供热的系统量化管理技术(刘文旭).6.28.doc

供热系统量化管理调控技术刘文旭1， 李德英2（1中国电子工程设计院，北京 100840，中国； 2北京建筑大学，环境与能源工程学院，北京 100044，中国）摘要：以热量调节法为基础，对热力工况采用根据室外气候变化计算热负荷的方法，来制定热源运行参数表，从而达到按需供热、经济运行的目的；对水力工况的调节，针对不同的供热系统采用传统变流量或分布式变频系统进行调节，从而解决系统水力失调的问题，均具有良好的节能效果。关键词：热量调节，热力工况，水力工况，分布式变频，节能中图分类号：TU995 文献标志码：AHeating system of quantitative management techniquesLiu Wenxu1，Li Deying2(1. China Electronics Engineering Design Institute, Beijing 100840, China； 2. Beijing University of Civil Engineering and Architecture, School of Environment and Energy Engineering Beijing 100044, China)Abstract: Based on the heat adjustment method, the thermal conditions using outdoor climate change according to the method of heat load calculation, operation parameters to make heat source table, so as to achieve the aim of on-demand heating, economic operation; To adjust the hydraulic conditions, for different heating systems in traditional traffic or adjusted distributed variable frequency system, so as to solve the problem of hydraulic misadjustment of the system, and has good energy saving effect.Key words: heat regulation，the thermal conditions，hydraulic regime，distributed variable frequency，energy saving作者简介：刘文旭(1985- )，男，北京人，工程师。研究方向：集中供热系统节能技术应用。E-mail: 一、概述由于原有供热系统计量监控技术的落后，传统锅炉一直是仅凭司炉工或者管理人员经验进行调节的，就是所谓的“看天烧火”。这种锅炉控制方式，虽然本质上是对从热量角度出发对锅炉进行控制，但完全依赖于司炉工或者管理人员对供热系统的理解程度，受到个人知识和经验的局限，不能满足当前量化节能管理的要求。本文研究的热量调节法是在热量监控的基础上建立起来的，需要供暖系统具备较高的自控程度，其基本的硬件要求是在锅炉的炉排、鼓引风机和输配系统循环水泵上加装变频调速装置，供热系统的调节从热力工况和水力工况调节两个角度出发。二、基于热量调节法的热力工况控制方式热量调节法1的核心思想是对热量进行量化管理。要做到这点，首先要通过理论计算对供暖现状（现有的设备、管道和建筑物的特点、用途以及所在的地区等）做出合理的估计，也就是计算出供暖建筑的热指标以及概算热负荷。国内一般采用面积热指标方法2进行概算，即： （1）式中 供热建筑概算热负荷，W； 供暖建筑面积热指标，W/m2； 供暖建筑物的建筑面积，m2。则建筑供暖总热负荷为： （2）式中 供暖建筑平均面积热指标，W/m2。供暖季期间，供热系统热负荷随室外气象条件的改变不断变化。当室外温度升高，围护结构的散热量降低，此时锅炉的供热量也应随之减小。通常可以忽略室外风速、风向和太阳辐射对热负荷的影响，认为热负荷与室内外温差变化成正比，则： （3）式中 运行热负荷，kW。供暖室外平均温度，；供暖室内计算温度，；供暖室外计算温度，因此，供热系统的运行负荷应为： （4）能源消耗是供热系统用能的最直接反应，也是进行量化管理效果的一个衡量指标。供暖系统能耗主要包括燃料（煤、燃气、燃油和电）、用气量（热电厂供热），以及动力用电的消耗量。以目前常用的燃煤锅炉为例，对供热系统耗煤量进行计算如下：根据锅炉热效率计算公式，即： （5）式中 某一时间内累计供热量，kJ；煤的低位发热量值，kJ/kg；煤的消耗量，kg。从而，有： （6）式中 每天煤耗量，kg；每天供热量，kJ。需要指出的是，锅炉热效率是指锅炉运行的平均效率（包括锅炉起火、压火过程），一般是通过现场正、反平衡测试的方法来确定的。在没有进行现场测试的情况下估算锅炉可能达到的平均效率，一般需要在参考锅炉设计热效率的同时，仍需考虑锅炉实际运行状态和运行负荷率、往期供热效果、锅炉结构特点、容量、使用年限、应用煤种等因素。在计算过程中，考虑供热系统的一般性，耗煤量应折算成标准煤（），计算公式如下： （7）式中 标准煤低位发热值，取29309kJ/kg。通过对供热系统用能的合理估算和预测，才能有效的实施热量控制，并达到量化节能管理的效果。当然在实施热量控制前，首先必须全面掌握整个供热系统的运行情况，及时发现问题，然后对出现的问题进行准确的分析，以便对供热系统做出相应的调整。因此，需要在热源、热力站、建筑物入口处等相关位置安装热计量、流量计和压力探测表等装置。其次，需要掌握室外气象情况（包括往年气象数据、实时气象数据以及未来24小时的白天、夜间的最高、最低和平均气温，风力、降雪等气候条件）和室内温度波动情况。通过对以上数据的分析和归纳，得出供热厂当日的锅炉控制参数值3 4。以北京某工程为例，对供热系统制定供热量方案如下。该工程的供热面积为110万平方米，原供热指标为55W/m2。综合考虑往年供热系统运行情况，发现供热指标设定选取偏大，造成过量供热和大部分用户室内温度偏高。现经过多次调整，在保证供热质量达标的前提下，确定供热指标降低到50W/m2，并根据室外日平均温度制定供热系统的供热量运行表如下：表1不同室外温度下锅炉的供热运行表室外温度()建筑物热负荷(kW)累计供热量(GJ/d)折合标煤量(t/d)实际耗煤量(t/d)-955000.04752.00216.18275.14-852963.04576.00208.17264.95-750925.94400.00200.17254.76-648888.94224.00192.16244.57-546851.94048.00184.15234.38-444814.83872.00176.15224.19-342777.83696.00168.14214.00-240740.73520.00160.13203.81-138703.73344.00152.13193.62036666.73168.00144.12183.42134629.62992.00136.11173.23232592.62816.00128.11163.04330555.62640.00120.10152.85428518.52464.00112.09142.66526481.52288.00104.09132.47注：燃煤的低位发热值按Qdw=5500kcal/kg计算；锅炉运行平均热效率按75%计算。通过锅炉供热运行表的制定，不但可以指导运行人员依据室外温度的变化，按照热表累计供热量数据进行调节，随时调整运行工况，而且便于管理人员及时掌握供暖系统的运行，从而达到了按需供热、经济运行的目的。三、基于热量调节法的水力工况控制方式实施热量调节法基本的硬件条件之一就是在系统循环水泵上加装变频调速装。变频调速水泵的出现大大降低了系统的输配能耗，同时，变频水泵的运行节能已经被各界认可。目前水泵的变频操作多采用压差控制和温差控制的方式。压差控制作为一种负反馈控制，在系统循环水量没有波动时不进行变频操作，其主要目的是减小水力工况失调从而取得节能效果。因此，在整个供暖季，水泵频率变化范围不大，大部分实际工程仍处于定流量的运行状态，节能效果并不显著。然而，温差控制方式通过水泵频率的主动调节可以根据室外温度的变化自动改变系统供回水温差或固定温差而改变供回水温度，其过程中既包含正反馈又包含负反馈，较好的实现了供热系统的运行节能。本文提出的热量控制法就是在借鉴了温差控制的基础上，以热量变化作为变频系统调控手段的一种方式。这种方式尽管没有考虑用户的局部调节，但在外界气候变化时将用户的热负荷变化作为水泵变频修正的一个主要因素，仍能够很好的实现供热系统的节能运行，并达到用户舒适性要求。（一）、传统变流量系统水力工况控制采用热量控制调节方式，在整个供暖期供回水温度和流量均发生变化，其中供回水温度则是随供暖系统热平衡关系自然形成，但供回水温度仍是热量监控的一个重要参数。循环水泵的频率根据瞬时热负荷和累计热负荷的变换进行调控。具体控制方案如图1所示，控制系统通过检测系统流量和供回水温度计算实际网路中的瞬时供热量和累计供热量，同时通过检测室内温度和室外温度计算系统需要的瞬时供热量和累计供热量，并对实际值和计算值进行比较，从而预测下一时段水泵应达到的频率。例如，当实际热网的累计供热量低于计算供热量，同时实际瞬时供热量低于计算瞬时供热量时，通过修正预测应输送的瞬时热量，提高水泵频率，增加系统循环水量；当实际热网的累计供热量低于计算供热量，而实际瞬时供热量高于计算瞬时供热量时，则不改变水泵频率，并在下一时段重新计算并调整。图1 传统变流量系统热量控制方式流程图间供系统与直供系统调节方法类似，但由于间供系统的一、二次网在水力工况上是相互独立的，因此需要针对一次、二次网分别设置变频控制系统，以便进行调节控制。（二）、分布式变频系统的水力工况控制由于分布式变频系统5不是在压头处进行阻力节流，而是在系统压力不足处设置水泵进行加压，因此，主循环泵与各用户加压泵均承担系统的循环动力，必须分开进行讨论。1、主循环泵主循环泵扬程仅用于克服热源的阻力和零压差点之前的干管阻力。研究主循环泵的控制策略，就是确定其采用的控制方式，即采用定零压差点控制或采用变零压差点控制。定零压差点控制，是指在系统流量发生变化的过程中，通过控制主循环泵的转速从而固定零压差点位置的运行方式。变零压差点控制，是指在系统流量发生变化过程中，尽量利用主循环泵的输送动力，而降低分布泵输送动力比重的运行方式。将传统热网改造成分布式变频系统，为保证讨论的一般性，将零压差点设置于用户5位置（系统未完全消除调节阀能耗），图2为分布式变频系统的热网示意图，图3为分布式变频系统的水压图。图2 零压差点位于用户5处分布式变频系统热网示意图图3 零压差点位于用户5处分布式变频系统水压图（1）、定零压差点控制定零压差点控制，主要是通过监控热网设定零压差位置处的供回水压差信号，以此为依据调节主循环泵的转速，使该点供回水压差始终为零的控制方式。在本模型中，系统零压差点始终维持在用户5处。当用户5处供回水压差为正值时，零压差点将后移，则调整主循环泵的转速，使其转速降低，来维持零压差点位置不变。图4为系统流量减小到设计流量的80%时的水压图。图4 定零压差点变流量时的水压图就整个供暖季而言，供暖初期，用户热负荷较小，因此对应的用户流量和系统流量均较小，此时主循环泵和分布泵均低转速运行。随着室外温度的降低，用户热负荷增大，分布泵提高转速，导致用户流量增大，系统流量增大，主循环泵通过提高转速来保持零压差点位置固定不变。当室外温度达到系统设计温度时，主循环泵及分布泵保持设计工况下运行；反之亦然。尽管在整个供暖期，分布式变频系统的水力工况随室外气温改变，但由于分布泵运行方式的设定都是相似，因此，各用户流量与资用压头也应等比变化，则各变化的水力工况为相似工况。通过以上分析，可以知道，定零压差点控制方式有以下三个特点：l 在整个供暖期，用户的加压泵一直在运行，且随着室外气温的变化，通过不断地改变频率来满足用户所需求的流量。l 在整个供暖期，依靠阀门调节的用户，其阀门的开度并不随室外气温的变化而变化，操作简单，所以适用于多用户的加压泵系统。l 在整个供暖期，各个水泵的功率均与流量的三次方成正比，所以其节能效果较定流量系统显著。（2）、变零压差点控制变零压差点，即零压差位置点在整个供暖季，随着系统流量的变化而变化。该控制方式可以充分利用热源循环泵的输送能力，尽量减少用户加压泵的开启台数。在本模型中，变零压差点控制即为在室外供暖计算温度下，热源主循环泵和用户加压泵按设计工况运行，而当室外温度升高时，系统流量减小，主循环泵保持额定转速不变，此时，零压差点将从用户5处后移，那么用户所要开启的加压泵的台数将减少，同时各用户泵的扬程也将降低。直到系统流量减小到仅靠热源循环泵就可以满足所有用户的水力工况时，这一点就是临界工况。在这一点下的流量即为临界流量，如图6所示。通过水力计算，该模型临界流量为设计流量的73.4%。图5为系统流量减小到设计流量的90%时的水压图。图5 变零压差点变流量时的水压图图6 变零压差点临界流量时的水压图通过以上分析，可以得知变零压差点控制的特点是：l 该控制方式，可以充分发挥热源循环泵的输送能力；l 有些用户在变零压点控制时，经历了两种调节方式，即阀门调节和加压泵的调节。在实际运行过程中，操作较为复杂，所以适用于用户加压泵较少的系统；l 在整个供暖期，各个水泵的流量与功率都在变化，所以其节能效果较定零压差点控制差。通过以上分析，可以知道：定零压差点控制比变零压差点控制管理方便，节能率高，且适用于多用户的加压泵系统。所以定零压差点控制更适宜进行热量控制法的研究。也就是说主循环泵的频率由零压差点位置处的压差进行控制。图7为主循环泵的压差控制流