关于集中供热系统控制研究

关于集中供热系统控制研究

哈尔滨哈投投资股份有限公司供热公司 高阳

【摘 要】本文介绍了目前集中供热系统中主要的控制方式， 分析了各种优缺点， 并选择应用适合哈投集团目前供热模式的控制方案。 【关键词】集中供热系统 控制方案 １、前言

哈投集团集中供热工程是利用化工热电厂４×５０ＭＷ发电机组作为热源， 新建５０座 热力站， 实现开发区５５０万平方米集中供热， 热负荷３７４ＭＷ。所有热力站全部为间联方式供热， 一次网供热温度１３０℃／７０℃， 二次网供热温度９０℃／６５℃。为保证热网系统安全、稳定、高效率地运行， 适时了解供热系统工况， 构建计算机自动调控系统， 并采用切合目前现状的控制方案， 实现热网的优化调度控制， 最大限度地实现热网的水力平衡， 实现节约能源的目的。 ２、控制方案的分析与应用

２．１各种主要控制方式的分析比较

（１） 控制热力站二次网供水温度的控制方式如图１所示， 各热力站根据外温情况， 调 整一次网侧的电动阀门Ｖ１， 以改变流过水－ 水热交换器的一次侧水量， 从而使得二次侧热交换器出口的水温达到设定值。从原理上， 只要给出合理的外温与二次网供水温度之间的

关系式， 仔细设计电动阀门的调节算法， 能够使用户侧采暖达到要求。然而实际上却存在 以下问题：当外温降低时， 各热力站按照预定的调节规律将纷纷开大一次侧阀门， 加大一次网流量， 以使二次网供水温度升高至与降低了的外温相适应， 此时， 热源可能进行的相应调节有两种： （ａ） 增加蒸汽量以提高总的供水温度使其与降低了的外温相适应； （ｂ） 提高供回水干管的压差以增大流量， 同时增加蒸汽量以维持供水温度不变。当热源采用前一种调节方式时， 由于从热源至热力站有相当距离， 热源处的温度变化要经过一段时间才能反映到各热力站， 因此各热力站都首先有一个开大阀门希望增加流量的过程。由于总流量不可能增加太多， 于是近端热力站通过开大阀门后， 达到要求的流量与二次网出口温度， 而远程的热力站则流量变小， 进一步开阀门也无济于事， 直至阀门开到最大， 二次网出口温度仍达不到要求。以后， 热源的升温效果开始反映在近端热力站， 近端热力站开始关小阀门， 以维持二次网供水温度， 这使远程各热力站流量逐渐加大，此后温度升高的一次网热水开始流至远程站， 使远程站二次网供水温度升高， 将导致远程站也开始调小供水阀门以维持二次网供水温度。这些调节作用导致一次网流量开始减少， 从而热源出口温度进一步升高。为维持热源出口温度， 热源要适当关小蒸汽流量， 这最后又会逐渐导致各热力

站陆续开大阀门。热源至热力站之间的延时一般在几十分钟至一、二个小时之间， 这种振荡现象有时会持续很长时间， 直至系统不能正常工作。若热源采用后一种方式同时提高供回水压差， 使循环流量增加， 并且适当增加蒸汽流量， 使供水温度不变， 情况会略好一些， 但由于热源的调节与各热力站的调节很难同步进行， 这二者间的时间差将同样导致上面的振荡现象。当各热力站的动作早于热源时， 各热力站有一个竞相开大阀门而后又逐个关小的过程。此过程由于各热力站间的调节不同步进行又导致若干次振荡。当热源早于热力站时， 情况要有所好转， 但也会出现一系列的阀门动作。由于各热力站所处的外温应该相同，总的热源温度升高使各热力站二次网供水温度均升高。总的供回水压差加大， 也可使各热力站流量按比例加大， 使各自的二次网供水温度升高， 因此最终的调节结果应该是各热力站的阀门又都回到最初的位置。无谓的使各热力站的阀门进行这样一个调节过程甚至 于振荡一个周期， 总不是好事， 如果热源也采用自动调节， 调节再不完善， 极有可能与各热力站一起振荡， 长时间不能稳定。此外， 由于建筑热惯性的作用， 外温瞬间的升高或降低， 不会立即造成室温的相应变化。室温及建筑要求的供热负荷与外温之间总存在一个衰减和延迟的过程。如果各热力站内的控制不考虑这一衰减和延迟的作用，对外温进行滑动平均处理， 而是根据瞬间外温的变化进行调节， 将会加剧这种振荡， 各个热力站间外温测量由于误差造成的不一致，也会导致同样的不良影响。 （２）控制管网最不利压差的控制方式

这是北欧各国普遍采用的控制方式， 主循环泵采用变速泵， 根据最末端测出的供回

水压差控制泵的转速， 使该压差能维持于要求的数值。各热用户则可根据要求， 自动调节 流量， 满足各自的用热要求。采用这种方式，如果同时能够维持热源的出口温度为常数， 理论上能够满足各种情况。某个用户需要加大流量， 以增加供热量， 因而开大阀门时， 干 管流量增大， 压降增大， 末端压差降低， 其它各用户流量降低， 此时， 主循环泵相应增加转速， 总流量增大， 使末端压差恢复到设定值，这时， 各用户流量也会基本上回到设定值。因此， 只要主循环泵能及时调整， 系统即能保持正常。然而， 当系统处于正常情况下， 为什么要突然加大其个热力站的流量？ 对各个热力站应该放任自流地任其随意调整吗？ 如果是以热量向最终的用户收费， 则可以采用这的方式进行。任何一个热力站随时都可以通过开大阀门而加大流量， 增加热量。这就是北欧各热网普遍采用此方式的原因。然而， 如果是按建筑面积收费， 为了节省总供热量， 热网不应该以充分满足各热用户的需求为调节目的， 而应该以满足采暖建筑的基本采暖要求（ 大于１６℃） 的前提下， 尽可能减少总供热量为目标。总供热量愈少， 经济效益愈高。这样，再采用这种以充分满足各个热用户的要求为原则， 仅靠调主循环泵转速来维持末端压差的方式就不适宜了， 至少还需要某种对各热用户的控制机制作为补充， 来尽可能降低各热用户的供热量， 以达到节省总的供热量的目的。

（３）控制热力站流量的控制方式

既然以供热面积为标准收费， 干脆根据各热力站面积计算各个热力站的设计流量， 在各热力站安装流量计， 调节供水阀， 使一次网侧进入热力站的流量在任何时候均为设计 流量。根据外温变化， 集中对热源的出口温度进行调节， 这是一种根据我国热网管理模式 提出的控制模式， 不存在前面的振荡和部分热力站供热量偏多的问题。然而仔细分析此 法仍有不足： 由于各热力站实际供热面积很难与标称面积或收费面积一致， 即使统计出 的面积准确， 由于建筑类型朝向、保温等情况不同， 单位面积的热负荷也不可能相同。按照面积确定流量， 就会使保温好的建筑室温偏高， 保温差的建筑室温偏低， 或者是统计出的供热面积偏小的热力站所供的建筑物室温普遍偏低。热力公司向最终用户的承诺并不是 每平方米多少循环流量， 而是室温不低于现定的下限（１６℃）， 如果室温普遍偏高， 热力公司并不能收到更多的热费， 只相当于白白多供了热量， 如果某个热力站室温偏低， 则

会收到用户投诉。因此， 更好的方式是否应为设法使各热力站间的供热效果均匀， 而不是仅使流量与标称供热面积相匹配？如果无自动控制系统， 完全依靠手动调节， 这样做可能是可以做到的最好结果， 但是如果安装了自控设施， 各个热力站的进口门可以自动调节时， 能够使各热力站之间的供热效果更加接近， 从而使总的供热量有可能进一步降低使热力公司在不降低供暖质量的前提下， 获得更多的经济效益。 （４）均匀性调节的控制方式

根据上述分析， 我们认为对于哈投集团集中供热系统的管理模式， 在近期采用按面 积收费时热网应采用均匀性调节。对各个热力站供水阀门的调节应该以各个热力站彼此 之间供热效果相同为目标。如果各供暖房间的房间温度可以测量， 那么使各热力站的供 热建筑的房间温度彼此相同应作为调节目标， 由于不可能大范围测量房间温度， 因此只 能寻找反映房间温度的测量参数作为控制目标。由稳态下的热平衡方程可以得到， 散热器 向房间传热应与房间向室外的传热量相同， 即：

由上式可解出：

即， 在稳定工况下， 室温为供回水平均温度和外温的加权平均， 权系数由建筑物的综 合传热系数ＫＦｂ与散热器的传热系数ＫＦｒ之比决定， 如果各热力站所负责的建筑物的ＫＦｂ与ＫＦｒ之值相差不大， 则各热力站ｔｇ＋ｔｈ基本上反映了该热力站所负责建筑的平均室温， 如果将各个热力站的二次侧供回水平均温度调为一致， 则可以近似认为采暖房间的室温是彼此均匀的。以各热力站二次网供回水平均温度彼此一致为网的调节目标， 对各热力站供水阀进行调节， 可以保证各热力站间的均匀供热， 避免由于冷热不均， 为了保证偏冷用户达到要求而造成过热用户的浪费。因此是保证供热要求条件下的最省能的调节方式， 也是可以使管理热网的热力公司获得最大经济效益的调节方式。这种均匀调节一般不会导致系统振荡。由于各热力站所带的供热面积不会经常改变， 并且各建筑物的负荷主要由外温所决定，因此随外温变化各热力站的热负荷同步升高或降低， 各热力站间热负荷之比基本不变。因此， 系统一旦调节均匀， 就基本能够保持， 不需要随温度变化进行调节， 因此阀门调节的频繁程度较前述方式１、都要小的多， 这样，

２系统可以长期稳定运行。随着外温的变化， 为保证供热效果， 热源需统一进行调节， 这时可以随外温降低而升高供水温度， 也可提高总的循环流量。无论采用哪种方式， 都是

全面地升高或降低各热力站的采暖效果， 不会改变其均匀性。只有当个别热力站二次管网发生变化， 新增添或关闭一些用户， 庭院管网做某种调节和转换等， 才需要对相应热力站及相邻几个热力站的供水 阀进行调节。均匀性调节可将热网的调节与热源的调节分为两个独立环节分别单独进行， 相互之间基本互不干扰。 ２．２ 基本控制方案基于上述分析比较， 明确了哈投集团集 中供热系统的基本控制方案。伴随着供热收费体制的改革， 哈投集团供热系统也必然会 由现在的按面积收费逐渐过渡到按热量收费的体制。我们认为， 这一过程是相当漫长的， 这期间必然存在按面积收费和按热量收费的用户在一个系统内同时并存的局面。因此， 下 面按上述三种情况分别对热网的基本控制方案进行介绍。 （一）整个系统按面积收费

按面积收费时， 热网调节的基本目标是能够实现均匀供热， 减少水平热力失调。对于 本工程， 采用的基本控制策略是将整个供热系统分为热源和热网两个相对独立的系统， 热网控制的目标是消除各用户之间的水平热力失调， 实现均匀供热。它只保证各热力站之 间供热效果的均匀一致， 而不追求各热力站内用户的绝对效果。系统的总体供热效果， 则 是通过负荷预测， 调整热源总供热量得以实现。也就是采用上一节的方案（４）。 综合考虑经济、供热效果和实际操作等诸方面的因素， 我们认为哈投集团集中供热 系统的运行调节应包括以下两个部分：

１） 一次网的运行调节。一次网的运行调节除应满足供热负荷的要求外， 还应符合热 源的安全、经济运行要求。

２） 二次网的运行调节。二次网的循环水泵采用变频调节， 为减少管网的水平和垂直 水力失调对热力失调的影响， 满足一定的供热效果， 并在此基础上达到较好的节能效果， 二次网采用质、量并调的方式。具体到各热力站的控制、供热首站的控 制和调峰热源控制， 基本策略如下：

１） 热力站的控制。测量各热力站的二次侧供回水温度， 确定各热力站电动阀的调节 量， 目标是使得各热力站二次侧供回水平均温度或供回水加权平均温度趋于一致， 尽可 能地降低水平失调度。

２） 热源内供热侧的运行指导。测量热网的总供回水温度、外温和流量。根据测量数据 以及相关的历史数据预测热网的负荷。由于供热系统的大惯性， 负荷的预测需要综合考 虑前几天的外温以及供热情况， 采用时间序列法来确定。根据计算机预测的负荷情况确 定供水温度和流量。调节循环水泵的转速使得外网总流量达到设定值， 调节蒸汽阀门或 燃烧工况使得外网供水温度达到设定值。 （二）各热力站按热量收费 如前所述， 此时与按面积收费的方式不同的是， 热力公司供热的策略是尽可能地给用户多供热以取得更多的经济效益， 而用户会自主地决定用热的多少。这与按面积收费的机制恰恰相反。因此， 此时就不能采用上述的均匀性调节方法， 而应采用上一节的最不利端压差控制法。此时基本的控制策略如下： １）热力站的控制

由各热力站根据外温和用户用热情况设定二次网的供水温度， 各热力站采用独立控制， 根据设定的供水温度来调节一次侧的供水阀门， 此工作可在上位机统 （下转第 ４２ 页） ｑ６ 的增加。

２） 机械排渣 容量较大的 ＣＦＢ 锅炉， 为了减少 ｑ４ 和 ｑ６ 的损失， 通常都采用机械连续排渣， 这样， 从入炉煤燃烧时产生的炉料量和连续排渣量保持一个动态平衡， 使料位高度基本不变， 使锅炉始终保持在最佳料位运行。因此减少了由于料位变化而对风量的调控，简化了锅炉运行频率操作， 增加了锅炉的经济性和安全性。

５． 送风量的控制

送风的作用是保证炉内物料的正常流化和保证充分有效的燃烧。在 ＣＦＢ 锅炉在燃烧 中的一个重要特点是物料 （ 燃料） 非一次燃尽， 有相当部分燃料是进行循环燃烧。为了保证燃烧充分需有足够的氧气， 否则缺氧而燃烧不充分， 将会导致飞灰和炉渣含碳量增加。 但炉内的氧量也要控制在一定范围， 炉内氧量过高时特别是过量氧产生的有利于燃烧燃 尽的正效应小于尾部排烟损失 ｑ２ 增加的负效应时， 反而降低了锅炉效率； 而且过高送风量也会使锅炉尾部的烟气流速大大提高， 会加剧炉内受热面的磨损， 过高的送风量必然会导致引风量的增加， 即提高了锅炉的总风量，直接造成风机出力和风机电耗的增加。所以过量空气系数一般不宜过大在 １．２ 为佳。 四、结语

循环流化床（ 高温分离） 锅炉由于燃料在高速气流的作用下， 流态化（ 沸腾） 进行燃烧。颗粒分离器收集飞逸炉膛的粉粒使之重返炉膛形成循环再次燃烧， 一次风从床底引入， 二次风从给煤口上部送入， 以确保煤粒在悬浮段（ 稀相区） 充分燃烧， 为了达到经济运行， 运行调整因素较多。以上是以燃烧机理进行了剖析， 供同行们参考。 参考文献

［１］ 扬勇等 循环流化床锅炉燃烧优化调整 ［２］ 王铁军 ＶＧ－ ７５／５．３－ Ｍ３ 循环流化床锅炉料位的调整（上接第 ３３ 页） 一完成也可在各现场控制器上完成。 ２）主循环泵的控制

主循环泵采用变速调节。可以根据最不利回路的末端压差来控制水泵的转速。但采 用末端压差控制也有不利的方面： 一是由于各热力站的流量变化范围较大， 最不利回路 也是变化的， 因此需要选择几个点而不是一个点的压差作为控制量； 二是当部分负荷时， 末端所需要的压差也相应变小， 此时若仍采用设定压差控制可能造成水泵电耗的浪费和 各热力站控制阀调节特性变差。可以考虑将各热力站内电动阀的阀位作为调节量， 通过对各阀位的测量和统一分析， 来确定水泵的转速。

（ 三） 系统中同时存在按热量收费和按面积收费的用户

此时， 应对按面积收费的用户或热力站采用均匀性调节， 同时又要保证管网末端或 按热量收费的用户的足够压差， 使按热量收费的热用户能得到充足的热量供应。

由于采用的是计算机控制系统， 采用不同收费方式时对控制系统硬件平台的要求基 本一致， 包括对通讯系统、传感器以及执行机构的要求等等。因此， 在设计硬件平台时， 应该充分考虑以上几个因素， 这样当控制需求变化时， 只需变更相应的控制软件即可， 而不需要改变控制系统的硬件部分， 这样就为系统的发展、扩充提供了非常便利的条件。 ３、结束语

哈投集团集中供热工程通过采用计算机自动化控制系统并结合上述控制方案实现了 热网安全稳定运行， 解决了热网水力失调和热量失调， 它是在引进国外先进技术的基础 上， 较好地结合了我国的具体国情， 是切实可行的控制方案， 此方案的应用进一步提高了热力公司的管理水平和经济效益。