（控制理论与控制工程专业论文）阜新热电厂供热站温控系统的研究.pdf

辽宁t 程技术大学硕士学位论文 摘要 本文研究的对象是阜新热电r 热力站供热温度控制系统。在研究了热网系统 的工作原理和集中供热调节方式的鏊硝土，提出了采t e f lf u z z y p i d 控制嚣，利月 a t 8 9 s 51 单片机实行对热力站的供热温度进行自动控制。 热力站内对罔户供热系统湿度进行自动监测和控涮，能很好地保证用户室温 在设定范围内波动。不仅节省大量的人力和物力，提高自动化程度及控制的精度， 蕊且还可以节省大量的煤炭资源。 关键词：温度控制、f u z z y p i d 控制器、a t 8 9 s 5 l 单片机。 辽1 - 穗技术凡学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a t i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ds y s t e mi nt h et h e r m o d y n a m i cs t a t i o no fp o w e rp l a n t i nf u x i ni ss t u d i e di nt h ee s s a yu s i n gf u z z y p i dc o n t r o l sa n de x p l o i t i n ga t 8 9 s 5 1t oc a r r yo u t h e a t i n g t e m p e r a t u r e sc o n t r o li n 搬d r m o d y n a m i cs t a t i o no nt h eb a s eo ft h ep r i n c i p l ea n d a d i u s t i n gm o d e so fh e a t i n gs y s t e m ， t h et e m p e r a t u r eo fh e a t i n gs y s t e mf o ru s er si sg u a r d e da n d c o n t r o l l e di nt h e r m o d y n a m i c s t a t i o na n da m b i e n tt e m p e r a t u r ei su n d e n a k e ni nt h ea s s u m e dc o n c h e s i ti sn o to n l ys a v i n g u pa b u n d a n tm a n p o w e ra n dm a t e r i a tr e s o u r c e sa n de n h a n c i n gt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o na n d t h ea c c u r a c yo fc o n t m l ，b u ta l s os a v i n gu pa b u n d a n tc o a lr e s o u r c e s k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e df u z z y p i dc o n s o l s a t 8 9 s 5 1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创新点声明 本人声裴蘑呈交黔学位论文是我个入在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果：在碱巍z 热。嗍嚣统。的王佳愿，跫和 寨。空然热。静。蒸礁。耋点握。璺，= j = ：。爰展羔誓。z 番土。l 乳捷剖。器二翘。履 觚曼管随1 蔑肚机塞行煎热友站舱供热渑廉进氟息动蘸劁。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：谴焦堂e t 期：星q q 鱼玺l ：旦基旦 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在各种能量消耗中，建筑是用能大户，建筑能耗通常是指建筑物 使用过程中消耗的能源，主要包括采暖、空调、降温、热水供应、炊 事、家用电器和照明等能耗。欧美发达国家建筑能耗一般占到全国总 能耗的3 0 一4 0 ；在我国，1 9 9 6 年全国能源消费总量为13 8 8 亿吨 标准煤，而建筑使用的能源约占全国商品总能耗的3 5 【j l 。随着现代 化建设的发展和人民生活水平的提高，舒适的建筑环境日益成为人们 的生活需要。采暖、空调范围日益扩大，能量需求不断增长。为了适 应国民经济的持续发展，节约能源，保护环境，国家正在大力发展集 中供热系统。 随着城市数量增加，城市人口增多i 及人民生活水平的进一步的 提高，对供热的数量和质量要求也必然会增加和提高。前几年国家提 出了民用建筑节能5 0 的目标，要实现这个目标，就必须实现供热 系统的节能控制。为了保证集中供热正常运行，提高系统效率，降低 能耗及热能损失，同时为了提高系统稳定性，保证用户室内舒适性， 达到最大节能效果，必须根据系统情况配备一系列的检测计量及调节 控制系统。同时，温控是建筑节能工作的重要组成部分，尤其在集中 采暖地区，是落实民用建筑节能5 0 目标的关键措施。 1 2 国内外供热系统现状 国外一些发达国家十分重视建筑节能工作，并制定了有关政策、 法规以及相配套的技术措施，特别针对采暖系统安设自动控制装置， 以使用户能够充分利用自由热，提高舒适度提出了明确的要求。其集 中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，调控手 段完善，设备质量高，通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二 次采暖热水和民用生活热水，在热力站的二次系统中均安装有变频调 速的水泵，差压控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制 器等设备。在控制上，基本上采用以压差控制为主的方案，其基本方 法是控制供热系统最不利环路的供回水压差不小于给定值。各用户流 量的调节，则是通过热源的集中调节和用户热入口的局部调节即散器 处温控阀的个体调节进行的。 与国外相比，我国目前采暖系统相当落后，具体体现在供热品质 差，即室温冷热不均，系统热效率差，不仅多耗成倍的能量，而且用 辽十t 程技术火学硕士学位论文 户不能自行调节室温。当前采暖费按平方计费，无助于用户的节能意 识，以至于出现一些不正常的现象。如室温过高开窗，室温过低投诉， 使得设计人员及业主尽量加大锅炉、水泵及散热器容量，造成效率低、 高能耗的重复浪费。我国能源紧缺，而采暖用能又十分浪费。据资料 介绍，我国住宅建筑采暖能耗为相近气候条件的发达国家的3 倍左右。 目前的采暖用能已占全国商品能源总消耗的96 。采暖能耗不仅造成 资源的浪费，而且是大气污染的一个重要因素【2j 3 1 。 在功能上，发达国家通常室内保证温度是2 2 ，我国仅为16 ， 而且我国的供热品质很差，室温冷热不均，系统热效率差，没有计量 术端能耗的手段，用户不能自行设定和调节室温等等。我国城市集中 供热目前存在的能源浪费主要来源于：( 1 ) 建筑的保温隔热和气密性 能差；( 2 ) 差暖系统相当落后。造成的结果是： i ) 低效率。我国供热采暖系统普遍在低负荷、低效率下运行，实 际供暖面积平均只有设备能力的4 0 左右。管网输送效率低，管道泄 漏和偷水现象严重。 2 ) 缺乏控制手段。我国供暖系统只有简单的调节手段，水力水平 失调、垂直失调严重；绝大部分锅炉供热系统采用直接联接方式，只 有少数锅炉房有量化运行管理设备，锅炉运行人员普遍是凭感觉烧锅 炉；没有恒温装置，供热不足和过度时，没有有效的调节手段。 3 ) 缺乏计量手段。采暖系统一般不设热表，没有计量收费是造成 用户不会去主动节能的主要原因，没有计量也造成了管理运行人员没 有具体的数量上的依据来运行管理。 1 3 问题的来源 1 3 1 问题的提出 供热系统效率低下，致使供热能耗高而热环境质量差，是我国目 前建筑供热状况的基本特征。就全国范围内集中供热地区而言，建筑 物供热主要情况是热源紧缺，总体供热不足，无法满足人民同益提高 的生活水平需要，因此在现有能源供给条件下，节能成为首要的紧迫 任务【“。 我国现行的热力站运行管理仍处于手工操作阶段，影响了集中供 热优越性的充分发挥，无法对运行工况进行系统的分析判断；系统运 行工况失调难以消除，造成用户冷热不均；供热参数未能在最佳工况 下运行，供热量与需热量不匹配；运行数据不全，难以实现量化管理。 辽宁t 程技术人学坝i 学位论文 研究和建立热网分布式计算机监控系统，实现热网运行过程中的 信息采集、信息集成、科学有效地控制和管理热网，为供热企业各级 领导、管理和生产部门提供辅助决策和优化手段，己成为许多供热企 业的迫切需求。 1 3 2 问题的来源 本论文是针对阜新热电厂下属7 个热力站的集中供热系统的微机 监控系统。 阜新市是辽宁西部的一个中等城市，城市人口7 0 多万。全市共有 集中供热单位两三个：阜新发电厂、阜新市供热公司、阜新市热电厂。 其中阜新热电厂供热面积2 0 0 多万m 2 ，本论文是以阜新市热电厂供热 系统为背景，该厂共有5 台锅炉，其中4 台7 5 t h ，l 台9 0 t h 。 1 4 研究的现实意义 随着经济的发展，节能的呼声越来越高。利用先进的科学技术， 合理分配热量，让现有的热能充分发挥作用，为更多的用户提供更好 的供热服务是供热企业的首要任务。将自动化控制引入供热系统中， 对供热系统的调节实现由手动到自动的转变，这才能满足新形势下的 供热需求。 由于我国供热系统管理运行跟不上供热规模的发展，绝大多数系 统仍处于手工操作阶段，从而影响了集中供热优越性的充分发挥。主 要反映在：缺少全面的参数测量手段，无法对运行工况进行系统的分 析判断；系统工况失调难以消除；造成用户冷热不均；供热参数未能 在最佳工况下允行：供热量与需热量不匹配；故障发生时，不能及时 珍断报警，影响可靠运行，数据不全，难以量化管理。供热系统的计 算机监控系统，恰好弥补了上述不足，概括起来，可以实现以下五方 面的功能： ( 】) 实时检测，了解系统工况。通常的供热系统，由于不装或仅 装少量遥测仪表，调度很难随时掌握系统韵水压图和温度分布状况， 结果对运行工况“情况不明，心中无数”，致使调节处于盲目状态。实 现计算机自动检测，可及时测量供热系统的温度、压力、流量等参数。 由于可经实时检测系统参数。运行人员即可居调度室而知全局。全面 j ，角犁供热运行工况，是一切调节控制的基础。 ( 2 ) 自动控制。均匀调节流量，消除冷热不均。对于一个比较复 杂的供热系统，特别是多热源、多泵站的供热系统，投运的热源、泵 辽宁丁程技术大学硕七学位论文 站数量或投运的方式不同，对系统水力工况的影响也不同。因此，消 除水力工况失调构工作，不是单靠系统运行前的一次性调节就能一蹴 而就的。这样，系统在运行过程中，经常的流量均匀调节是必不可少 的。计算机监控系统，则可随时测量热力站或热用户入口处的回水温 度或供回水平均温度，通过电动调节阀实现温度调节，达到流量的均 匀分配，进而消除冷热不均现象。 ( 3 ) 合理匹配工况，保证按需供热。供热系统出现热力工况失调， 除因水力工况失调外，还有一个重要的因素，即系统的总供热负荷不 一致，从而造成全网的平均室温或者偏低或者偏高。计算机监控系统 可以通过软件开发，配置供热系统热特性识别和工况优化分析程序。 该软件可以通过前几天供热系统的实测数据，预测当天的最佳工况， 进而对热源和热力网实行直接自动控制或运行指导。 ( 4 ) 及时诊断故障，确保安全运行。目前我国在供热系统上尚无 完备的故障诊断系统，系统故障常常发展到很严重程度才被发现，即 影响了正常供热，也增加了检修难度。计算机监控系统可以配置故障 珍断专家系统，通过对供热系统运行的参数的分析，即可对热源、热 力网和热用户中发生的泄漏、堵塞等故障进行及时诊断，并指出故障 位置，以便及时检修，保证系统安全运行。当然对于计算机监控系统 本身也可进行故障渗断，发现问题，及时处理。 ( 5 ) 健全运行档案，实现量化管理。由于计算机监控系统可以建立 各种信息数据库，对运行过程的各种信息数据进行分析，根据需要打印 运行日志、水压图、煤耗水耗、电耗、供热量等运行控制指标。还可存 储、调用供回水温度、室外温度、室内平均温度，压力、流量、故障记 求等历史数据，以便查询、研究。由于计量能力大大提高。因而健全了 运行档案，为量化管理实现提供了物质基础。 供热系统的计算机自动监控，由于具备上述功能，不但可以改善供热效果，而 且能大大提高系统的热能利用率。一般在手动调节的基础上，供热系统还能再节 能1 0 2 0 左右口1 。 辽宁- t 程技术人学l ! i | 一j 学位论义 2 热水供热系统的特性研究 2 1 集中供热系统简介 集中供热又称区域供热以热水和蒸汽为载能体，通过管网为一个 区域的所有热用户供热。通常是由一个和多个供热设备集中供热，例 如供热锅炉、热电联产装置、低温供热核反应堆的热源及工业余热等。 集中供热系统是由热源、热用户和热网三部分组成。热源负责制备热 水，热力网负责热媒的输送，热用户是指用热场所。集中供热系统的 热用户有供暖、通风、热水供应、空气调节及生产工艺等用热系统。 再热用户用热系统的热负荷，按其性质可分为两大类：季节性热负荷 和常年性热负荷。由于供热系统中热用户的热负荷并不是恒定的，如 供暖通风热负荷随室外气象条件变化，热水供应和生产工艺用热随使 用条件等因素变化。要保证供热质量，满足各热用户要求，并使热能 制备和输送合理，就要对供热系统进行运行调节一一也就是供热调节。 在城市集中热水供热系统中，供暖热负荷是系统最主要的热负荷 之一，因此，在供热系统中，通常按照供暖热负荷随室外温度的变化 规律，作为供热调节的依据。供热调节的目的，在于使供暖用户的散 热设备的放热量与用户热负荷的变化规律相适应，以防止供暖热用户 出现温度过高或过低。 根据供热调节地点不同，供热调节可分为集中调节、局部调节和 个体调节三种调节方式。集中调节在热源处进行。局部调节在热力站 或热用户引入口进行，个体调节直接在散热设备处进行调节。集中 调节容易实施，运行管理方便，是最主要的供热调节方法。 集中供热系统的热力站是供热网路与热用户的连接场所，在其内 安装有与用户连接的有关设备、管道、阀门、仪表和控制装置。它的 作用是根据热网工况和不同的条件，采用不同的连接方式，将热网输 送的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量以满足用户的需求， 同时还应根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。 2 2 热力站的集中调节 2 2l 循环水泵不调速 ( 1 ) 间接连接系统( 见图2 一1 ) 控制原理：通过调节一次回水管上的电动两通阀改变一次水流量， 保证一次供水a 点温度不变。控制器根据室外温度，调节二次回水管 上的电动三通阀，改变供水点b 的温度，满足用户需要。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 图2 1热力站间接连接系统 ( 2 ) 直接连系统( 见图2 2 ) 控制原理：压差控制器和超压控制阀用来保护一次水循环系统正 常运行。控制器根据室外温度，调节二次回水管上的电动两通阀，改 变供水点b 的温度，满足用户需要。 ， 广一一一一一一一一一一 雠” 铷i i 二 一一一一一一一一一一一j 图2 2 直接连接系统 2 2 2 循环水泵调速( 见图2 3 ) 控制原理：通过调节一次回水管上的电动两通阀改变一次水流量， 保证一次供水温度不变。二次循环水泵根据最不利环路的压差信号( 压 差小于给定值) 对水泵调速，实现节能运行。 辽宁t 程挫术火学硕十学位论文 r 一 i l l l p 3 ，3 3 、一1 图2 3 循环水泵调速系统 2 2 3 建筑物入口局部调节 国外供热系统一般均在用户入口处装设混合式节能调控设备，以 保证供热质量。普遍采用的方法是每个用户根据室外温度进行闭环控 制，各调节回路互相独立。其形式有以下几种： ( 1 ) 加差压控制器的直接连接系统( 见图2 4 ) 图2 4 加差压控制器的直接连接系统 控制原理：循环泵安装在供水管上，以保持室内供暖系统具有恒 定的水流量。温控器通过回水管卜的电动两通阀控制回水温度不超过 设定值，并根据室外温度控制供水温度满足设定值。 ( 2 ) 间接连接系统( 见图2 5 ) 控制原理：差压控制器保证一次水系统正常运行。循环泵安装在 供水管上，以保持室内供暖系统具有恒定的水流量。温控器根据室外 温度，调节一次回水管上的电动两通阀，保证供水温度满足设定值。 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 删丰亚 刚洲刊 蝴厂l 图2 - 5 入口问接连接系统 可见，为适应温控阀主动调节引起的水力工况的变化，国外供热 系统在用户入口和热源处都加设了自控装置。在用户入口设温控器维 持温度，设循环泵保证流量：在热源处采用集中质调节或量调节，由 于量调节的节能效果显著，在国外得到普遍应用。这种集中和局部自 控装置的设置，适应了调节工况下用户作用压差的变化，保证了室内 热舒适的要求。 - 2 3 供热系统的水力工况和热力工况 2 3 1 供热系统水力工况 供热系统中流量、压力的分和状况称为系统的水力工况。供热系 统供热质量的好坏，与系统的水力工况有着密切的联系1 7 2 】【7 1 。供热系 统普遍存在的冷热不均现象，主要原因就是系统水力工况失调所致。 下面就对水利工况中要注意的问题加以分析。 供热系统正常运行时对水压的基本要求：保证用户有足够的资用 压头，保证散热设备不被压坏，保证供热系统充满水不倒空，保证系 统不汽化，否则供热系统不能j 下常运行。为此，需要通过对系统的水 压分析，制定合理的静水压线和恒压点。静水压线表示供热系统在静 止状态下，系统内热媒的总水头值，亦即系统充水后保证系统各点都 能灌满水的最低水头值。这是系统一常运行的前提条件。在供热系统 运行或者停止状态下，压力始终恒定不便的点称为恒压点。同一个供 热系统中，在无泄漏补水并忽略热媒体积膨胀的前提下，恒压点的压 力值唯一且等于静水压线值。保证恒压点压力恒定的技术措施，称为 供热系统定压。确定定压方式，是供热系统设计的重要内容。 辽宁t 程技术大学l 飒士学位论文 2 3 2 供热系统的定压 图2 - 6 补水泵旁通定压系统示意图 1 一补水泵，2 一补水调节阀，3 一泄水调节阀，4 一旁通管，5 一 循环水泵，6 一补给水箱，7 一用户，8 一网路补水泵 在供热系统中，供暖系统在运转或停止时，其回水管的压力水头 都必须高于用户系统的充水高度，以防止系统倒吸入空气，破坏正常 运行和腐蚀管道。因此维持恒压点恒定是供热系统正常运行的基本前 提。系统的定压控制是热网控制的重要组成部分。供热系统的定压方 式有膨胀水箱定压、补水泵定压、补水泵变频调速定压、气体定压罐 定压等多种”。由于阜新热申_ 厂目i u 采用的是补水泵定压，所以这里 只介绍补水泵变频调速定压。 变频调速定压的基本原理是根据供热系统的压力变化，改变电源 频率，平滑无极地调整补水泵转速，从而及时调节补水量，实现系统 恒压点压力的恒定【8 1 。补水泵定压系统示意图如图2 - 6 所示。 该定压方式的关键设备是变频器，其工作原理是把通常5 0 h z 的 交流电先变为直流电，再经过逆变器把直流电变换为另一种频率的交 流电。由于电源频率的改变，从而达到补水泵调速的目的。频率与转 速的关系可由下式表示： 、 = 6 0 f ( 1 一s 1 p 式中n 一一异步电机即水泵转速，r m i n ； 辽丁t 程技术大学烦”i j 学位论文 ，一一电源频率； s 一一异步电机转差率，即电机定子旋转磁场与转子转速 之差值比； p 一一电机的极对数。 由上式可知，当p 、s 一定时，电机即水泵转速与输入电源的频 率成一比关系。频率愈高，转速愈快，频率愈小，转速愈慢。水泵的 流量g ( m 3 h ) 、功率p ( k w ) 和叶轮转速n ( r r n i n ) 之间有如下关系： g g , 由上式可知，水泵流量与频率成正比关系，调节频率即调节转速， 则可直接调节补水泵的补水量。由于水泵的功率与转速的三次方式成 正比，转速下降时，功率下降极大，故变速调节流量在提高机械效率 和减少能源消耗方面是最为经济合理的。与补水泵定压相比较，补不 泵变频调速定压节能效果明显。一般采用旁通管定压方式，此时压力 给定值固定不变，由压力传感器测出循环水泵旁通管上被调压力值， 将! 压力信号反馈与妪力给定值比较。若不等，由调节器算出变频器 的输入电流，变频器根据输入电流值，自动将频率调至其相应值，变 频器将频率输出信号传给补水泵，进而改变补水泵流量，调节补水量， 使恒压点压力维持恒定值。 23 3 供热系统热力工况 供热系统中温度、供热量、散热量的分布状况称为供热系统的热 力工况，供热系统的热力工况与其水力工况有着密不可分的联系，甚 至可以说水力工况研究是热力工况研究的前提。 ， 我国目前的设计规范规定：一般民用住宅的供暖实际室温 f i = 1 8 。c 。在实际运行时，考虑到资会、燃料的不足，室温能达到1 6 以上时，即认为满足设计要求l “。供热的主要目的是创造一个适合 人们正常生活、工作和生产的室内温度环境，因此，室温的高低是衡 量供热效果和进行热力工况分析计算的最重要参数。 2 3 4 水力工况对热力工况水平失调的影响 在散热器的散热量与建筑物对室外耗热量达到热平衡状态 下，可有如下计算公式： ( 2 1 ) j 上j i ：程挫术人学坝【。学位论义 式中q 一一建筑物的耗热量( w ) ； t 。一一室外温度( ) ： q ，一一建筑物在室内外温差为l 时的热耗失量( w 。c ) 。 供暖系统散热器任意工况下的散热量可用下式计算： q 。= 。( f 。一t 。) ( 2 2 ) 式中t 。一一室内温度( ) ； t 。一一供水温度( ) ； e 。一一散热器的有效系数； w 。一一散热器的流量热当量( k j ( h ) ) 。 将式( 2 一1 ) 与式( 2 - 2 ) 联立可得到计算室内温度的公式： 。( s 。岷f x q ，) + ，。 o2 万茏干r 一 上式反映了在供水温度t 。，室外温度t 。一定的情况下，建筑物室 内温度t 。与系统水流量g ( w 。) 的关系，水流量等于设计流量时，平 均室温即为设计室温。水流量愈大室温愈高，但随着流量的增加，室 温增加比较缓慢；水流量小于设计流量时，平均室温低于设计室温， 而且流量愈小，平均室温下降的幅度愈大。 在通常的供热系统中，由于种种原因，水力工况的水平失调难以 避免。我国供热系统水力工况水平失调的情况大致为：近端用户水流 量是设计流量的2 3 倍，远端热用户水流量是设计流量的o 2 0 5 。中 端热用户水流量大体接近设计流量。在这种情况下，近端热用户平均 室温在2 0 左右甚至更高。远端热用户平均室温常常在10 左右甚至 更低。从这里可以明显了解到，供热系统各热用户室温的不均匀性即 热力工况的水平失调，主要是由系统的热用户流量分配不均衡即水力 工况的水平失调引起的。 2 4 供热系统的运行调节 供热系统中水力工况对热力工况的稳定有重要影响。因此，实现 热力：l ：况稳定的i u 提必须进行流罐的均匀调节即初调节，亦即使供热 系统各用户流量理想涮配。但需要指出：系统各用户流量按热负荷大 小实现均匀调配后，其作用是使系统各用户平均室温达到一致，但还 不能保证用户室温在整个供暖期都满足设计室温的要求。从公式f 2 3 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 中可知：用户室温的高低不但与流量( w s ) 有关，而且与室外温度t 。、 建筑物热负荷q 。、系统供水温度t 。有关，还与日照、风速等因素有关。 在相i 司的流量下，室外温度、供水温度愈高、日照量愈大，用户室温 愈高：反之亦然。这就是说，用户室温的高低，决定于在设计室温的 条件下，对用户的供热量是否与用户的需热量相一致。若供热量大手 需热量，用户室温超过设计室温；供热量小于需热量，用户室温达不 到设计室温。因此，为使用户室温达到设计室温的要求，还必须在整 个供暖期，随室外气温的变化，随时进行供水温度、流量的调节，以 期实现按需供热，这后一种调节称为供热系统的运行调节【3 1 。 2 4 1 供暖系统的集中供热调节方式 ( 1 ) 质调节 在运行期阳j ，供热循环流量始终保持设计值不变，即g = g7 ，或 r g = 丢= l ，只调节系统供、回水温度t 。、t h ，称为质调节。 u 质调节有如下规律： 随着室外温度t 。的升高，热网和热用户的供、回水温度随之降低，其温差 也相应减少。而且对应的供、因水温差之比等于在该室外温度下的相对应的供热 量之比。 集中质调节只需在热源处调节供热系统供水温度。由于供热系统在运 行期间循环水量不变，因而网路水和工况稳定ho l 。 ( 2 ) 量调节 供热系统在运行时，供水温度始终保持设计值，而只改变循环流 量，这种调节方式称为量调节。 量调节有如下特点： 采用集中量调节，当室外温度升高时，供热系统循环量将迅速减 少，回水温度也将迅速下降。当室外温度较高时，会出现回水温度为 负值的情况，这肯定是不可能的，故为使供热系统正常运行，在室外 温度偏高时，可适当降低供水温度，亦即增大循环流量，进而避免回 水温度过低的现象。进行集中量调节时，要求供热系统循环量实现无 极调节。通常采用变速水泵。集中量调节的最大优点是节省电能。存 在的主要问题是循环流量过小时，系统将发生严重的热力工况垂直失 调。 7 ( 3 ) 分阶段改变流量的质调节 辽宁t 程技术人学硕：卜学位论文 这种调节的基本方法是：在供热系统的整个运行期间，随室外温 度的提高，可分几个阶段减少循环流量。在同一调节阶段内，循环流 量保持不变，实行质调节。这种调节方法以是质调节和量调节的结合， 分别吸收了两种调节方法的优点，又克服了两者的不足。 在供热规模较大的供热系统中，一般可分三个阶段改变循环流量： g = 1 0 0 ，g = 8 0 和g = 6 0 ，h ，= 1 0 0 ，6 4 ，3 6 。在供热规模 较小的供热系统中，一般分两个阶段改变循环流量：g = 1 0 0 ， g = 7 5 ，相应的水泵扬程h 。为10 0 ，5 6 。 以上介绍的调节方式适用于直接连接的供热系统，对于通过热交 换进行换热的间接连接的子系统。上述的调节方法只适合于二次系统。 2 5 阜新热电厂采暖方式的介绍 阜新热电厂是以热水作为热媒的供热系统，采用双管热水闭式系 统，下属六个热力站，即北方花园、恒业小区、东苑小区、辽工大、 怡静园和世纪花园。整个供热系统为恻接供热系统，由厂部4 台热交 换器送出的高温高压热水送至各个热力站。再由各个热力站的板式换 热器换热送至用户。 本论文主要是针对热力站的二次供热管网的控制。综合考虑上述 介绍的调节方式，对于一次管网采用集中量调节方式。对于二次管网 采用分阶段改变流量的质调节，分三个阶段改变流量的调节方式。采 用分阶段改变流量的质调节即吸收了质调节和量调节的优点，又克服 了两者的不足。即节约能源又不会引起严重的热力工况失调。流量： g = 1 0 0 ，g = 8 0 ，g = 6 0 。气温在一2 0 以下，则开启三台循环泵， 水泵流量为设计流量的1 0 0 ；在2 0 一一一10 时，则开启两台循环 泵；水泵流量为设计流量的8 0 ；气温在一l0 以上时，丌启一台循环 泵，不泵流量为设计流量的6 0 7 a 。在每一阶段，二次管网上的流量不 变，通过调节一次给水通过换热器的流量，来控制二次水出水温度。 辽宁t 程技术大学倾卜学位论文 3 热力站控制方案设计 3 1 热力站自动控制系统简介 在上一章中已经介绍阜新热电厂供热系统的基本情况和选用的供 热调节方式。这里详细介绍供热系统的工作原理和控制方案要实现的 功能。阜新热电厂供热系统的工作原理如下图所示： 图3 一l供热系统工作原理图 阜新热电厂五台热水锅炉烧制的高温高压热水由次管网送至各 热力站处，各分站将一次管网的高温高压热水经平板换热器，将热能 传递给二次循环水，再由二次给水将热能输关至用户处。冷却后的回 水返回二次热网回水管中。二次管网中的循环水由热力站的循环水泵 驱动循环流动。 供热系统由热源、热力站、热用户三部分组成，供热控制系统主 要控制热源和热力站处。本文主要介绍热力站处的供热控制系统。 在间接集中供热系统中，热网将热能输送到热力站，用户通过热 力站从热网获取热能。因而热力站的运行工况直接影响着整个供热系 统的运行工况和供热效果。热力站的主要任务是确定和保持热媒介参 数( 压力、温度和流量) ，使其达到热力站供热装置安全和经济运行所 需值。为了保证热网稳定运行，通过及时的参数检测，发现故障进行 声光报警、显示，维持系统正常工作。此外，为防止因停电或微机故 障而发生事故，热力站控制系统还设有常规就地仪表和手动操作阀。 至于热力站的供热控制方式，在上一章中已经讨论了根据实际情况在 二次管网中采用分阶段改变流量的质调节。在同一阶段内，二次水网 的循环流量保持不变。根据二次网的供水温度调节一次网流量，进而 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 控制二次网供热量，满足用户热需求【9 1 ”。 热力站自动控制系统具体实现下列功能： ( 1 ) 实现二次热网的控制，保证热网的水力平衡、热力平衡，使 整个热网安全、节能、高效、平稳地运行，使热能均匀分布，保证供 暖效果。 ( 2 ) 数据采集：按照操作员指定或系统默认巡检方式，对各监测 点进行数据采集。 ( 3 ) 显示：监测显示一次供水温度，一次回水温度，二次供水温 度，二次回水温度，室外温度，一次供水压力，一次回水压力，变频 泵状态。 ( 4 ) 报警及故障处理：系统发生故障时，报警信号显示、标示， ( 5 ) 可进行手动自动的无扰切换。 3 2 热力站控制方案和工作原理 3 2 1 热力站工作原理 ( 1 ) 二次供水温度自动系统 热力站的基本控制策略就是要保证二次水出口有一个恒定的预设 定温度，控制元件是换热器一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器一 的一次供水流量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值， 阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。预设定温度根据 室外温度计算得出，每个热力站均安装了室外温度传感器，通过公式 计算出当前的预设定温度，这个设定点是随着室外温度的变化而改变 的【协1 。图3 2 为热力站温度控制系统框图； 图3 2 热力站供热系统框图 ( 2 ) 变频定压控制系统 为了保持热网运行的稳定性，热网补水系统还应保持一定的水压， 即保持系统恒压点的压力恒定，在各热力站中我们采取补水泵变频调 辽宁工程技术大学硕士学位论文 速定压。补水泵变频控制系统框图如图3 3 所示 图3 3 图3 3 补水泵变频控制系统框图 变频定压工作原理如图3 4 所示，在系统的供、回水干管之间连 接根旁通管，利用补水泵使旁通管j 点( 恒压点) 压力保持符合静 水压线要求的压力。在循环水泵运行时，当定压点j 点的压力低于控 制值时，变频顺输出频率增大，水泵转速加快，补水量增大，j 点压 力升高；当j 点压力高于控制值时，变频器输出频率减小，水泵转速 变慢，补水量减少，j 点压力下降。当压力偏高时，泄水压力调节阀 打丌，泄放系统中部分水。 图3 - 4 变频补水定压工作原理图 3 2 2 热力站控制方案 由于热用户均没有室温调节装置，为了做到即经济运行又保证供 热质量，采用了如图3 5 所示的二次供水温度自控系统对供热工况进 辽宁t 程技术大学颇i 咩位论义 行分阶段质调节。通过对各二次供热系统的温度检测、分析，结合外 界干扰因素( 天气温度) ，算出最佳的供水温度，通过对一次管网的流 量控制，使供热系统在满足用户需求量的前提下，保持最佳工况p j 。 ( 1 ) 采用电动调节阀控制进入平板热交换器的一次水量，从而控 制二次供水温度。使得二次供水温度维持在给定值上。 ( 2 ) 采用自动随动控制系统而不是定值控制系统( 需要人工按供 暖工艺修改温度控制给定值) ，控制器根据测量出的室外温度值，自动 计算出给定的温度值。 ( 3 ) 分阶段改变流量的质调节。故在不同室外温度阶段，开启不 同的循环泵台数。气温在2 0 以下，开启三台循环泵。气温在2 0 10 时，则丌启两台循环泵。气温在一l0 以上时，丌启一台循 环泵。 r 二二： i i 厂一 二建茸未 压卉量度 图3 5 热力站自动控制工作原理图 ( 4 ) 通过控制变频器来控制补水泵的转速，从而改变系统的补水 量，维持供水系统的恒压点( 旁通水管处压力) 压力恒定。 ( 5 ) 根据控制特性和对工艺的要求，对供水温度的控制算法采用 f u z z y p i d 算法。对于补水泵变频恒压的控制算法采用p i d 算法。 3 2 3 供热补偿措施 由于热力系统本身是一个大的热惯性系统，且影响因素干变万化， 因此精确地控制它非常困难。这是因为一方面气象条件的变化很复杂 辽宁t 程技术大学颈：卜学位论文 且不可准确预测，另方面供热系统本身存在严重的滞后问题，即室 外气象条件的变化是绝对的，而且对室内环境产生影响存在一定的滞 后，供热调节又是有条件的，且- l 0 时，增加输出电流的 大小，提高变频器的输出效率，从而使变频泵转速加快，实际水压得以提 高：如果p o ，则降低转速，使实际压力减小。如果实际压力太小，某 台调速泵调整到最大供水量仍不足以使p = 0 ，则该台变频泵切换至工频， 而增加下一台泵为变频工作；如果实际压力太大，本台调速泵调整到最小 供水量仍不足以使p = 0 。则陔台变频泵切换至工频的水泵，再进行调整。 这样，每台泵在工频和变频之间切换，做到先开先停，后开后停，即所谓 的循环调频，各泵均衡运行，合理利用资源，延长泵的使用寿命，减少维 护量和维护费用j 。水泵切换程序如图6 - 9 所示。 在不同室外温度阶段，丌启不同的循环泵台数：气温在一2 0 1 0 以下， ) t 启三台循环泵；气温在一2 0 一一一10 时，则开启两台循环泵台数：气 温在，l0 以上时，开启一台循环泵。循环泵切换程序如图6 一l o 所示。 6 3 7f u z z y p i d 算法流程图 温控系统的f u z z y - p l d 算法采用子程序的形式编写 2 6 】【58 1 ，在一个周 期内的流程图如图6 一1 1 所示。 辽宁下程技术人学坝一l 学位论文 图6 - 8 控制程序流程图 幻：宁t 程技术人学顾：l 学位论文 图6 - 9 补水泵切换程序流程图 图6 1 0 循环泵切换程序流程图 图6 - 11 f u z z y p i d 算法流程图 辽中丁程技术人学硕士学位论文 7 结论 在熟力站内对用户供热系统温度进行自动监测和控制，能很好地 保证用户室温在设定范围内波动，不仅节省大量的人力和物力，还提 高了自动化程度及控制的精度。随着科学技术的发展和环保要求的提 高，集中供热行业为进一步改善供热效果，提高供热能效，实现计算 机自动监控是发展的必然趋势。进行热力站集中供热监控系统的研究， 不仅有良好的社会效益，也有着广泛的市场前景。由于热力站控制的 好坏，直接影响供热品质，本课题选择热力站监控系统进行研究。 作者首先研究了热网系统的工作原理和集中供热调节方式，并且 重点对供热系统的水力工况和热力工况对供热系统的影响进行了研 究。根据阜新热电厂供热的实际情况，选择了分阶段改变流量的质调节 的供热调节方式。 在对热力站工作原理深入研究的基础上，提出了热力站的控制方 案。根据热力站控制对象为供热管网，管网面积大，分布不均匀，随 机性较强，很难建立其数学模型的特点，设计了一种模糊参数自适应 p i d 控制器。 在论文的后两章中详细地论述热力站微机监控系统的硬件和软件 的设计。在设计中，充分考虑到硬件满足现场控制的要求。在软件设 计上，用结构化和模块化的设计方法，使得程序简单易懂，便于整个 系统软件的升级和维护。 本监控系统只能对系统的温度、压力作超限报警处理，不能对系 统的故障进行有效的判别。在以后的系统改进中，可以设立故障诊断 系统，对供热管网进行故障诊断。 辽宁1 - 程技术大学硕士学位论文 8 攻读硕士学位期间发表的论文 5 0 1 用p c 机实现的一种玻璃自动计数系统，辽宁工程技术大学学报v o i2 1 ，n ol 2 0 0 6 辽丫t 程技术大学硕士学位论文 致谢 随着毕业答辩的来临，我的研究生生活也接近尾声。在这段学习生活 中我所获得的一切是和领导、老师的教导及同学的帮助分不开的。 首先感谢我韵导师李文江教授在学术上对我的悉心指导。从论文的选 题、研究、撰写到定稿，都渗透着他的心血。李老师宽厚待人，对学生关 怀备至，对工作精益求精，具有丰富的科研经验。在研究生学习期f b j ，无 沦是在生活上还是学习上，李老师都给预了我无微不至的关怀，使我受益 非浅；同时感谢研究生学院和电气工程系的领导老师们对我学习和工作中 提供的帮助；感谢一起学习的同学的帮助；感谢家人和朋友给我的理解和 支持。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 参考文献 1 徐伟，邹瑜：供暖系统温控与热计量技术，中国计划出版社，2 0 0 0 2 】石兆玉：供热系统运行调节与控制，清华大学出版社，1 9 9 4 【3 】s i e m e n s ：h e a t i n gc o n t r o l & h e a tm e t e r i n g ，2 0 0 0 【4 】唐卫：热力站自动监控系统基本思路与控制模式分析，区域供热n o 5 ，9 1 3 ，2 0 0 1 【5 李智：马庭愉：微机控制对供热系统节能的影响，煤气与热力v 0 1 1 9 ，n o 6 3 6 4 ，1 9 9 9 【6 赵俊国，李向兵，刘建，李有芳：热力分布计算机监控系统，计算测量与控制v 0 1 1 0 ， v 0 3 ，1 6 9 一1 7 l ，2 0 0 2 7 贺平，孙刚：供热工程，第三版，中国建筑工业出版社，1 9 9 6 s o l u t i o n si nf r e ef l o w , p f l u g e r sa m h - e u rjp h y s i o l4 3 7 ，2 8 5 2 8 8 ，1 9 9 9 8 陈立军，田海军：p l c 控制变频恒压供水系统在热网补水中的应用，自动化与仪表 v o i 5 9 ，n 0 2 ，5 9 - 6 0 ，2 0 0 2 9 】石宏伟：集中供热系统的自控，煤气与热力v 0 1 2 1 ，n 0 2 ，1 2 7 1 2 9 ，2 0 0 1 【1 0 】寇群，曹文权：区域锅炉房供热微机自动监控系统，区域供热n o 4 ，1 4 ，2 0 0 2 1 1 】胡维俭：热力交换站温度的控制，煤气与热力v 0 1 1 6 ，n o 2 ，4 7 - 5 1 ，1 9 9 9 1 2 1 潘永雄，沙合，刘向：阳电子线路c a d