某中央空調換熱站蒸汽加熱自動調節系統改造

摘 要：文章結合某廠房中央空調系統的換熱站供熱系統進行了分析，找出了現有蒸汽調節系統中所存在的問題，并給出了解決方案。簡單介紹了蒸汽自動調節系統的設計，包括蒸汽調節閥的選擇；溫度傳感器的選擇、安裝；自動控制系統的實現。

關鍵詞：蒸汽調節閥；數顯PID控制；溫度傳感器；設計改造

引言

隨著經濟建設的快速發展，人們對各種能源的需求也日益增加，能源及效率問題日益突出，在暖通節能領域，暖通自動控制調節技術已經獲得了廣泛的應用。自動控制系統已被列為暖通設計的基本要求之一。當前暖通自動控制又離不開PID控制。目前，PID控制及其控制器或智能控制器（儀表）已經很多，產品已經在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發了具有PID參數自整定功能的智能調節器，其中PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。可以利用PID控制結合各種調節閥，實現壓力、溫度、流量、液位等的閉環控制，控制穩定，并且精度高。

1 工程概況

此廠房位于遼寧省沈陽市，建筑面積20310m2。冬季為保證此廠房內良好的空氣質量，供暖系統包括兩部分，其一為散熱片蒸汽采暖系統，其二為中央空調采暖系統。中央空調采暖系統換熱站含有兩套高效管換熱器系統。熱媒為飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力為0.2MPa-0.39MPa，溫度為120℃-142℃。蒸汽與冷水通過換熱機組進行熱交換，為廠房末端送風機組提供熱水。供水系統工作壓力為0.3MPa，供水溫度為60℃-50℃和60℃-40℃，設計總供熱量為1580kW。

2 現狀分析

現有換熱站中蒸汽的流量調節，是通過自立式溫控閥進行調節。自立式溫控閥是機械式溫控閥，采用熱敏介質封裝在感溫包內，利用感溫介質熱脹冷縮的原理控制閥門的開啟、調節開度大小和關閉。主要原理和優缺點如下：

（1）自力式溫度調節閥是利用液體熱脹冷縮原理，靠感溫包內液體體積變化控制流量。控制流程圖如圖1所示，控制過程為：

溫度，體積△v=k1（△t）

流量，行程△Q=k3（△L）

行程，體積△L=k2（△v）△Q=k1·k2·k3（△t）=k（△t）

因此，其控制方式為簡單的比例調節（P調節）K為比例系數。

（2）優點：無需外部電源；造價低；安裝簡便快捷。

（3）缺點：a.原理性缺陷：僅為簡單比例調節，無法消除靜差。b.結構性缺陷：比例系數K由自身機械結構確定，無法根據現場工況修正。c.工藝性缺陷：生產組裝時受環境溫度濕度影響大，無法精確控制閥芯行程，只能犧牲穩定的流量調節曲線來滿足流量要求，閥口易磨損。執行器閥桿處為動密封，在較高溫度環境工作，易老化、漏液，且易稀釋生銹，造成執行器卡死。d.此調解系統無實時溫度顯示。綜上所述，此調節閥的穩定性和調節精度已經不適應當前的加熱系統，導致現有供水溫度總是超高。將會導致的后果有如下幾個，首先使廠房內溫度過高，使人員感覺極不舒適；其二浪費大量熱力資源；其三溫度升高會直接導致水系統內壓力增高，可能會引起安全隱患。

3 方案設計

通過上述的系統現狀分析，得出現有系統存在的問題為溫度超高，同時引起系統壓力不穩定，另外無現場溫度實時顯示，不能現場進行直觀調節。要想解決上述問題，就要設計選擇一套閉環控制系統，而且要能消除系統靜差。經過查閱資料和相關技術論證，擬采用數顯智能PID控制器結合調節閥控制蒸汽的流量，進而控制系統的供水溫度。

具體技術實施方案為，采用西門子兩通閥、西門子電動液壓執行器、數顯pid控制儀表、溫度傳感器等部件實現蒸汽流量自動控制，進而實現供水溫度的穩定控制。控制流程圖如圖2所示。

3.1 PID調節工作原理

PID調節，即按偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）、微分 （Derivative）進行控制的調節器（簡稱PID調節器）是連續系統中技術成熟、應用最為廣泛的一種調節器，它結構簡單，參數易于調整。采用PID調節可以很好地消除系統靜差，從而提高了控制系統的控制精度。

3.2 調節閥及執行器的選擇

設計時對調節閥特性及口徑的選擇正確與否將直接影響系統的穩定性和調節質量。本次設計改造采用電動液壓調節閥，其主要結構分為兩個部分，電動液壓執行器和調節閥。

3.2.1 執行器的選擇

（1）彈簧復位功能的選擇：一般情況下，電動調節閥在無電信號時停在當時閥位狀態。對于蒸汽閥，必須有復位關閉的功能，即在斷電時能夠停止蒸汽流入用氣設備。

（2）執行機構輸出力矩的選擇：根據關閉壓差Δps選擇，關閉壓差為保證電動閥安全關閉的情況下閥門兩端的最大壓差，根據熱媒實際壓力、閥芯的重力阻力、管路實際情況等綜合分析，此調節閥的關閉壓差Δps≥1.0MPa。

（3）根據上述兩條原則，本次設計選擇了西門子SKC62電動液壓執行器，具體參數為：彈簧復位，行程為40mm，關閉壓差為1.6MPa。

3.2.2 調節閥的選擇

（1）流量特性的選擇，宜使閥門的工作狀態S≤0.7。

（2）結構形式的選擇，本系統調節閥用于蒸汽管路上，蒸汽的流量控制應選用單座閥。

（3）調節閥口徑的選擇，按流通能力Kv值來確定閥門口徑。

一般步驟：a.計算流量的確定；b.計算壓差的確定；c.流通能力計算；d.初步確定口徑，開度驗算，可調比驗算，壓差校核，最終確定口徑。

對于飽和蒸汽：

其中：M-質量流量，kg/h；P1-調節閥前絕對壓力，Pa；P2-調節閥后絕對壓力，Pa；ρ-調節閥處的流體密度，kg/m3；ρ2-閥后出口截面上的蒸汽密度，kg/m3；ρ'2-蒸汽密度kg/m3，可根據P'2=P1/2和蒸汽溫度查表得到。

根據熱媒參數和上述三條選擇規則，并參照西門子兩通閥選型樣本進行了相關計算（計算過程不贅述），選擇了西門子VVF43系列DN100兩通閥門和西門子VVF43系列DN125兩通閥門各一個。

3.3 溫度傳感器的選型及安裝

3.3.1 溫度傳感器選型

（1）測溫原理：根據電阻阻值、熱電偶的電勢隨溫度不同發生有規律變化的原理，我們可以得到所需測溫的溫度值。（2）根據常用溫度傳感器的種類、測溫范圍及特點進行選擇。

a.溫度傳感器的量程即測溫的上、下限值應為測點溫度范圍的1.2-1.5倍。b.根據工藝要求，確定儀表種類和精度等級。本系統測溫點為供水溫度，所以按上述原則綜合考慮選擇Pt100熱電阻，測溫范圍0℃-100℃，即可滿足系統的測溫控制要求。

3.3.2 溫度傳感器安裝

（1）測溫點的選擇安裝位置要使測得的溫度具有代表性。（2）傳感器應保證插入深度，應迎著介質流向或與流向垂直，最小插入深度一般應大于60mm。（3）熱電阻安裝注意事項，如圖3所示。本系統中目的是為了控制供水溫度，所以將測溫點安裝在從換熱器熱交換出來的供水管路上。

4 結束語

（1）本工程核心控制理論為PID調節，調節閥的選擇為難點和重點。

（2）經過這篇文章的敘述、論證和計算，確定了控制系統中各個關鍵部件的選型。通過這次改造完成后，可實現系統的平穩控制，良好地消除系統的靜差，解決原系統超溫、超壓等問題。對此中央空調系統運行節能環保和安全性方面有積極的意義。另外此控制系統的設計完成，對以后諸如此類的項目設計都有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]陸培文，孫曉霞，楊炯良.閥門選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介：張志福（1983-），男，本科，工程師。