換熱站節能控制系統的設計與應用

王建成，石征錦，劉志民，陳 超

(1.遼寧省科學技術情報研究所，沈陽 110181;2.沈陽理工大學信息科學與工程學院，沈陽 110159;3.遼沈工業集團有限公司，沈陽 110045;4.沈陽重林自動化技術有限公司，沈陽 110159)

換熱站是連接熱源和熱用戶的重要環節，在整個供熱系統中起著舉足輕重的作用，熱水管網又分為，一次網和二次網，一次網是指連接于城市熱源管網和換熱站之間的管網，二次網是指連接于換熱站與熱用戶之間的管網，換熱站主要是指連接于一次網與二次網，并裝有與用戶連接的相關設備、儀表和控制設備的機房。根據規模和設置地點不同，換熱站又可分為首站、區域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站［1］。而且絕大多數換熱站為了考慮供暖面積的擴容，設備的數量和容量都設計的留有一定裕量，并且如果這些換熱站的循環泵和補水泵采用人工開、關閥門控制流量，由于管路的阻尼增大，必將造成電能浪費。因此換熱站的控制系統節能設計與應用是換熱站建設和改造的重點工作之一。

1 換熱站的基本構成和工作過程

絕大多數的換熱站為用戶換熱站，大部分換熱站設備功率較大，是重點耗能單位，但設備種類比較簡單，一般由數臺熱交換器，幾臺大功率水泵組成的循環泵組和幾臺補水泵構成。

換熱站主要是將一次網的80℃左右熱水通過熱交換器使二次網低溫水水溫達到60℃左右，成為滿足供暖送水溫度的熱水，通過二次網熱水管道送到城市居民家中，流過各用戶的散熱器;通過循環泵的加壓循環，流回換熱站，進入換熱站熱交換器的二次回水溫度有40℃左右［2］。

2 換熱站節能控制系統設計的基本原則

熱力輸配網絡控制的重點是換熱站的控制，供熱系統的最終目標是保持熱用戶的室內溫度穩定，但由于熱用戶沒有室溫調節器，且對眾多的熱用戶的室溫不可能形成閉環控制［2］。由于一次網供水溫度是熱源公司所掌控，因此換熱站的二次網最高供水水溫完全取決于一次網的供水溫度，亦稱供熱量。為做到供熱設備經濟運行又保證供熱質量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。換熱站的自動化控制系統一般主要指溫度控制、液位控制、水泵控制三個方面，大部分換熱站設備功率較大，是重點耗能設備［3］。因此換熱站的控制系統節能設計和應用的基本原則有:

(1)根據氣候的變化自動調節供熱量。通過調節一次網的調節閥開度，改變一次網的熱水流量，實現二次網換熱量調節，避免供熱量的浪費。具體方式有自動和手動二種，視一次網的調節閥類型而定［4］。

(2)二次網通過對循環泵的控制，必須保證供水管網的熱水到達用戶最高點，用戶溫度達標和避免管道凍裂。同時循環泵還要經濟運行，節約電能。

(3)二次網通過對補水泵的控制，必須保證回水管路上缺失的熱水自動補給。避免由于泵體、管道、閥門的泄漏引起循環水的水壓降低，造成供熱系統運行不正常。同時補水泵還要經濟運行，節約電能。

(4)系統運行設備保護功能齊全。一般包括回水壓力低于設定值時失壓保護、斷電保護、超溫保護、超壓保護、補水箱液位監測，同時具備報警停泵保護功能。保證水泵、閥門、管道、換熱器、散熱器的安全運行［4］。

3 換熱站節能控制系統設計

從以上的基本構成和工作過程可以看出，為了保證換熱站的安全、經濟運行，必須保證換熱站控制系統設計對現有規模的供熱用戶有合理的技術方案、同時具備可持續擴展，以滿足整個日益增長的供暖要求。下面我們以某小區1000戶住宅，建筑面積12萬平方米的所建的換熱站為例，介紹一下換熱站控制系統節能設計和應用。

3.1 換熱站電源系統的設計

換熱站電源系統按照換熱設備容量及設備數量，安裝在1#GGD型電柜，具體功能如下(電路圖省略):

(1)供電回路數為四個，其中一個備用回路，并裝有電能計量表。

(2)數字顯示供電電壓(A、B、C)、負荷電流(Ia、Ib、Ic)。

(3)數字顯示一、二次熱網的出水壓力、回水壓力。

(4)數字顯示一、二次熱網的出水溫度、回水溫度。

(5)換熱站內補水水箱高、低水位報警。

(6)電動調節閥門控制調節觸摸屏。為降低成本，節省空間，將“一次網熱水溫度自動控制系統”安裝在此柜內。

3.2 換熱站一次網熱水流量節能控制系統設計

根據室外溫度的變化和當地熱負荷曲線，決定二級網側的供熱量，實測供熱量和設定值相比較后，進行PID閉環調節，控制器輸出信號至電動調節閥，調節電動調節閥的開度，從而改變一級網側的流量［5］，滿足二次網供暖溫度的控制要求。因此對一次網流量的控制系統必須是一個單閉環溫度系統，按照目前的控制技術，采用電動閥門進行控制，盡管一次投入較大，但避免了人工操作誤差較大，為今后實現熱網遠程無線監控打好基礎，是比較理想的方案。

為此，根據一次網管道直徑DN150，我們設計換熱站一次網熱水流量的自動控制系統主要由以下部件組成:選擇適配的西門子VVF41.1502型電動閥門;SKC62UA型執行器;QAE2110.010型浸入式水溫傳感器，配套熱敏元件PT1000;具有兩個模擬量輸出點輸出DC 0…10 V信號，可以是正向或者反向控制的RWD6型控制器。該電路比較簡單，在此省略該圖。系統具有如下功能:

(1)電動調節閥門的標稱行程可達40 mm，完全滿足調節一次網熱水流量的要求。

(2)SKC62UA型執行器具有可調節閥門開度起始點和工作范圍的順序控制;可進行閥門正反工作方向選擇，并且具有斷電時彈簧復位功能，保證來電后正常供暖。

(3)閥門的開度控制除了具有線性或等比例調節外還有三種接線模式選擇，滿足設備調試、閥門完全開、閉的要求。

(4)電動閥門安裝在一次網的回水管路，在加熱系統工作時，密封墊運行在較低的溫度，可以延長其壽命，同時為了增加電動閥門可靠性，在閥門入口前安裝了過濾器。

(5)電動閥門操作在配套SKC62UA型執行器的觸摸屏上，設置和調節非常方便［5］。

3.3 換熱站循環泵節能控制系統設計

我們按照供暖面積和短期擴容的可能，為了維持高層用戶供暖，需要穩定的實時出水壓力，因此該系統也是一個單閉環壓力控制系統。選用三臺電機功率37KW的循環水泵。水泵變頻工作方式為二用一備的控制方案，電氣元件選擇型號分別為FRN37P11－4CX變頻器;HFR1045電機軟啟動器;ID136閉環調節器;AF－20MR－A小型程序控制用可編程控制器;供水、回水壓力信號DBM20R－1型供水、回水壓力信號變送器等。將它們安裝在2#GGD型電柜中。具體功能如下:

(1)電網端來電缺相保護電路，再加上變頻器對負載端保護外，使系統保護功能更完善。

(2)數字顯示電壓(A、B、C)、負荷電流(Ia、Ib、Ic)、手動變頻工作頻率。

(3)手動工頻/變頻轉換;手動變頻/自動變頻轉換及運行指示;手動工頻選泵;自動變頻選泵;工頻/變頻啟動、停止。任意組合二臺工作水泵，實現均衡磨損。

(4)工頻/變頻過載保護;過電壓/欠電壓保護;對地短路;外部報警等。

(5)電機軟啟動器啟動、停止及運行指示。考慮變頻運行發生故障的情況，加入一臺電機軟啟動器，通過PLC設置的程序控制三臺循環水泵中的任意一臺在工頻時手動啟動運行(安裝在3#GGD電柜中)。這樣既保證了循環泵的安全可靠運行，又便于設備維護。

(6)利用電接點壓力表設置循環泵出水壓力超壓停機及報警，避免二次網供暖管道、閥門、用戶散熱器的爆裂，損失熱水。

循環泵系統變頻控制主電路如圖1、循環泵系統軟啟動控制主電路如圖2、循環泵系統程序控制回路如圖3、循環泵系統手動變頻及加減泵調節控制回路如圖4。

圖1

3.4 換熱站補水泵節能控制系統設計

為避免由于泵體、管道、閥門的泄漏引起循環水的水壓降低，保證回水管路上缺失的熱水自動補給，需要穩定的回水壓力，實現實時補水，因此該系統也是一個單閉環壓力控制系統。選用二臺電機功率5.5 kW的補水水泵，水泵變頻工作方式為二用一備的控制方案，電氣元件選擇型號分別為FRN5.5G11S－4CX變頻器;PXR9閉環 PID調節器;AF－20MR－A小型程序控制用可編程控制器;DBM20R－1型回水壓力信號變送器等。將它們安裝在3#GGD型電柜中。具體功能如下:

(1)設計了電網端來電缺相保護電路，再加上變頻器對負載端保護外，使系統保護功能更完善。

(2)數字顯示電壓(A、B、C)、負荷電流(Ia、Ib、Ic)。

(3)手動工頻/變頻轉換及運行指示;手動工頻選泵;手動變頻選泵;工頻/變頻啟動、停止。任意調整工作水泵，實現均衡磨損。

(4)工頻/變頻過載保護;過電壓/欠電壓保護;對地短路;外部報警等。

(5)變頻器故障檢出報警。

(6)補水水箱低水位停機和中水位啟動，避免出現水泵抽空現象的發生。

(7)利用電接點壓力表設置補水泵回水管道壓力欠壓停機及報警，避免二次網回水管道、閥門、用戶散熱器的爆裂后，損失自來水，及時查找泄漏點。

由于補水泵控制原理與循環泵類似，具體控制電路圖省略。

3.5 換熱站循環泵、補水泵節能控制系統程序設計

根據各系統控制電路的設計，采用AF20MR－A小型可編程控制器作為控制核心，編制了循環泵、補水泵設備的自動控制系統的執行程序，由于具體程序比較簡單，可以通過購買的可編程控制器的自帶安裝軟件QuickⅡ在計算機上進行仿真，檢驗控制動作的正確與否，非常適用于工程應用。因此具體程序省略。

4 應用效果

換熱站的節能控制系統設計并應用后，經過三年的用戶使用，取得了可喜的應用效果，系統具有如下優點:

(1)系統運行安全、穩定、可靠，實現了工頻、變頻轉換操作，工作方式靈活，維修方便。由于水泵是軟啟動，無極實時調速，避免了設備、管網的啟動沖擊。

(2)在一次網進行閥門開度調節，解決了二次網水溫低的現象，保證了二次網的出水溫度，用戶室內溫度都在18℃以上。

(3)節能效果顯著，循環泵、補水泵設備在相同工況下，變頻恒壓供暖比工頻供暖節電25%以上。并且壓力平穩，優于工頻控制，避免了工頻情況下供暖出水壓力忽高忽低，造成高層用戶無水及氣化現象。

(4)系統保護功能完善。這些保護功能，使得水泵和電網發生異常時，立即切斷電源和變頻器的輸出，更精確的保護了水泵電機，延長了設備的壽命。

(5)通過在補水水箱水位控制系統，避免補水水箱水的溢出，節約水資源。

(6)通過設置循環泵、補水泵的超壓和欠壓停機及報警，避免了跑冒滴漏，節省了能源。

(6)需要監控的實時數據一目了然，在條件成熟的情況下可實現無人值守。

(7)通過系統的節能設計，節省了熱能，避免了熱源的損失，實現了經濟供暖，并為今后實現供暖遠程無線監控打下了堅實的技術基礎。

5 結束語

我國幅員廣闊，冬季采暖的地區占全國面積的4/5左右，對能源的需求是巨大的，而我國又是能源貧乏的國家之一，節能減排、降耗是國家長期的重點戰略任務，是政府和企業的重點考核指標。在全國集中供暖換熱站都采用節能系統設計和進行節能改造，既保證了供暖工作的安全、穩定、節能、經濟運行，又將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

［1］曹宏麟.換熱站節能控制系統研究［J］.山西建筑，2010，36(1):207 －208.

［2］林柏松，曹文光，劉志杰.換熱站變頻調速控制系統［J］.自動化儀表，2009，30(7):49－51.

［3］北京和利時自動化驅動技術有限公司.和利時PLC——面向解決方案的PLC［J］.國內外機電一體化技術，2003，6(3):42 －43.

［4］方向輝.自動控制技術在集中供熱節能方面的應用［J］.中國新技術新產品，2010，177(1):124 －125.

［5］李文.換熱站調節方式探討［J］.山西建筑，2005，31(3):116－117.