“質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)在熱力站應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益分析

王 翔

（太原熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司萬(wàn)柏林供熱分公司， 山西 太原 030003）

0 引言

在節(jié)能減排的背景下，加快集中供暖節(jié)能改造已經(jīng)成為推動(dòng)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。近年來(lái)，我國(guó)北方各地也相繼在熱力站運(yùn)行過(guò)程中加入了自動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)，改造方向主要集中在氣候補(bǔ)償節(jié)能改造（質(zhì)）或變頻節(jié)能自動(dòng)化改造（量）方面，很少有地區(qū)將兩種改造方式結(jié)合在一起進(jìn)行，這也使熱力站系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果相對(duì)較差[2]。對(duì)此，加快節(jié)能改造的“質(zhì)+量”融合也成為各地供熱系統(tǒng)內(nèi)部人員所需要思考的問(wèn)題。

1 工程概況

本次研究主要對(duì)某縣區(qū)熱力站進(jìn)行改造，某縣區(qū)熱力站共計(jì)118 座。該縣不同熱力站供熱面積不同，因此供熱系統(tǒng)數(shù)量有所差異。本次研究選用其中10座熱力站進(jìn)行改造，改造前這10 座熱力站綜合能耗情況如表1 所示。

表1 不同熱耗等級(jí)下2019—2020 年熱力站能耗情況

2 “質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的建立

2.1 “質(zhì)”氣候補(bǔ)償系統(tǒng)的建立

“質(zhì)”調(diào)節(jié)指的是通過(guò)調(diào)控溫度保障居民的供熱效果，常見調(diào)控方式為氣候補(bǔ)償技術(shù)。在調(diào)節(jié)當(dāng)中，根據(jù)室溫情況調(diào)節(jié)一次供熱管網(wǎng)電動(dòng)閥門的開合度，調(diào)節(jié)供熱流量，進(jìn)而改變熱力站二次供水溫度。改造硬件包有電動(dòng)控制閥門、氣候補(bǔ)償控制箱，溫度變送器等。

氣候補(bǔ)償系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量主要有兩方面溫度的測(cè)量，分別為二次供水管道溫度檢測(cè)和室外溫度檢測(cè)。其中二次供水管道溫度檢測(cè)應(yīng)用TT211 溫度變送器（檢測(cè)范圍0~100 ℃）；室外溫度檢測(cè)應(yīng)用TT000 溫度變送器（-50~50 ℃），該傳感器安裝在室外高度為2.5 m 空曠地帶。在檢測(cè)中，溫度變送器將檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)以4~20 mA 的電流信號(hào)傳遞給氣候補(bǔ)償控制箱，氣候補(bǔ)償控制箱將將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將其帶入預(yù)先設(shè)定好的PID 控制程序內(nèi)計(jì)算，得出板式換熱器一側(cè)電動(dòng)閥門的調(diào)節(jié)量，并將該數(shù)值轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)傳遞給電動(dòng)閥門的控制模塊，進(jìn)而調(diào)節(jié)一次供熱流量，改變二次管網(wǎng)溫度。

2.2 “量”水泵變頻系統(tǒng)的建立

“量”調(diào)節(jié)指的是通過(guò)水泵控制，改變二次管網(wǎng)內(nèi)水流量，進(jìn)而調(diào)控居民住宅溫度。改造硬件有循環(huán)水泵、自動(dòng)變頻控制箱和差壓變送器。系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)如下。

在正常情況下，兩臺(tái)循環(huán)水泵僅有一臺(tái)變頻運(yùn)行，另外一臺(tái)備用。兩臺(tái)水泵由自動(dòng)變頻控制箱進(jìn)行控制，同時(shí)控制箱上連接有差壓變送器PT1，其用于測(cè)量二次供水管與回水管之間的壓差，如果壓差過(guò)大自動(dòng)變頻控制箱提高輸出功率，進(jìn)而提高循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，加大二次供暖網(wǎng)中的流量。如果循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到額定值，但管路內(nèi)壓力依舊未達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求，則需要將連接水泵切換至工頻運(yùn)行，自動(dòng)變頻控制箱連接另一臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行補(bǔ)水，直至壓力符合預(yù)先設(shè)計(jì)要求。反之，則降低自動(dòng)變頻控制箱輸出功率，降低循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低管網(wǎng)內(nèi)部壓力。

在系統(tǒng)建立完成后，將“質(zhì)”與“量”控制系統(tǒng)相結(jié)合，兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立同時(shí)又輔助運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，熱力站氣候補(bǔ)償節(jié)能控制柜根據(jù)二次回水管路的溫度和室外溫度對(duì)應(yīng)的PID 曲線對(duì)一次管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使二次回水管溫度達(dá)到既定值。自動(dòng)變頻控制箱根據(jù)二次供水管路與回水管路之間的壓差來(lái)控制變頻水泵，實(shí)現(xiàn)二次管路內(nèi)部流量的控制。

3 “質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)在熱力站應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益分析

本次節(jié)能改造范圍為某縣區(qū)21 號(hào)—30 號(hào)熱力站。在改造完成后，所需要的總成本LCC 是由設(shè)備初期投資成本IC、設(shè)備運(yùn)行成本OC 以及設(shè)備后期維護(hù)成本MC 所構(gòu)成的。此次改造時(shí)間為2020 年5 月10日—7 月20 日，改造設(shè)備使用壽命最低為15 年，因此本次研究將15 年作為設(shè)備的全生命周期時(shí)限。

3.1 熱耗節(jié)能率和電耗節(jié)能率分析

在改造完成后，本次研究主要對(duì)2020—2021 年某地區(qū)21 號(hào)—30 號(hào)熱力站的熱耗值和電耗值進(jìn)行分析研究，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 改造后10 座熱力站熱耗節(jié)能率和電耗節(jié)能率情況

由圖1 可知，從熱耗值角度分析10 座熱耗值節(jié)能率在14.2%~20.14%之間，最低、最高熱耗值節(jié)能率熱力站分別為25 號(hào)熱力站和27 號(hào)熱力站；從電能消耗情況來(lái)看，其中30 號(hào)熱力站電耗節(jié)能率最低為7.21%，電耗節(jié)能率最高為23 號(hào)熱力站，為20.03%。

3.2 熱力站改造全生命周期經(jīng)濟(jì)性分析

本次主要基于2019—2020 年和2020—2021 年供暖期數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，不同熱力站由于熱力系統(tǒng)數(shù)量不同，因此改造費(fèi)用不同。改造前的成本主要以2019—2020 年采暖期成本計(jì)算，改造后總成本以2020—2021 年供暖期成本計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知，在未來(lái)15 年當(dāng)中熱力站綜合節(jié)能改造系統(tǒng)成本情況如表2、圖2 所示。

圖2 熱力站“質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)改造LCC 與未改造運(yùn)行成本對(duì)比

表2 改造前后15 年熱力站綜合節(jié)能LCC 成本對(duì)比

由表2 可知，在改造設(shè)備生命周期時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，24 號(hào)熱力站綜合運(yùn)行成本降低量最大，達(dá)到963.889 萬(wàn)元，成本降低率達(dá)到18.06%；運(yùn)行成本降低量最小為28 號(hào)熱力站，為36.121 4 萬(wàn)元。由此可見，“質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效降低熱力站的運(yùn)行成本。

由圖2 可知，熱力站在應(yīng)用“質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)后，隨著時(shí)間的增加，熱力站的熱耗能和電耗能能夠得到有效的降低，這不僅有利于降低供暖企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本，對(duì)降低用戶用熱費(fèi)用也有著重要的作用，同時(shí)也能夠降低能耗，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的綠色化發(fā)展。

4 結(jié)論

1）對(duì)某地區(qū)熱力站實(shí)際工況進(jìn)行分析，并選取其中10 座熱力站用于節(jié)能改造。

2）分別建立“質(zhì)”氣候補(bǔ)償系統(tǒng)和“量”水泵變頻系統(tǒng)，并將兩系統(tǒng)融合成為一個(gè)“質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用在熱力站當(dāng)中。

3）對(duì)熱力站“質(zhì)+量”綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能情況和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)10 座熱力站熱耗值節(jié)能率在14.2%~20.14%之間，電耗值節(jié)能率在7.21%~20.03%之間；從經(jīng)濟(jì)性角度分析，系統(tǒng)改造應(yīng)用后15 年時(shí)間10 座熱力站運(yùn)行成本均有不同程度的降低，這也證明了該項(xiàng)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠降低熱力站運(yùn)行成本，同時(shí)也能降低能源消耗。