城市集中供熱系統控制策略的探討

高 彥 兵

(北京華優建筑工程設計有限責任公司，北京 100038)

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城市集中供熱系統控制策略的探討

高 彥 兵

(北京華優建筑工程設計有限責任公司，北京 100038)

結合工程實例，介紹了城市集中供熱系統的工藝過程，從熱力首站與熱力子站兩方面，闡述了集中供熱的控制策略，經實際運行，實現了集中供熱熱網的集中動態平衡控制，有效解決了一次網的水力平衡和熱力平衡問題。

集中供熱系統，循環水，換熱器，補水泵

0 引言

我國北方地區冬季目前普遍采用集中供暖方式進行供熱。熱電廠通過城市高溫供熱管道將熱水送至各居民小區、企業中的換熱站。在換熱站，高溫管道中的熱水與二次網的熱水通過換熱器交換熱量。經過換熱后，二次網中熱水流入各居室中。在以上過程中，供熱調度部門需要對分散在不同地理位置的首站和換熱站中的熱量、溫度、壓力、流量、液位等參數進行集中實時監視，控制換熱站中各設備的運行。故城市集中供熱系統采用科學合理的熱力首站和熱力子站控制策略就顯得尤為重要，并需結合現代的供熱理論，采用“管、控一體化”的方法，實現用最少的能源消耗，達到最經濟、優質、安全的供熱目標，保證整個冬季供暖的穩定運行。

1 工程概況

工程地點位于山東省南部，該城市集中供熱系統改造項目的最終供熱面積約1 000萬m2，包括熱力首站兩個(原低溫循環水熱網、新高溫水管網)，二級換熱站約150個。其中首期項目改造380萬m2，首站一個，二級換熱站約50個。首站為汽水換熱站，汽水換熱器為臥式，循環水泵為汽輪機推動的泵。二級換熱站內大部分為換熱機組。在該集中供熱系統改造項目中新建一個換熱首站及50個二級換熱子站自控系統，熱網調度室監控中心，SCADA系統和能源管理系統。實現二級換熱子站、換熱首站全網的科學化調度、控制和管理。

該城市集中供熱系統的熱網控制系統設計目標明確為：

1)實現熱網的“管、控一體化”，將供熱系統的能源管理與控制系統結合在一起。2)實現熱網的集中動態平衡控制，有效地解決一次網的水力平衡和熱力平衡。3)實現節能降耗的優化控制及決策支持。4)實現控制系統的穩定可靠設計。

2 集中供熱工藝過程

2.1 首站工藝描述

1)循環水。來自凝汽器的循環回水，經并聯運行的1號、2號、3號、4號蒸汽泵加壓后，分三路進入1號、2號、3號換熱器，在換熱器內通過蒸汽加熱。3臺換熱器出口的高溫水匯總至高溫水供水總管，送至二級換熱站。

2)補充水。來自化學水處理系統的軟化水，送入補水箱，經補水泵送入回水母管，補充損失的循環水量。

3)蒸汽。來自熱電廠的蒸汽，分兩路進入換熱器。第一路蒸汽先送至并聯運行的1號、2號、3號、4號汽輪機，驅動蒸汽泵加壓循環回水，4臺汽輪機出口的蒸汽匯總后，送至1號換熱器。第二路蒸汽分別送入2號、3號換熱器，與循環回水進行熱交換。

4)凝結水。換熱器內蒸汽產生的凝結水，回入凝結水箱，經泵送至鍋爐系統除氧器。

2.2 熱力子站工藝描述

1)一次水。來自換熱首站的高溫水，進入熱交換機組，與來自供熱用戶的二次回水進行熱交換，經熱交換后的回水，送至換熱首站的回水母管。

2)二次水。來自供熱用戶的二次水回水，經循環水泵送入熱交換機組，與來自換熱首站的高溫水進行熱交換，經加熱后進入二次水供水母管，送至供熱用戶。

3)補水。當二次水回水壓力低于工藝要求的壓力時，串聯在一次水回水和二次水回水之間的電動調節閥自動打開，由于一次水壓力高于二次水壓力，一次水回水自動補入二次水回水管道中。

3 集中供熱控制策略

3.1 熱力首站控制策略

1)監控對象說明。首站系統主要監控對象為蒸汽總管流量，補水總管流量，凝結水總管流量，蒸汽進換熱器總管流量、壓力、溫度及電動調節閥，蒸汽進汽動泵總管流量，高溫供水總管、熱量、壓力、溫度及電動蝶閥，高溫回水總管的流量、壓力，4臺汽動泵進出口水的壓力，泵進出口蒸汽壓力調節閥、蝶閥；3臺換熱器液位、進水電動蝶閥、出水電動調節閥、進出水壓力；進氣側電動蝶閥、壓力、溫度；疏水出水調節閥、壓力；2臺補水泵運行參數及進出口壓力，補水箱液位，3臺凝水回收泵運行參數、回水流量及壓力。系統采用德國西門子S7-400H型PLC對其實現控制功能。

2)主要控制策略。對于按照采暖面積收費的供熱系統，應該采用熱源優先調節的控制方法。即根據室外氣溫(日平均溫度)的變化，采用熱負荷預測方法確定當日的供熱負荷，并由此計算出當日的供水流量和供水溫度。由此就決定了首站中循環水泵和熱網換熱器的控制調節方法。

a.汽動泵及入口閥控制。

4臺汽動泵3用1備，用同一個控制信號去控制閥門的動作。

首站采用熱量控制法來對熱力站的供熱進行調節，即首站的汽動泵入口調節閥用于調節控制汽動泵的轉速，通過轉速來控制高溫水循環的流量，由于首站系統利用了發電汽輪機凝汽器的熱量，進行低真空循環水供熱，因此一次水的流量不宜進行大幅度的調節，而應采用定流量的質調節(如果在初寒期和末寒期熱負荷較低時，不能投入全部的3臺汽機，則可采取分階段改變流量的質調節)。

其工作原理是：系統的總流量由于受到凝汽器最小循環水流量的限制，因此在第一階段(采暖面積380萬m2)熱網的總流量基本上是定值，今后在供熱規模擴大后，總流量有了一定的調節范圍后，亦可作一定的變流量調節，根據熱負荷預測軟件所確定的當前流量，調節汽動泵入口調節閥，改變水泵的轉速，進而達到控制熱網總流量的目標。

b.汽水換熱器的控制。

1號換熱器承接循環水泵汽輪機的排氣，此排氣量取決于汽輪機的轉速。汽水換熱器的蒸汽入口不做調節。

根據熱負荷預測軟件，計算出高溫水供水總管溫度的設定值，對2號、3號換熱器蒸汽入口調節閥進行PID調節，通過調節閥門開度改變蒸汽流量，使高溫供水溫度控制在設定值范圍內。

該換熱器上配有兩組蒸汽輸入口，每組輸入口上配置了1臺電動碟閥和一電動調節閥，當負荷高于50%時，兩組全部投入調節，當負荷低于50%時，關斷一組閥門，由另一組閥門進行調節。

c.換熱器疏水閥的控制。

根據換熱器當前負荷和冷凝水的出口流量計算出當前換熱器的液位設定值，對換熱器內壓力進行控制，同時進行換熱器水位控制，以換熱器水位和冷凝水出口流量對疏水閥進行PID調節，使換熱器水位和冷凝水流量控制在該時段的計算設定值，當負荷小于某個設定值時，調節疏水閥門的開度控制換熱器水位，增加水位同時減小換熱面積以達到控制的目標溫度，以保持高溫供水溫度的恒定和換熱器液位的穩定。

3)凝水回收泵的控制。3臺凝水回收泵采用2用1備方式，操作人員在人機界面選擇任意一臺為備用，當2臺主凝水回收泵中的任意一臺發生故障時發出聲光報警，并自動啟動備用泵工作。根據凝結水箱液位進行調節，通過水箱液位改變凝水回收泵的頻率，進行PID調節使整個水箱液位保持恒定，使液位控制在該時段的目標值。當軟水箱液位低于某一低限設定值時，停止1臺回收泵，以節省凝水回收泵的電耗。

4)補水泵的控制。2臺補水泵采用1用1備方式，操作人員在人機界面選擇1臺為備用，當主補水泵發生故障時發出聲光報警，并自動啟動備用泵工作。凝汽器供水總管(熱網回水總管)壓力進行調節，通過給水壓力改變補水泵的頻率，進行PID調節使整個供水水壓控制在設定范圍值內，從而達到調節凝汽器出水管壓力和給高溫循環水補水的作用。

3.2 熱力子站控制策略

1)監控對象說明。

本系統監控對象為一次管網和二次管網，完成熱力站系統溫度、壓力、流量、熱量等參數的采集、監控，負責熱力站一次側調節閥的控制，二次側循環水泵的變頻調節控制及補水電磁閥和補水泵的控制，并將變頻器及各類儀表、閥門的運行參數、計量參數上傳監控中心進行監控，同時熱力站的現場裝有1個觸摸屏，可進行現場操作和監控。每個熱力站有熱量計1臺、壓力變送器5臺、溫度傳感器4只、流量計2臺、電動調節閥1臺、電動開關閥1臺、循環水泵2臺、變頻器1臺，控制方式為一拖二等組成。系統采用德國Beckhoff BX9000型PLC對其實現控制功能。

2)主要控制策略。

a.一次循環水調節閥的控制。

熱力站一次水系統采用控制一次水的輸出熱量方法，來對二次網供暖用戶的供熱進行調節，即熱力站一次水調節閥用于調節控制一次水的流量。其工作原理是：熱網集中監控中心根據熱力負荷預測算法，計算得出下一段時間內(通常為下一天內)各時段各熱力站的熱力負荷設定值；并根據熱網平衡調度、各熱力站間均勻性調節等對各熱力站熱力負荷設定值進行調整。各熱力負荷設定值即為各熱力站在各時段由一次網向二次網供暖用戶輸出熱量的設定值。該設定值經計算轉換為閥門的開度值，并且寫入PLC控制閥門執行該時段內的開度。調節閥通過改變一次水流量，使熱力站一次水的輸出熱量(熱量計讀數)控制在該時段熱量的設定值。現場熱量計進行數據采集，把數據反饋到熱力中心，作為檢查執行情況及下一時段調整數據的參考依據。

b.二次循環水泵的控制。

主要由兩套循環水泵、循環水泵變頻器、二次供回水溫度傳感器、二次供回水及循環泵出口壓力傳感器等組成。

二次水系統采用質—量并調的方式對供暖用戶供熱進行調節，即通過改變二次水循環水泵轉速，改變二次水的流量來進行流量調節，以節省循環水泵電耗。其工作原理是：根據室外溫度及流量調節算法，計算二次水循環流量的設定值。二次水循環泵改變轉速，進行PID調節，使二次水循環流量控制在該時段流量的設定值。

c.補水調節閥的控制。

硬件主要由補水調節閥、二次水回水壓力傳感器、補水流量計等組成。

補水調節閥有著補水和定壓兩重功效，其通過控制二次水回水的壓力在安全設定值范圍內，以保證二次網系統的安全運行。其工作原理是：根據二次水回水壓力作為反饋信號，在觸摸屏上設定二次網的上下限壓力值，與回水壓力作比較，反饋值小于設定下限時開閥，補水壓力上升到上限時關閥，使二次水回水壓力控制在安全設定值范圍內。

對于部分失水量大的換熱站系統設置補水泵1臺，補水泵采用變頻控制。當補水流量超過上限時關閉補水閥，低于下限時開啟補水泵補水，補水泵采用PID控制，使水管壓力控制在設定值。

3)循環水泵啟停控制。

在對二次側的循環水泵控制時，操作員需要首先對2臺泵在監控畫面上進行主備選擇，并可進行啟動時間設定，點啟動后系統檢測沒有任何故障的情況下，優先啟動主用泵，當主用泵有故障的情況下，系統自動切換到備用泵上。接觸器閉合動作完成后，系統將判斷幾個接觸器的狀態是否正常，正常后將啟動變頻器，水泵進入運行狀態。接觸器狀態不對，將停機報警。

4 結語

該城市集中供熱系統改造工程通過采用上述熱力首站和熱力子站的控制策略并結合計算機自動化控制系統，經過兩年的實際運行，實現了集中供熱熱網的集中動態平衡控制，有效地解決了一次網的水力平衡和熱力平衡問題。該控制策略較好地結合了該項目的具體情況，是切實可行的控制方案，此方案的應用進一步提高了熱力公司的管理水平和經濟效益。

[1] 江 億.集中供熱網控制調節策略的探討[J].區域供熱，1997(2):10-14.

[2] 關 玲.不同采暖收費體制下的控制策略[J].中國儀器儀表，2012(1):53-57.

[3] 石兆玉.供熱系統運行調節與控制[M].北京：清華大學出版社，1994：53-59.

[4] 劉國林.關于城市集中供熱工作中的系統調節[J].區域供熱，2004(4)：26-30.

[5] 姜蒼華.集中供熱網運行調節與控制策略的研究[J].自動化博覽，2000(S1):61-64.

Discussion on controlling strategies of urban concentration heat-supply system

Gao Yanbing

(BeijingHuayouArchitecturalEngineeringDesignCo.,Ltd,Beijing100038,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the craft process for the urban concentration heat-supply system, illustrates the controlling strategies for the concentration heat-supply from the thermal head and substation, and realizes the concentration dynamic balance control of the concentration heat-supply network by its operation, so as to solve some hydraulic and thermal balance of the primary network.

concentration heat-supply system, circulation water, heat exchanger, make-up pump

1009-6825(2016)05-0136-03

2015-12-05

高彥兵(1980- )，男，工程師

TU833

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