集中供熱換熱站水系統運行調節

孫志沛

摘 要：根據集中供熱水系統的運行特點和運行規律，并運用自動控制的原理，總結實現自動運行控制的方案，目的在于在集中供熱項目設計階段提出設計依據，并可指導運行人員對具備自動運行控制的集中供熱系統提供操作指導。

關鍵詞：鍋爐；一次管道；換熱站；二次管道；熱用戶；自控

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.09.097

1 前言

我國北部地區冬季的供熱是關系到國計民生的大事，隨著社會的發展和科技水平的提高，供熱系統向著大型集中供熱發展。大型集中供熱有利于節能和環保，但是因其水系統相對復雜，運行中的自控調節成為科學運行和節能降耗的關鍵。目前集中供熱系統普遍采用二次換熱的方式，其特點在于可以將大型管網通過換熱站分解為相對小的供熱單元，以利于系統的調節。在沒有實現自動運行的供熱系統，往往依靠手動調節，人為因素較多，投入的人力也相對較多，往往也因為操作人員的技術水平和責任心因素，不能實現科學的運行。為了達到更加科學和經濟運行的目的，換熱站的自動化控制是發展趨勢。

2 自動控制運行的系統模式

（1）集中供熱系統由鍋爐，一次管道，換熱站，二次管道和用戶幾個單元構成一個封閉的循環系統（圖1）。

在非自動控制的供熱系統模式下，鍋爐的運行調節是主動性的，也就是說在鍋爐運行中，根據室外溫度情況并參考供水溫度的經驗數據，由鍋爐主動進行供水溫度的調節，這種情況下一次水的流量是不變化的，也就是稱為“質調節”的運行方式。在實際運行調節中，由于一次水流量的不同，一次水供水溫度與回水溫度的溫差無法從經驗值做出統一規定，因此參考一次水回水溫度是可行的模式（表1）。質調節的優點在于鍋爐運行相對穩定，但是因為一次管道和二次管道的長度不一，存在到達供熱終端的熱用戶實現根據室外溫度的實時調節存在滯后問題。

（2）自動控制調節模式。自動控制的供熱系統中，熱用戶和換熱站成為主動調節的單元，而鍋爐運行處于被動調節狀態。其模式是根據室外溫度的變化，換熱站對一次管道的水量進行調節。一個供熱系統中多個換熱站同時調節的結果，勢必造成一次水的總量變化。而鍋爐運行模式為一次水供水溫度基本保持不變，根據一次回水溫度變化來調整燃燒。這樣的運行模式一般稱為“量調節”。在量調節運行模式下，換熱站的水量調節依靠流量調節閥或者二級泵來實現。因為從換熱站到熱用戶的二次網相對更加復雜，不建議對二次水也進行量調節。

（3）實現自動控制調節的硬件條件。換熱站作為主動調節單元，需要具備針對一次水流量調節的設備，一般可采取流量調節閥控制或者二級泵變頻控制。而控制的依據是室外溫度檢測和二次水供回水溫度的檢測。通過PLC系統采集溫度數據來控制流量調節閥的開度或者二級泵的運行頻率。實現自動控制，鍋爐的自動運行也是必備的條件。在一次網各換熱站的同趨向調節下，一次水的流量會發生變化。一次水流量的變化會造成回水溫度的變化。鍋爐自控系統應具備通過流量和一次水溫差折算外網需熱量的功能，通過這些數據的采集與分析，實現對鍋爐爐排，鼓引風機運行參數的調節。

3 自控運行的參數確定

3.1 供熱系統需熱量的確定

供熱系統自控運行的重要參數是需熱量，由于換熱站是調節的執行單元，因此每個換熱站的需熱量是決定一次水和二次水溫度的關鍵數值。對于每個換熱站其供熱的范圍是相對固定的，因此可以根據所供熱區域內各種建筑形式來核算總的需熱量。在建筑采暖設計中，單平米的需熱量的計算是比較復雜的，需要參考的參數比較多，比如圍護結構導熱系數，門窗冷風滲透，建筑物朝向，頂棚地面等因素。對于新建小區總的需熱量往往由建筑采暖設計給出，核算相對簡單。但對于老舊小區，往往缺乏這些基礎資料。那么需要根據建筑物的節能等級來核算在一定室外溫度T0下的總需熱量（表2）。

從表1可以看出，一個換熱站供熱區域內的不同建筑形式的需熱量是不同的。根據不同形式建筑的單平米需熱量結合供熱平方米數，可以計算出每種建筑形式需熱量Q0，其關系為：

Q0=Kq0S（1）

Q0為熱量 W；

K為修正系數 （邊墻K=1.2頂，底K=1.4）；

S為建筑面積m2。

對于存在多種建筑形式的換熱站，其總的需熱量為各種建筑形式需熱量之和。

3.2 供熱系統水流量的確定

供熱系統二次水的流量與需熱量有關，也與二次水供回水溫度差相關。供熱系統的二次水在某個室外溫度情況下的供回水溫度的確定是一個比較復雜的問題，由于熱用戶的采暖形式不同，所需要的供回水溫度也不同。例如四柱813暖氣片，銅鋁復合式暖氣片以及地采暖各自有相適應的供回水溫度。所以針對每一個換熱站需要根據其具體情況參考熱用戶采暖形式來確定二次水的供回水溫度。對于多種采暖形式并存的換熱站，則應考慮主要采暖形式。二次水的流量基本上遵循下面的關系：

G2=0.86Q0/[C（T21-T22）]μ2（2）

G2為二次水流量kg/h；

Q0為建筑需熱量W；

C為水的比熱（C≈1kcal/kg℃）；

T21為二次水供水溫度℃；

T22為二次水回水溫度℃；

μ2為管道效率，一般取0.8-0.9。

上面公式中，需要根據室外氣溫確定的，是二次水的供回水溫度，也就是T1和T2。根據供熱行業多年摸索的經驗，對于四柱813暖氣片，其數值可參考表3。其他形式的暖氣片及地采暖應參考廠家給定數值。

4 自控運行調節原理

（1）變頻水泵的特性。對于水泵來講，每個廠家的水泵都有特定的特性曲線，但特性曲線的基本模式是基本相同的。也就是說水泵的流量變化取決于阻力變化。對于一個阻力相對固定的系統，流量是基本恒定的。但是目前運用變頻技術來控制水泵的轉數來調節水泵的流量，那么我們需要了解水泵在不同頻率下的特性曲線。如上所述，每個廠家的特性曲線也是不同的。隨著變頻從50Hz（工頻）向下調節，其特性曲線的變化趨勢是逐漸變窄并參數降低的。

（2）二次水水量的調節。在自控系統中，檢測外界氣溫T0二次供回水溫度T21和T22是重要的環節。因為用熱側的變化是隨機的，保證回水溫度即可保證熱量輸出達到效果，也就是說能夠保證供熱效果。在實際運行調節中，應將外界氣溫與二次水回水溫度的關系在微機中進行預設，并將所使用的水泵各頻率下的特性曲線進行預設。在外界氣溫參數下，通過檢測的二次供回水溫度來計算所需的水泵流量，并對水泵運行頻率赫茲數值進行調節。以達到滿足當前室外溫度下的需熱量。

（3）一次水水量的調節。從原理上講，通過板式換熱器一次水與二次水的熱量交換是等量的，只是應考慮換熱效率的修正。因此，一次側的需熱量為：

Q1=Q2/μ1（3）

由此可以確定一次水的流量為：

G1=0.86Q0/[C（T11-T12）]μ1（4）

G為二次水流量kg/h；

Q0為建筑需熱量W；

C為水的比熱（C≈1kcal/kg℃）；

T11為二次水供水溫度℃；

T12為二次水回水溫度℃；

μ1為換熱效率，一般取0.9。

根據換熱站的設置形式不同，一次水的流量調節方式有流量調節閥調節方式和二級泵調節方式。對于流量調節閥的形式，實現自動調節應選用電控調節閥。在運行調節中，通過檢測室外氣溫和一次水供1回水溫度作為基本參數，并將室外氣溫與一次水供回水溫度的關系進行預設，并根據所選用的調節閥的開度與流量特性，對調節閥的開度進行調節，以達到流量調節的目的。而通過二級泵的調節方式，與二次水的流量調節原理是相同的。與二次水調節不同的是，一次水的調節需要增加對二次水回水溫度的檢測，也就是需要一個對供熱效果的檢驗環節，并通過檢測二次回水溫度，及時對一次水流量進行修正。

5 結束語

本文所闡述的是鍋爐——換熱站——熱用戶這個系統，被動調節情況下，針對換熱站的自動運行調節的問題。也就是說，調節的首位主動權在熱用戶。當熱用戶調節造成換熱站參數發生變化后，換熱站針對二次水和一次水的調節思路。對于鍋爐來講，多個換熱站的自主調節，將視同于熱用戶的主動調節。鍋爐房的調節問題是另一個課題，此文沒有涉及。

本文是從運行經驗出發，總結了換熱站調節的問題。由于供熱技術與自控，軟件編程分屬不同專業，本文未對供熱技術和自控編程等進行深入的闡述，本文的目的是針對不同專業在銜接中的問題進行分析，希望能夠在實際工作中起到參考作用。