供热及生活热水系统自动控制关键技术分析

王旭东

(晋城市市政工程总公司，山西晋城 048000)

随着控制技术、传感技术的不断发展，这些技术也越来越多的应用于工程的各个领域。传感技术和控制技术的发展使得合理有效地利用蒸汽热能变得游刃有余，同样也使得电锅炉蓄热系统应用成为可能。传感器、执行器、PLC同时作用于电锅炉蓄热系统，控制电锅炉的开启和关闭以及管路的自动切换，为大厦提供温度稳定的生活热水［1，2］。本论文主要是利用现代化的控制手段解决大厦的供暖热源和生活热水系统相关技术进行分析。

1 供热热水系统方案设计

电厂生产出的高温高压热蒸汽通过市政热力管网输送到写字楼、商场、住宅等用户的换热站，经过换热器换热后把循环水温度升高，利用采暖循环泵循环实现供热的功能。在每一个换热站现场都安装蒸汽流量计，计量蒸汽的使用量。采暖循环泵采用星三角启动方式，下面分析板式换热器选型计算过程。

1)使用参数。使用负荷：2 500 kW。热侧(蒸汽)：0.4 MPa饱和蒸汽。冷侧(水)进口温度：50℃，出口温度：60℃，流量：215 m3/h。

2)板式换热器计算过程。a.对数平均温差：Δtm=［(150-50)-(150-60)］/ln［(150-50)/(150-60)］=94.9℃。取温差修正系数0.70，则 Δtm=66.4℃。换热器的传热系数 K= 1 200 kcal/(m2·K)～1 800 kcal/(m2·K)较合理。b.换热器的负荷计算：Q=2 500 kW(215万大卡)。c.换热面积：A=Q/K× Δtm=(2 150 000/1 500)×66.4=21.6 m2。考虑实际工作情况复杂，有一部分换热面积用于蒸汽过冷，因此取15%的设计余量，则A=25 m2。根据流量及换热面积初选用BRO.5人字型波纹板型。d.初选型。需用单板面积为0.52 m2的BRO.5型板片约49片。初选流道布置方案：1×24/1×24。有效换热面积：Ac=0.52× 48=24.96 m2。单通道截面积：0.001 62 m2，角孔直径：DN125。二次水侧流速：V2=q2/As·n2=1.53 m/s。水侧流速范围超出0.2 m/s～0.7 m/s之间，冷侧需加旁通。所以，选用型号为BR0.5 P-1.0-25-E的板式换热器。

2 控制与调节

当系统运行时，压力传感器检测循环水的压力，当压力低于0.4 MPa时，控制器发出指令启动补水泵向系统补水，当压力上升到0.4 MPa时，控制器发出指令补水泵停止。此时，温度传感器检测板式换热器二次侧出口水的温度，水低于55℃时，控制器发出信号，执行器向上运动蒸汽流量加大此时二次侧出口温度随之上升，当温度达到55℃时，控制器发出信号，执行器停止运动，循环水温度稳定在55℃。

2.1 温度调节

1)一次网调节方式探讨。这里所谓一次网的调节，就是区域供热管网系统热源侧方式，量调节是其采用的方式。一般是通过电动调节阀的开度来进行调节一次网的流量，从而使得一次网的量调节成为可能。对于电动调节阀的调节来说，供水温度传感器安装在二次网上，同时根据反馈的二次网供水温度信号进行说明。该阀门的动作则是通过中央控制器输出信号进行控制，同样的反馈信号存在于与该调节阀开度中，另外，对于在室外的中央控制器的室外温度传感器来说，也能够根据实时温度反馈信号，在一定的内部程序基础上进行电动调节阀的开度，内部程序还可以通过用户进行修改和编程。工作说明：通过检测二次回路的出水温度来控制一次回路进水阀门的开度，使出水温度保持在用户需要的范围内。控制器在x2接点上可接远程温度设定装置(FZA21.11或QAA25)，该装置即成为控制器的住设定点。也可接一室外温度传感器，实现供水温度的室外温度补偿。控制器在D1和M之间可接一开关实现昼夜设定点切换。2)一次网调节方式。对于二次网质调节来说，这里采用定转速泵，即定流量泵采用在二次网的循环泵，能使得二次网的流量保持不变。间接控制二次网的供水温度可以通过一次网的流量来间接控制，而安装在一次网上的电动调节阀则能够改变相关的一次网流量，这就实现所谓的二次网的质调节。同时，在一定程序曲线的控制下进行二次网的供水温度控制，使得最大可能的节能成为现实。二次网的量调节：变流量泵(变频泵)在二次网的循环泵中被采用。二次网流量改变则是通过改变电源的频率而改变电机的转速实现的，这样二次网的变流量控制就成为可能。这对于采暖用户是分户计量情况较为适用。另外，还采用二次网质和量调相互结合的条件，即二次网的量调节是通过一次网的循环泵采用变流量来改变二次网的流量来实现的。而二次网的质调节则是通过安装在一次网上的电动调节阀来控制二次网的供水温度来实现的。

2.2 蒸汽疏水器

热蒸汽经过板式换热器换热后变成冷凝水，为了防止冷凝水排出时产生蒸汽流失，在板式换热器的热侧出口安装蒸汽疏水器。蒸汽疏水器的基本作用是将蒸汽系统中的凝结水、空气和二氧化碳气体尽快排出，同时最大限度地自动防止蒸汽的泄露。

2.3 蒸汽温度压力自动控制方案设计

减压系统：由压力传感器监测蒸汽压力变化，通过控制系统控制电动执行机构，自动调节减压装置出口压力使之达到用户使用蒸汽要求。减温系统：由温度传感器监测蒸汽出口温度变化，并将变化通过信号传递至中央控制器进行运算，控制减温水量，使之达到用户使用蒸汽要求。控制系统：中央控制器可接受模拟量和数学开关信号并进行复杂运算，实现无级调节，超温超压报警，以及智能化无人值守运行。

2.4 各种控制调节元件的选择

1)温度传感器选择。应该选择耐高温、灵敏度高的传感器，根据这两个条件选择PT100温度传感器。PT100温度传感器是铂电阻温度传感器，它适用于测量-200℃～+850℃之间的温度。2)压力传感器选择。西门子BQ620_P10型，此变送器具有精度高、使用寿命长、耐高温等特点。3)小型控制器选择。选用西门子RWD62型，该控制器最多可以配置3个PID控制环路，每个控制环路最多可有4套程序，完全能够满足最复杂的控制要求。有2个数字输入接口，6个数字输出接口，5个模拟量输入接口，3个模拟量输出接口。4)换热器选择。选用板式换热器，选用316 L板片制造的蒸汽型板式换热器。板式换热器具有传热效率高、冷却水量小、热损失小等优点。5)水泵选择。选用单极立式离心泵。循环水泵功率较大，采用“星—三角”启动方式降低启动电流，启动延时时间8 s，由时间继电器实现。减温水泵和补水泵功率较小，采用直接启动的方式。

2.5 系统安装

1)蒸汽管道根据现场位置布置，须方便操作及维修，并须对管道、减压阀、安全阀水泵机组加以固定，安全阀的排气高度注意不能伤及行人并尽量室外排放。2)蒸汽、减温水如质量较差，需加装蒸汽过滤器、水过滤器。安装时，应将管道、水箱等关联设备内的焊渣杂质等清理干净，否则将导致阀门密封破坏及减温器堵塞等故障。3)控制柜可根据现场情况远/近距离安装，注意环境温度及湿度。4)所有管道接口均需密封良好，所有电气接线均需紧固可靠。5)在蒸汽管道上，应加装旁通管道以便检修时不中断后端重要设备的运行，并在减温减压装置前管道最低处加设疏水阀及管道排水阀。

3 生活热水电蓄热系统方案设计

市政热力管网在春、夏和秋季都不供应蒸汽热源，这样一般往往只是采用电锅炉蓄热方案在生活热水系统中。这是因为，环保不符合要求的燃煤锅炉不能使用，也有运行费用太高的原因。利用夜间低谷电价的电蓄热方案一方面可以使得运行费用有所降低，另外，对电网的“削峰填谷”的作用也是较为明显。启动电锅炉在晚上10：00左右进行蓄热，在此过程中，温度达到95℃时，经过温度传感器检测后传递给系统，使得电锅炉工作停止。第二天还可以使用储存在蓄热槽中的热量。其中，蓄热水泵、蓄热水箱、仪表阀门和电锅炉，还有相关的控制系统则组成了生活热水电蓄热系统。整个系统在相关的电锅炉单供热、电锅炉蓄热、电锅炉和蓄热槽联合供热、蓄热槽供热和电锅炉蓄热供热这五种方式中进行切换。在不同工况下的控制热水系统中，自控系统可以进行运行参数检测，主要具备下述功能特点：1)各种信号收发控制(主要来自电锅炉的开关及传感器);2)电动阀门的开关在各种工况下进行控制;3)收发控制水泵开关及各种信号;4)蓄热各种工况的切换在接触器、执行器等作用下;5)传感器自动检测温度; 6)记录各种设备运行参数，以及相关的PLC彩色触摸屏显示等。

4 结语

热电联产所输出的蒸汽是高压过热蒸汽，这些蒸汽通过市政热力管网输送到大厦现场时，温度高达220℃以上，压力在0.8 MPa以上，这部分热能无法直接利用。本文利用压力传感器、温度传感器检测蒸汽热源的压力温度，通过小型控制器控制电动减压阀执行器及减温系统执行器动作，把蒸汽热源的压力和温度控制在可直接利用的0.4 MPa，150℃，通过换热器利用传热学中对流换热原理把蒸汽热源的热能转换成中央空调热水系统的热能。

［1］ 刘 雄，杨登科，年卫琦.集中供暖住宅太阳能生活热水系统设计分析［J］.可再生能源，2008，26(3)：122-123.

［2］ 郑晓菲，贺明健.水源热泵在低温地热生活热水系统的应用 ［J］.煤气与热力，2006，26(4)：73-74.