分户热计量供暖系统的变流量压差控制

郑 印 胡申华 樊小朝

新疆大学电气工程学院 新疆 乌鲁木齐 830047

0 引言

近些年来，由于能源结构的变化以及人民生活水平的提高，居民对热舒适度提出了更高的要求，传统的供暖方式已经无法满足热用户对舒适度的要求，如何提高供热质量已变得十分迫切［1］。

根据建设部规定：为了减少能源消耗，2000年开始要逐步实行“住宅集中供暖系统分户热计量和收费制度”，即现在的分户热计量。要实现供热采暖系统按实用热量计量收费.必须使热用户能自行调节室温并使室内温度保持在用户要求的范围内，这样，就要求该供暖方式具有热计量功能和可调节性。由于室内系统的调节，原有的定流量系统成为变流量系统，若不采取相应的控制措施，二次侧的流量将会有很大变化，从而会引起整个供暖系统的水力失调［2］。因此，如何采取控制措施来维持供暖系统的水力平衡成为关键。

1 供暖系统中的压差

在供暖系统中，流体以一定的流量在一定的压力下，流经水力元件及管道后，其流量是不变的，但是其压力有所降低，这种压力的损失即为压差。在分户热计量模式下，热用户对流量的调节，会引起整个楼栋（或单元）的压差变化：当热用户的供回水压差不足时，流量肯定不足，室温偏低；当热用户的供回水压差过大时，流量增加，室温偏高［3］。因此，适当的控制压差就可以保持二次侧流量的动态平衡，从而保证各热用户的供暖需求。

为了降低压力变化带来的水力失衡，决定设计一套装置控制楼栋进口的供回水压差，使之保持在一个合适的数值，当用户自行调节时，该装置通过调节变频器的频率控制水泵的转速，使整个系统的压差保持在设定值附近。其控制系统原理如图1所示。

图1 压差控制系统原理图

2 系统现场布置

系统安装布置如图2所示。该系统中加装了一个动态平衡罐，该装置内部有特别设计的隔板，将一、二次侧的循环独立开来，平衡罐安装于热水集中供暖系统的热网干管与用户的连接处，形成一次、二次循环回路，其环路之间的流量调节互不影响［4］，使二次侧的调节对一次侧的影响降到最小，同时为在不发生水力失调的情况下实现变流量运行打下了基础。

图2 现场布置图

3 系统控制过程

压差变送器实时采集二次侧的供/回水压差，温度传感器采集供水温度、回水温度，变频器控制循环水泵的转速［5］。将采集到的实时数据送入到西门子LOGO！控制器中，经过控制器内部的程序对采集信息进行处理，判断当前压差是否在设定值范围内。若在设定值范围内，则变频器不动作，保持当前频率运行；若采集到的压差比设定值高，则变频器点动减速；若采集到的压差比设定值低，则变频器点动加速。如此循环检测，使压差控制在设定值附近。其逻辑控制如图3所示。

LOGO！控制器是这套方案的核心部分，它不仅要完成数据的采集、分析，而且要根据采集到的数据实时调整变频器的频率，以满足不同工况下的需要。

图3 压差控制的逻辑控制图

控制器的输入端主要采集的数据有：二次侧的供水温度、回水温度、变频器的频率、实时压差和变频器故障报警。

控制器的输出端控制的设备（或功能）有：变频器加速、变频器减速、报警指示和备泵的切换。

各传感器采集来的信号都要送入LOGO！控制器，在控制器内经过程序的处理后，输出相应的控制动作，其核心部分是压差信号的检测与判断。为了达到更好的控制效果，程序中还需要其他的辅助模块：

1）由于压差控制程序是针对于稳态时而设计的，所以在系统启动时需要一段时间才能达到正常稳态运行。而水泵又不能较长时间维持在较低的转速段运行，为此需要编写开机快速启动程序块；

2）压差控制程序本身只能感知压差，只要压差满足要求，程序就能正常运行，但是压差与温度在某种意义上又是无关量，所以我们还要对回水温度进行监测，当回水温度过低时，启动程序进入到低温保护程序模块，这时程序控制变频器高速运行；

3）在变频器频率过低，或者水温持续过低，或者变频器出现故障时，需要进行报警输出，同时重新启动程序，在启动失败的情况下启动备用泵工频运行，以便提醒工作人员及时解决问题，为此编写报警输出程序块。

综合以上所需模块，得到最终的程序如图4所示。

图4 运行程序图

4 实例运行及结论分析

程序完成后，需要把这套装置投入实地运行，以观察运行情况。将这套装置安置在新疆广汇·蓝调一品C区15#楼进行试验（该楼尚未完工，墙体外部没有做保温处理，因此室温不作为本次试验的主要参考值）。15#楼有4个单元，6层，每单元每层4户，共计96户。

在压差控制试验中，重要的是寻找一个供热平衡的压差设定值，使得变频器在较低频率运行时，既能保证所有用户的供暖需求，又能达到节能的目的。为此，采用如下方法：

1）在不启用程序的前提下，使变频器按工频运行，记录此时的压差值及每户的瞬时流量；

2）调节变频器的频率至不同频率，记录压差值及每户瞬时流量，当有部分用户的流量为零时，停止调节频率，然后适当提高频率，直到这些用户恢复流量。

经过长时间的数据收集、分析，发现变频器频率在30～45Hz之间时能够满足用户供暖要求，并且达到节能的目的。先将变频器频率设为40Hz，此时该楼供暖系统所对应的压差为8.5kPa，这个数值便是程序中所要的设定值。

在不使用程序控制和开启程序控制的不同条件下收集各热用户的流量数据，分析整理后得到的瞬时流量（平均值）数据如下表1所示。

表1 瞬时流量变化表

从表1中可以看出：

在关闭程序时，关闭25%用户后，流量比不关用户时增加28.28%左右；当关闭50%用户时流量比不关用户时增加75.15%左右。

在启动程序时，关闭25%用户后，流量比不关用户时增加6.4%左右；当关闭50%用户时流量比不关用户时增加16.18%左右。

开启程序后，在不同用户的自主调节作用下，通过程序对数据的处理，实现了供暖管网的动态平衡，使得未调节的用户仍维持在原有流量附近运行。以上数据是在关闭25%和关闭50%的极限条件下得到的，实际工况条件下不可能有四分之一热用户同时关闭阀门，由于时间有限，没有做相关实验，据估计，正常运行状况下，部分热用户调节流量后，其他用户的流量增加大概在2%～5%左右，完全满足实际工况需要。

目前，这套装置已经开始投入运行，节能效果明显（节电率约40%），同时，提高了热用户的舒适度，为分户热计量的推广打下基础。

［1］张友谊.对分户热计量供暖热网变流量压差控制节能的探讨［J］.内蒙古科技与经济，2008，12（23）：105-106.

［2］南翔.压差控制阀在分户双管供暖中的科学应用［J］.内蒙古科技与经济，2009，13（12）：102-104.

［3］李媛.住宅供暖系统分户热计量研究 ［J］.鞍钢技术2000，09（09）：50-52.

［4］刘风喜，梁怡芳.住宅供暖系统分户热计量方式的探讨［J］.河北科技建筑学校学报 2002，09（03）：9-11.

［5］陈国栋，马英力，赵瑜，庞凯.水泵的变频调速节能分析［J］.中国科技信息，2009，09（18）：137-138.