行費用有所降低，另外，對電網的“削峰填谷”的作用也是較為明顯。啟動電鍋爐在晚上10：00左右進行蓄熱，在此過程中，溫度達到95℃時，經過溫度傳感器檢測后傳遞給系統，使得電鍋爐工作停止。第二天還可以使用儲存在蓄熱槽中的熱量。其中，蓄熱水泵、蓄熱水箱、儀表閥門和電鍋爐，還有相關的控制系統則組成了生活熱水電蓄熱系統。整個系統在相關的電鍋爐單供熱、電鍋爐蓄熱、電鍋爐和蓄熱槽聯合供熱、蓄熱槽供熱和電鍋爐蓄熱供熱這五種方式中進行切換。在不同工況下的控制熱水系統中，自控系統可以進行運行參數檢測，主要具備下述功能特點：1)各種信號收發控制(主要來自電鍋爐的開關及傳感器);2)電動閥門的開關在各種工況下進行控制;3)收發控制水泵開關及各種信號;4)蓄熱各種工況的切換在接觸器、執行器等作用下;5)傳感器自動檢測溫度; 6)記錄各種設備運行參數，以及相關的PLC彩色觸摸屏顯示等。

4 結語

熱電聯產所輸出的蒸汽是高壓過熱蒸汽，這些蒸汽通過市政熱力管網輸送到大廈現場時，溫度高達220℃以上，壓力在0.8 MPa以上，這部分熱能無法直接利用。本文利用壓力傳感器、溫度傳感器檢測蒸汽熱源的壓力溫度，通過小型控制器控制電動減壓閥執行器及減溫系統執行器動作，把蒸汽熱源的壓力和溫度控制在可直接利用的0.4 MPa，150℃，通過換熱器利用傳熱學中對流換熱原理把蒸汽熱源的熱能轉換成中央空調熱水系統的熱能。

［1］ 劉 雄，楊登科，年衛琦.集中供暖住宅太陽能生活熱水系統設計分析［J］.可再生能源，2008，26(3)：122-123.

［2］ 鄭曉菲，賀明健.水源熱泵在低溫地熱生活熱水系統的應用 ［J］.煤氣與熱力，2006，26(4)：73-74.