一種分布式變頻泵在熱力站系統中自動控制調節的方法

劉 溪

(1.太原理工大學，山西 太原 030002； 2.太原市熱力集團有限責任公司,山西 太原 030002)

集中供熱是將熱水集中向一個多種熱用戶的較大區域供應熱能的系統。隨著城市熱力事業的不斷發展，供熱面積擴大迅速，用戶和熱力站數量逐年增多，集中供熱在運行模式、運行機制等方面發生了深刻的變化。隨著集中供熱的成熟化，集中供熱控制系統的自動化程度也越來越精細，涉及到的熱力站及用戶越來越多，由于用戶和熱力站分布在不同的地理位置，而熱源遠離中心城區，造成大部分熱力站自身資用壓頭不夠，需在下游眾多熱力站適當節點設置一次側管道分布式變頻泵(回水加壓泵)以實現壓差控制，在前端熱力站無加壓泵，而后端下游熱力站大面積啟動加壓泵的情況下，如何對整個熱網進行水利平衡調節，保證熱網中所有熱力站快速達到其所需要的溫度及流量，需要一個統一快速自動化的調節控制。

如圖1所示，在熱力站自動控制系統中，通過加裝在一次主回路側變頻泵和各個輔回路側調節閥達到控制系統流量的目的。變頻泵保證所控熱力站的總體供熱效果滿足預設的要求，而每個調節閥保證分系統的供熱效果滿足預設要求，綜合調節下保證二次網溫度達到預設值。但由于地理及其他因素的影響使得不同的供熱站所攜帶的二次網系統數量不定，對于自動調節增加了復雜性。而集中供熱控制系統是多個熱力站控制系統的級聯，在每個熱力站控制系統的前提下對全網的熱力站進行調節，保證全網水利工況的平衡。

對于該種運行模式下的供熱系統，常見的自動控制調節方法為先采集人工控制規則：1)分布式變頻泵的調節要考慮分系統閥門開度，熱力站整體供熱效果差時優先開大各分系統閥門；2)熱力站整體供熱效果好時優先降低循環泵頻率；再采用模糊PID控制，因為模糊控制不要求掌握受控對象的精確數學模型，正符合了熱力站的復雜工況，然后將變頻泵和電動調節閥的調節目標進行PID解耦,但解耦的精度依賴系統數學模型的準確度，再而根據人工控制規則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。同時根據調節經驗，如將變頻泵所轄的各換熱系統的二次網供回水平均溫度與全網目標溫度進行比較，同時將每套換熱系統的二次網供回水平均溫度與本變頻泵所轄的各換熱系統的二次網的供回水平均溫度進行比較，保證變頻泵所轄的各換熱系統供熱效果的局部均勻性，修正PID參數，以提升性能指標。由于變頻泵與電動調節閥解耦的準確度及調節參數的不適應性，使得有時當電動調節閥開度開至最大，而某些二次側溫度仍未達到設定目標值，同時在同一個熱力站系統中，其他二次側溫度已到達預定目標；當加壓泵頻率或檔位發生變化時，對周圍其余熱力站水利工況影響較為劇烈，過度頻率或檔位調整會造成局部的水利失調，進而引起整個供熱系統的不穩定。

針對熱網系統慣性大，較為滯后及常見調節方法的缺陷，提出一種新型自動控制調節方法：多模態神經網絡PID解耦調節法。將后級電動調節閥等效變換成非線性積分環節，對變頻泵進行多模態調節，根據模型將其近似變換等效為各個電動調節閥的控制輸入，不再與電動調節閥進行同步輸入解耦，對同一系統中的多輸入電動調節閥進行神經網絡PID解耦，以配合多模態輸入情況下PID參數的多變性。其調節結構圖如圖2所示。

由于熱力站運行條件的變化將引起模態切換，而不同模態給出的控制器不相等，所以在變頻泵模態切換過程中存在擾動，故根據隸屬度函數對各個空間的控制器進行加權綜合得出多模態控制器的輸出。從而消除了在熱力站運行條件變化時帶來的擾動，實現平滑控制。對于1個只帶2個二次網的熱力站控制系統，其輸入為1個變頻泵與2個電動調節閥，將此系統特性變化的參數空間進行分割，可分得4個(1號未達到/2號未達到、1號達到/2號未達到、1號未達到/2號達到、1號達到/2號達到)模態的各個子空間。應用新的解在線耦方式，神經網絡PID控制器。與PID控制器一起形成多輸入多輸出神經網絡PID解耦控制器。對于2個電動調節閥的輸入進行神經網絡PID解耦，等效成多模態下的非線性環節。求取系統多線性微分方程后利用控制量公式整定PID參數。

ui(k)=ui(k-1)+Δui(k)。

其中，ui(k)為第i個調節器的輸出信號；e(k)為偏差信號；Kp為比例增益；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；Ts為采樣周期。

針對熱力站變頻泵控制的特點，將后級系統等效成非線性進行多模態控制，提高系統響應，后級采用神經網絡PID控制具有學習和自適應能力，通過調節網絡閾值，可以調節系統的動態和靜態性能，而且結構簡單易于計算。這種調節方式改善了傳統調節的缺陷，提升了熱力站控制調節系統的穩定性。