供熱及生活熱水系統(tǒng)自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)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(shù)、傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，這些技術(shù)也越來越多的應(yīng)用于工程的各個(gè)領(lǐng)域。傳感技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)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(tǒng)應(yīng)用成為可能。傳感器、執(zhí)行器、PLC同時(shí)作用于電鍋爐蓄熱系統(tǒng)，控制電鍋爐的開啟和關(guān)閉以及管路的自動(dòng)切換，為大廈提供溫度穩(wěn)定的生活熱水［1，2］。本論文主要是利用現(xiàn)代化的控制手段解決大廈的供暖熱源和生活熱水系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 供熱熱水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電廠生產(chǎn)出的高溫高壓熱蒸汽通過市政熱力管網(wǎng)輸送到寫字樓、商場(chǎng)、住宅等用戶的換熱站，經(jīng)過換熱器換熱后把循環(huán)水溫度升高，利用采暖循環(huán)泵循環(huán)實(shí)現(xiàn)供熱的功能。在每一個(gè)換熱站現(xiàn)場(chǎng)都安裝蒸汽流量計(jì)，計(jì)量蒸汽的使用量。采暖循環(huán)泵采用星三角啟動(dòng)方式，下面分析板式換熱器選型計(jì)算過程。

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

2)板式換熱器計(jì)算過程。a.對(duì)數(shù)平均溫差：Δtm=［(150-50)-(150-60)］/ln［(150-50)/(150-60)］=94.9℃。取溫差修正系數(shù)0.70，則 Δtm=66.4℃。換熱器的傳熱系數(shù) K= 1 200 kcal/(m2·K)～1 800 kcal/(m2·K)較合理。b.換熱器的負(fù)荷計(jì)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?？紤]實(shí)際工作情況復(fù)雜，有一部分換熱面積用于蒸汽過冷，因此取15%的設(shè)計(jì)余量，則A=25 m2。根據(jù)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(cè)流速：V2=q2/As·n2=1.53 m/s。水側(cè)流速范圍超出0.2 m/s～0.7 m/s之間，冷側(cè)需加旁通。所以，選用型號(hào)為BR0.5 P-1.0-25-E的板式換熱器。

2 控制與調(diào)節(jié)

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)循環(huán)水的壓力，當(dāng)壓力低于0.4 MPa時(shí)，控制器發(fā)出指令啟動(dòng)補(bǔ)水泵向系統(tǒng)補(bǔ)水，當(dāng)壓力上升到0.4 MPa時(shí)，控制器發(fā)出指令補(bǔ)水泵停止。此時(shí)，溫度傳感器檢測(cè)板式換熱器二次側(cè)出口水的溫度，水低于55℃時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，執(zhí)行器向上運(yùn)動(dòng)蒸汽流量加大此時(shí)二次側(cè)出口溫度隨之上升，當(dāng)溫度達(dá)到55℃時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，執(zhí)行器停止運(yùn)動(dòng)，循環(huán)水溫度穩(wěn)定在55℃。

2.1 溫度調(diào)節(jié)

1)一次網(wǎng)調(diào)節(jié)方式探討。這里所謂一次網(wǎng)的調(diào)節(jié)，就是區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)熱源側(cè)方式，量調(diào)節(jié)是其采用的方式。一般是通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度來進(jìn)行調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的流量，從而使得一次網(wǎng)的量調(diào)節(jié)成為可能。對(duì)于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)來說，供水溫度傳感器安裝在二次網(wǎng)上，同時(shí)根據(jù)反饋的二次網(wǎng)供水溫度信號(hào)進(jìn)行說明。該閥門的動(dòng)作則是通過中央控制器輸出信號(hào)進(jìn)行控制，同樣的反饋信號(hào)存在于與該調(diào)節(jié)閥開度中，另外，對(duì)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(jù)實(shí)時(shí)溫度反饋信號(hào)，在一定的內(nèi)部程序基礎(chǔ)上進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，內(nèi)部程序還可以通過用戶進(jìn)行修改和編程。工作說明：通過檢測(cè)二次回路的出水溫度來控制一次回路進(jìn)水閥門的開度，使出水溫度保持在用戶需要的范圍內(nèi)?？刂破髟趚2接點(diǎn)上可接遠(yuǎn)程溫度設(shè)定裝置(FZA21.11或QAA25)，該裝置即成為控制器的住設(shè)定點(diǎn)。也可接一室外溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)供水溫度的室外溫度補(bǔ)償?？刂破髟贒1和M之間可接一開關(guān)實(shí)現(xiàn)晝夜設(shè)定點(diǎn)切換。2)一次網(wǎng)調(diào)節(jié)方式。對(duì)于二次網(wǎng)質(zhì)調(diào)節(jié)來說，這里采用定轉(zhuǎn)速泵，即定流量泵采用在二次網(wǎng)的循環(huán)泵，能使得二次網(wǎng)的流量保持不變。間接控制二次網(wǎng)的供水溫度可以通過一次網(wǎng)的流量來間接控制，而安裝在一次網(wǎng)上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥則能夠改變相關(guān)的一次網(wǎng)流量，這就實(shí)現(xiàn)所謂的二次網(wǎng)的質(zhì)調(diào)節(jié)。同時(shí)，在一定程序曲線的控制下進(jìn)行二次網(wǎng)的供水溫度控制，使得最大可能的節(jié)能成為現(xiàn)實(shí)。二次網(wǎng)的量調(diào)節(jié)：變流量泵(變頻泵)在二次網(wǎng)的循環(huán)泵中被采用。二次網(wǎng)流量改變則是通過改變電源的頻率而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，這樣二次網(wǎng)的變流量控制就成為可能。這對(duì)于采暖用戶是分戶計(jì)量情況較為適用。另外，還采用二次網(wǎng)質(zhì)和量調(diào)相互結(jié)合的條件，即二次網(wǎng)的量調(diào)節(jié)是通過一次網(wǎng)的循環(huán)泵采用變流量來改變二次網(wǎng)的流量來實(shí)現(xiàn)的。而二次網(wǎng)的質(zhì)調(diào)節(jié)則是通過安裝在一次網(wǎng)上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來控制二次網(wǎng)的供水溫度來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 蒸汽疏水器

熱蒸汽經(jīng)過板式換熱器換熱后變成冷凝水，為了防止冷凝水排出時(shí)產(chǎn)生蒸汽流失，在板式換熱器的熱側(cè)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(tǒng)中的凝結(jié)水、空氣和二氧化碳?xì)怏w盡快排出，同時(shí)最大限度地自動(dòng)防止蒸汽的泄露。

2.3 蒸汽溫度壓力自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

減壓系統(tǒng)：由壓力傳感器監(jiān)測(cè)蒸汽壓力變化，通過控制系統(tǒng)控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動(dòng)調(diào)節(jié)減壓裝置出口壓力使之達(dá)到用戶使用蒸汽要求。減溫系統(tǒng)：由溫度傳感器監(jiān)測(cè)蒸汽出口溫度變化，并將變化通過信號(hào)傳遞至中央控制器進(jìn)行運(yùn)算，控制減溫水量，使之達(dá)到用戶使用蒸汽要求?？刂葡到y(tǒng)：中央控制器可接受模擬量和數(shù)學(xué)開關(guān)信號(hào)并進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，超溫超壓報(bào)警，以及智能化無人值守運(yùn)行。

2.4 各種控制調(diào)節(jié)元件的選擇

1)溫度傳感器選擇。應(yīng)該選擇耐高溫、靈敏度高的傳感器，根據(jù)這兩個(gè)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(cè)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(zhǎng)、耐高溫等特點(diǎn)。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(gè)PID控制環(huán)路，每個(gè)控制環(huán)路最多可有4套程序，完全能夠滿足最復(fù)雜的控制要求。有2個(gè)數(shù)字輸入接口，6個(gè)數(shù)字輸出接口，5個(gè)模擬量輸入接口，3個(gè)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(yōu)點(diǎn)。5)水泵選擇。選用單極立式離心泵。循環(huán)水泵功率較大，采用“星—三角”啟動(dòng)方式降低啟動(dòng)電流，啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間8 s，由時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)。減溫水泵和補(bǔ)水泵功率較小，采用直接啟動(dòng)的方式。

2.5 系統(tǒng)安裝

1)蒸汽管道根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置布置，須方便操作及維修，并須對(duì)管道、減壓閥、安全閥水泵機(jī)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(zhì)量較差，需加裝蒸汽過濾器、水過濾器。安裝時(shí)，應(yīng)將管道、水箱等關(guān)聯(lián)設(shè)備內(nèi)的焊渣雜質(zhì)等清理干凈，否則將導(dǎo)致閥門密封破壞及減溫器堵塞等故障。3)控制柜可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況遠(yuǎn)/近距離安裝，注意環(huán)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(yīng)加裝旁通管道以便檢修時(shí)不中斷后端重要設(shè)備的運(yùn)行，并在減溫減壓裝置前管道最低處加設(shè)疏水閥及管道排水閥。

3 生活熱水電蓄熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

市政熱力管網(wǎng)在春、夏和秋季都不供應(yīng)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(tǒng)中。這是因?yàn)椋h(huán)保不符合要求的燃煤鍋爐不能使用，也有運(yùn)行費(fèi)用太高的原因。利用夜間低谷電價(jià)的電蓄熱方案一方面可以使得運(yùn)行費(fèi)用有所降低，另外，對(duì)電網(wǎng)的“削峰填谷”的作用也是較為明顯。啟動(dòng)電鍋爐在晚上10：00左右進(jìn)行蓄熱，在此過程中，溫度達(dá)到95℃時(shí)，經(jīng)過溫度傳感器檢測(cè)后傳遞給系統(tǒng)，使得電鍋爐工作停止。第二天還可以使用儲(chǔ)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(guān)的控制系統(tǒng)則組成了生活熱水電蓄熱系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)在相關(guān)的電鍋爐單供熱、電鍋爐蓄熱、電鍋爐和蓄熱槽聯(lián)合供熱、蓄熱槽供熱和電鍋爐蓄熱供熱這五種方式中進(jìn)行切換。在不同工況下的控制熱水系統(tǒng)中，自控系統(tǒng)可以進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)，主要具備下述功能特點(diǎn)：1)各種信號(hào)收發(fā)控制(主要來自電鍋爐的開關(guān)及傳感器);2)電動(dòng)閥門的開關(guān)在各種工況下進(jìn)行控制;3)收發(fā)控制水泵開關(guān)及各種信號(hào);4)蓄熱各種工況的切換在接觸器、執(zhí)行器等作用下;5)傳感器自動(dòng)檢測(cè)溫度; 6)記錄各種設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以及相關(guān)的PLC彩色觸摸屏顯示等。

4 結(jié)語

熱電聯(lián)產(chǎn)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(wǎng)輸送到大廈現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，溫度高達(dá)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(cè)蒸汽熱源的壓力溫度，通過小型控制器控制電動(dòng)減壓閥執(zhí)行器及減溫系統(tǒng)執(zhí)行器動(dòng)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(xué)中對(duì)流換熱原理把蒸汽熱源的熱能轉(zhuǎn)換成中央空調(diào)熱水系統(tǒng)的熱能。

［1］ 劉 雄，楊登科，年衛(wèi)琦.集中供暖住宅太陽能生活熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?zé)嵘顭崴到y(tǒng)的應(yīng)用 ［J］.煤氣與熱力，2006，26(4)：73-74.