鍋爐房供熱系統(tǒng)管網(wǎng)調(diào)控技術(shù)應(yīng)用

陳忠海 李 鑫

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

鍋爐房供熱系統(tǒng)管網(wǎng)調(diào)控技術(shù)應(yīng)用

陳忠海 李 鑫

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

某鍋爐房供熱系統(tǒng)存在嚴(yán)重的水力失調(diào)現(xiàn)象，鍋爐房能耗大、效率低等問題，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對熱網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控.主要利用管網(wǎng)智能控制系統(tǒng)、變頻技術(shù)對循環(huán)泵的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮負(fù)荷的隨機(jī)變化，采用局部控制器進(jìn)行負(fù)荷的預(yù)測調(diào)整.同時(shí)研究采用變頻技術(shù)后，在不同運(yùn)行頻率下水力失調(diào)的關(guān)系，為供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的變頻運(yùn)行提供支持.通過調(diào)整控制熱力失調(diào)，減少了能源的浪費(fèi)，同時(shí)很大程度提高了供熱運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性，最終達(dá)到熱網(wǎng)供熱節(jié)能運(yùn)行的目的.

水力失調(diào)；智能控制；變頻技術(shù)；預(yù)測調(diào)整；節(jié)能運(yùn)行

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面人民生活水平不斷提高，對居住環(huán)境有了更高的要求；另一方面能源消耗增加，能源短缺成為制約社會(huì)發(fā)展的重要因素.所以建筑節(jié)能勢在必行，其中供熱能耗是建筑能耗的重要組成部分.我國建筑能耗現(xiàn)狀分析表明，不同建筑用戶的供熱能耗水平差別很大.目前的集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)普遍存在著水力失調(diào)現(xiàn)象，室外管網(wǎng)水力失調(diào)造成管網(wǎng)近熱遠(yuǎn)冷，不僅嚴(yán)重影響了末端用戶的供熱質(zhì)量，而且大大增加了供熱成本，造成能源的極大浪費(fèi)[1].本文通過分析工程實(shí)例，靠供熱管網(wǎng)的水力平衡措施保證各熱用戶的熱媒流量按設(shè)計(jì)值運(yùn)行，使得管網(wǎng)的水力失調(diào)度減小，保證循環(huán)水泵的運(yùn)行流量按設(shè)計(jì)值運(yùn)行，最大限度地減小循環(huán)水泵不必要的能耗.因此，室外供熱管網(wǎng)的水力平衡是節(jié)能降耗、提高供暖質(zhì)量的重要保證.

1 工程實(shí)例概況

該校區(qū)總建筑面積約29萬m2，一期工程約9.0萬m2，二期工程約20萬m2，供熱總熱負(fù)荷約23 000 Kw,一期工程約7 200 Kw，二期工程約1 580 Kw；教工公寓區(qū)總建筑面積約14萬m2，供熱總熱負(fù)荷約9 100 Kw；校區(qū)南北長度約1 000 m，東西長度約600 m，室外管網(wǎng)采用枝狀系統(tǒng)，最大供熱半徑約為1 600 m.目前一期建設(shè)完成并投入運(yùn)行，主要用熱建筑為1#宿舍樓、2#宿舍樓、3#宿舍樓、4#宿舍樓、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、鍋爐房、食堂，總建筑面積為92 450 m2.該鍋爐房為三臺鍋爐，其中一臺蒸汽爐，另外兩臺為采暖用鍋爐，一用一備.

2 測試與調(diào)控

2.1 各建筑物的溫度監(jiān)測點(diǎn)

為了準(zhǔn)確測試室內(nèi)溫度變化，對新校區(qū)1#、2#、3#、4#宿舍樓、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行最有效溫度監(jiān)測點(diǎn)的確定.經(jīng)過測試對比各建筑物的溫度變化，最有效溫度監(jiān)測點(diǎn)見表1.

表1 最有效溫度監(jiān)測點(diǎn)

2.2 供熱系統(tǒng)的測試方案

根據(jù)管網(wǎng)平面布置圖及室內(nèi)采暖圖，標(biāo)出各建筑物房間號，對所有參數(shù)進(jìn)行測量.包括：(1)每個(gè)主立管流量分布；(2)宿舍樓小立管流量分布；(3)教學(xué)樓小立管流量分布；(4)三個(gè)單元垂直溫度分布.測量地點(diǎn)：三個(gè)單元要有代表性，根據(jù)(2)的測量確定要測單元.測點(diǎn)位置：陽臺燈管底下半米，并按樓層編號放置.測量時(shí)間：下午2：00前放入，中午12：00前收回，每天一個(gè)單元并記錄放入時(shí)間、取回時(shí)間.注意事項(xiàng)：測量過程中不要用手去摸以免影響測量精度；必須按樓層編號放置，必須記錄每次放入時(shí)間和取回時(shí)間；(5)10個(gè)主立管水平溫度中心：首先根據(jù)(4)的測試結(jié)果確定垂直溫度中心層.每根立管在中心層取四個(gè)房間進(jìn)行測量對每樓分別進(jìn)行測量，確定溫度水平中心穩(wěn)定時(shí)間20分鐘，十分鐘測量一次，共測六次.此水平溫度中心不隨立管的流量發(fā)生變化，變負(fù)荷運(yùn)行是可行的；(6)每棟樓的溫度分布：以各立管的水平溫度中心為代表測試溫度分布.每個(gè)立管取1,3，4,6層作為測點(diǎn)進(jìn)行測量.

圖1 水力平衡調(diào)節(jié) 儀原理示意圖

2.3 調(diào)控方案與執(zhí)行手段

主要利用管網(wǎng)智能控制系統(tǒng)、變頻技術(shù)對循環(huán)泵的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮負(fù)荷的隨機(jī)變化，采用局部控制器進(jìn)行負(fù)荷的預(yù)測調(diào)整.當(dāng)室外溫度發(fā)生變化后，為了達(dá)到節(jié)能運(yùn)行，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，一種是改變循環(huán)流量即進(jìn)行量調(diào)節(jié)，另一種方法是進(jìn)行供水溫度的調(diào)整即質(zhì)調(diào)節(jié).對于量調(diào)節(jié)來講目前的變頻技術(shù)提供良好的手段.利用變頻調(diào)速器，通過對電機(jī)的無級調(diào)速，可使管道內(nèi)的流量、壓力與實(shí)際要求相一致，這樣不僅可以節(jié)約電能，而且還使管道滲漏減少，設(shè)備噪聲降低，損耗減輕，壽命延長設(shè)備投資減少[2].

以一種全新的水力平衡調(diào)節(jié)儀為核心結(jié)合現(xiàn)場人員和管網(wǎng)設(shè)備組成一種全新的管網(wǎng)控制系統(tǒng)，從而高效、快速的解決管網(wǎng)控制問題.其管網(wǎng)平衡方法采用改進(jìn)的比例調(diào)節(jié)法，調(diào)節(jié)的原則是：從后到前，分級調(diào)節(jié).這種水力平衡調(diào)節(jié)方法采用兩臺超聲波流量計(jì)作為測點(diǎn)，測出的回路流量通過無線模塊上傳到上位機(jī)，然后和從人機(jī)界面輸入的已知參數(shù)一起作為條件進(jìn)行“平衡系數(shù)”計(jì)算，“平衡系數(shù)”的定義如下：

其中:ξ:平衡系數(shù)，Lnc:第N個(gè)待調(diào)回路的流量測量值，L0c:參考回路的流量測量值，Ln1:第N個(gè)待調(diào)回路的流量理論值，Ln1:參考回路的流量理論值.

如圖1由電腦自動(dòng)計(jì)算建筑所需熱負(fù)荷，然后根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行供回水溫度計(jì)算支路所需理論流量，并計(jì)算兩個(gè)支路的理論流量比.用兩個(gè)外夾探頭超聲波流量計(jì)測量兩個(gè)支路的實(shí)際流量，流量信號由GRPS模塊無線傳送到筆記本電腦上并計(jì)算兩支路實(shí)際流量比.最后，根據(jù)理論流量比和實(shí)際流量比的關(guān)系確定管網(wǎng)支路是否平衡[3].

2.4 水力平衡的調(diào)整

(1)對各支路流量進(jìn)行校核計(jì)算；(2)測試各支路流量分布；(3)最不利用戶閥門全開；(4)調(diào)節(jié)各支路閥門，使支路流量到校核計(jì)算值；(5)輸入到智能控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)變頻器頻率，維持最不利用戶流量為校核計(jì)算流量，重復(fù)步驟(4)和(5).

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)水力狀況

對系統(tǒng)主要干管進(jìn)行流量測試，結(jié)果見表1，從表中可以看出，各建筑物實(shí)測流量偏離設(shè)計(jì)流量較大，該熱網(wǎng)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的水力失調(diào)，最大水力失調(diào)發(fā)生于距熱源最近的鍋爐房，水力失調(diào)度達(dá)到5.07，最小水力失調(diào)發(fā)生于3#樓東側(cè)，水力失調(diào)度達(dá)到0.47.圖2給出了原系統(tǒng)不同頻率下，1#樓支路、2#樓支路、3#樓支路、4#樓支路、教學(xué)樓支路、實(shí)驗(yàn)樓支路、鍋爐房支路的流量變化.從圖中看出，隨循環(huán)泵頻率變化各建筑物流量隨頻率增大呈線性增長變化，流量變化較明顯.

表1 各建筑原始流量情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 流量隨頻率的變化 圖3 1月1日溫度變化

3.2 系統(tǒng)溫度狀況

由圖3可以看出，1月1日室外氣溫最低溫度為-17.73 ℃，最高溫度為-7.5 ℃，根據(jù)溫度的變化及時(shí)的調(diào)整循環(huán)流量，保證室內(nèi)平均溫度控制在18.75 ℃；由于支路1熱用戶少且管網(wǎng)距離短，回水平均溫度為47 ℃，高于支路2的45.15 ℃.由2、3、4日溫度變化同樣可以看出，根據(jù)溫度的變化通過變頻技術(shù)調(diào)整循環(huán)流量，保證熱用戶的需求.

3.3 系統(tǒng)調(diào)整后水力狀況

通過變頻對其進(jìn)行調(diào)整后，流量過剩的支路的流量隨著頻率的下降，水力失調(diào)現(xiàn)象逐漸改善，如圖4水力失調(diào)度隨頻率的變化，隨著頻率的下降水力失調(diào)度逐漸減小，但可能導(dǎo)致流量過剩的支路流量不足，通過測試確定流量過剩至流量不足的臨界點(diǎn)，如1#樓東側(cè)支路臨界點(diǎn)頻率為37 Hz，實(shí)驗(yàn)樓南側(cè)支路臨界點(diǎn)頻率為46 Hz.

圖4 隨著頻率的變化系統(tǒng)水力失調(diào)度的變化

4 結(jié) 論

對于目前的鍋爐房供熱系統(tǒng)來說，在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到一定安全余量及最大負(fù)荷，往往循環(huán)泵選型偏大.但是系統(tǒng)并不是一直運(yùn)行于最大負(fù)荷，所以供熱系統(tǒng)循環(huán)泵存在很大的節(jié)能空間.本文通過具體工程實(shí)例情況，針對供熱系統(tǒng)普遍存在的水力失調(diào)問題，通過測量系統(tǒng)溫度、流量數(shù)據(jù)的分析，應(yīng)用管網(wǎng)智能控制系統(tǒng)、變頻技術(shù)對循環(huán)泵和管網(wǎng)的調(diào)控，供熱管網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象得到好轉(zhuǎn)，其中3#樓東側(cè)、4#樓東側(cè)、實(shí)驗(yàn)樓南側(cè)、鍋爐房流量變化較大，水力失調(diào)度改善比較大.通過調(diào)整保證了各建筑供熱管網(wǎng)水力失調(diào)度在0.72-2.59范圍之內(nèi)，很大程度解決了供熱管網(wǎng)長期存在的用戶冷熱不均的問題.在滿足供熱需求的前提下，節(jié)電率31.73%，節(jié)煤率為11.31%，減少了能源不必要的浪費(fèi)，大大提高了供熱運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性，優(yōu)化了供熱管網(wǎng)的節(jié)能運(yùn)行.

[1]單緒寶，李德英．供熱系統(tǒng)室外管網(wǎng)水力失調(diào)相關(guān)問題探討[J].區(qū)域供熱，2013(4)

[2]張玥．換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[D].大連海事大學(xué)，碩士，2008

[3]田海川,牛建會(huì),楊桂春等.無線智能雙沖量超聲波水力平衡調(diào)節(jié)儀研究[J].中國測試,2014,40(5)

[4]賀平,孫剛．《供熱工程》[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000

[5]馬仲元,冀衛(wèi)興,李德英.熱水供熱系統(tǒng)變頻循環(huán)水泵節(jié)能分析[J].暖通空調(diào),2008,38(5)

On the Application of Pipe Network Control Technology of Heating System in Boiler Room

CHENZhong-hai，LIXin

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei Province,China 075000)

There are such phenomena as serious hydraulic imbalance,big energy consumption,and low efficiency existing in the heating system of a boiler room.In this paper,it is studied that the operation of the heat supply network is regulated according to optimization result,in which the theory of intelligent control,frequency conversion technology is mainly used to adjust the operation of the circulating pump.Considering the load of random changes,local controller is adopted to improve the load forecasting adjustments.At the same time,after using frequency conversion technology,under different operation frequency,the relationship of hydraulic disorder is studied,providing support for the heating system of circulating water pump frequency conversion operation.By adjusting the control thermal imbalance,the waste of energy is reduced,the stability and efficiency of the heating operation are greatly enhanced,and the goal of saving heat energy is finally achieved.

hydraulic disorder;intelligent control;frequency conversion technology;forecast adjustment;energy-saving operation

2016-01-21

陳忠海(1963-)，男，教授，主要從事熱能工程研究.

TU 85

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