暖通空调系统的计算机控制管理----供暖系统的计算机监控管理

1、暖通空调系统的计算机控制管理-一供暖系统的计算机监控管理提要 顺序介绍了供暖用水锅炉房、蒸汽水和水水换热站及小区热网的监测控制及大 中规模的热电联产集中供热系统的监测控制与管理。每部分内容中先讨论其测控及管理要求, 然后讨论与此要求相应的测控点及相应的硬件配置，最后再探讨实现这些功能的一些软件算 法。关键词锅炉房/计算机控制/供暖abstract discusses the requirements for monitoring and management of the scopes from boiler houses for heating, steam-water and water-

2、water heat exchangers, small scale heating networks to large scale district heating, the related hardware configuration and the approaches to realise the required functionskeywordscomputer control, heating, boiler5.1供暖热水锅炉房内监测与控制的主要目的应为：提高系统的安全性，保证系统能够正常运行；全面监测并记录各运行参数，降低运行人员工作量，提高管理水平；对燃烧过程和热水循坏过程进

3、行有效的控制调节，提高锅炉效率，节省运行能耗，并减 少人气污染。对于热水锅炉，可将被监测控制对象分为燃烧系统和水系统两部分分别进行讨论。整个计 算机监测控制管理系统可按图5-1形式由若干台现场控制机（dcu）和一台中央管理机构成。 各dcu分别对燃烧系统、水系统进行监测控制，中央管理机则显示并记录这两个系统的在线 状态参数，根据供热状态况确定锅炉、循环泵的开启台数，设定供水温度及循环流量，协调各 台dcu完成各监测控制管理功能。5. 1. 1燃烧系统监测与控制图51锅炉房计算机的监控系统对于链条式热水锅炉，燃烧过程的控制主要是根据对产热量的要求控制链条速度及进煤挡 板髙度，根据炉膛内燃烧状况及

4、排烟的含氧量及炉膛内的负压度控制鼓风机、引风机的风量， 从而既根据供暖的要求产生热量，乂获得较高的燃烧效率。为此需要监测的参数有：排烟温度：一般使用铜电阻或热电偶來测量；再配之以相应的温度变送器，即可产生4 20ma或010 ma的电流信号，通过dcu的模拟量输入通道ai即接入计算机。排烟含氧量：口前较多采用氧化钻传感器，可以对0.1%r%范围内的高温气体的含氧 量实现较精确的测量，其输出通过变送器后亦可转换为420ma或010 ma电流信号。空气预热器出口热风温度：同上述测温方法。炉膛、对流受热面进出口、省煤器出口、空气预热器出口、除尘器岀口烟气压力：测点 可根据具体要求增减，一般采用膜盒式

5、或波纹管式微压羌传感器，再通过相应的变送器变为420ma或010 ma电流信号，接入dcu的al通道。一次风、二次风风压，空气预热器前后压差：测量方法同上。挡煤板鬲度测量：通过专门的机械装置将其转换为电阻信号，再变成标准电流信号，送 入dcu的ai通道。供水温度及产热量：由水系统的dcu测出后通过通讯系统送来。燃烧系统需耍控制调节的装置为：炉排速度：由可控硅调压，改变直流电机转速挡煤板鬲度：控制电机正反转，通过机械装置带动挡板运动鼓风机风量：调鼓风机各风窣风阀或通过变频器调风机转速引风机风量：调引风机风阀或通过变频器高风机转速为了监测上述调节装置是否止常动作，还应配置适当的手段测试上述调节装置

6、的实际状 态。炉排速度和挡煤板高度可通过适当的机械机构结合霍尔元件等位置探测传感器來实现，风 机风量的调节则可以通过风阀的阀位反馈信号或变频器的频率输岀信号得到。燃烧过程的控制调节主要包括事故下的保护，启停过程控制，正常的燃烧过程调节三部分。事故保护：这主要是山于某种原因造成循环水停止或循环量过小，以及锅炉内水温太高, 出现汽化。此时最重要的是恢复水的循环，同时制止炉膛内的燃烧。这就需要停止给煤，停止 炉排运行。停止鼓风机，引风机。dcu接收水温超高的信号厉，就应立即进入事故处理程序, 按照上述顺序停止锅炉运行，并响铃报警，通知运行管理人员，必要时还可通过手动补入冷水 排除热水，进行锅炉降温。

7、启停控制：启动点火一般都是人工手动进行，但对于间欧运行的锅炉，封火暂停机和再次 启动的过客则可以由dcu控制自动进行。封火过程为逐渐停止炉排运动，停掉鼓风机，然后 停止引风机。重新启动的过程则是开启引风机，慢慢开人鼓风机，随炉温升高慢慢加人炉排进 行速度。正常运行调节：正常运行时的调节主要是使锅炉出口水温度维持在要求的设定值，同时达 到高燃烧效率，低排烟温度，并使炉膛内保持负压。这时作为参照的测量参数冇炉脾内的温度 分布、压力分布、排烟含水屋氧量等。锅炉的给煤量可以通过炉排速度和挡煤板高度（即煤层 厚度）确定，鼓风机则町以根据空气预热器进出口空气的压差判断其相对的变化，此时对以调 整控制量冇炉

8、排速度、煤层厚度（调整挡煤矿板高度）、鼓风机转速、各风室风阀、引风机转 速或风阀。上述各调节手段与各町参照的测量参数都不是单一的对应关系，因此很难用如pid 算法z类的简单控制调节算法。目前，控制调节效果较好的大都采用”模糊控制”方法或”规则控 制”法，都是根据大量的人工调节运行经验而总结出的调节运行方法。当燃烧充分时，锅炉的出力主要取决于燃煤量，i大i此锅炉出口水温的控制主耍靠炉排速度 及煤层厚度来调节，煤层厚度与煤种有很人关系，炉膛内燃烧状况可以通过炉膛内温度分如及 煤层风阻来确定。燃烧充分时炉膛内中部温度最高，炉排尾部距挡渣器前煤已燃尽，温度降低。 鼓风机则应根据进煤量的增减而增减送风量

9、，同时通过观测排烟的含氧量最终确立风量是否适 宜。引风机则可根据炉膛内负压状态决定运行状态，维持炉内微负压，从而既保证煤的充分燃 烧，乂不会使烟气和火焰外溢。根据如上分析，可采用如卜调节规则：每h次，根据炉膛内温度分布调整煤层厚度及炉排速度，最高温度点片移，则将炉排速 度降低5%,同时将描煤板提高5%,当最高温度点前移时，则将炉排速度提高5%,同时将扌半 煤板降低5%。每2h 次：若出水温度高于设定值2°c以上，则将炉排速度降低5%,若出水温度低于设 定值2°c以上，则将炉排速度加人5%,加人和减小炉排速度的同时，还要相应地将鼓风机转速 开大或减小。当采用风阀调整鼓风量时，

10、则调整风阀，观察空气预热器前后压差使此压差增大 或减少10%o每15min-次:若排烟含氧量高于高定值，则适当减少鼓风同风量(降低转速或关小风阀), 若低于高定值，则增加鼓风机风量。每15min 一次：若炉膛负压值偏小(或变为正压)，加大引风机转速或开大风阀，若负压 值偏大，则降低引风机风量。以上调节规则中，所谓“合理的炉腌温度分布”取决于锅炉形式及测温传感器女装位置，需 通过具体运行实测分析后，给出“合理“，”最高温度前移”，“最高温度后移”的判据，然后将其 再写入dcu控制逻辑屮。同样，排烟含氧量的设定值，含氧量出现偏差时对鼓风机风量的修 正等参数也盂要在锅炉试运行后，根据实际情况摸索，逐

11、步确定。当然这几个修正量参数也可 以在运行过程中通过所谓”自学习”的方法得到，在这里不做过多的讨论。5. 1. 2锅炉房水系统的监测控制锅炉厉水系统的计算机监测控制系统的主要任务是保证系统的安全性；对运行参数进行计 量和统计；根据要求调整运行工况。安全性保证：保证主循环泵的正常运行和补水泵的及时补水，使锅炉中循环水不会中断, 也不会山于欠压缺水而放空。这是锅炉厉安全运行的最主要的保证。计量和统计：测定供冋水温度和循环水量，以得到实际的供热量；测定补水流量，以得 到累计补水量。供热量及补水量是考查锅炉房运行效果的主要参数。运行工况调整：根据要求改变循环水泵运行台数或改变循环水泵转速，调整循环流量

12、， 以适应供暖负荷的变化，节省运行电费。图52为由2台热水锅炉、4台循环水泵构成的锅炉房水系统示意图。图小还给出建议的测 量元件和控制元件。2台锅炉的热水出口均安装测温点，从而可了解锅炉出力状况。为了了解每台锅炉的流量, 最好在每台锅炉入口或出口安装流量计，一般可采用涡街式流量计。涡街式流量计投资较高， 可以按照图那样在锅炉入口调节阀后而安装压力传感器，根据测出的压力p3, p4与锅炉出 口压力plz压差，也可以间接得到2台锅炉间的流量比例。2台锅炉入口分別女装电动调节阀 來调整流量，nj以使在2台锅炉都运行时，流量分配基本一致，而当低负荷工况下1台锅炉停 止或封火，循坏水泵运行台数也减少时，

13、口动调节流量分配，使运行的锅炉通过总流量的90% 以上，封火的锅炉仅通过总流量的5%10%,仅维持其不至于过热。图锅炉房水系统原理及其测控点温度传感器t3, t4, t5和流量传感器f1起构成对热量的计量。用户侧供暖热量为， gf1cp(t3-t4),其中gf1为用流量f1测出的流量。锅炉提供的热量则为gf1cp(t3-t5),二者 z差是用于加热补水所需要的热星。长期记录此热量并经常对其作统计分析，与煤耗量比较， 既町检查锅炉效率的变化，及吋发现锅炉可能出现的问题，与外温变化悄况相比校，则又可以 了解管网系统的变化及供热系统的变化，从而为科学地管理供暖系统的运行提供依据。泵14为主循环泵。压

14、力传感器p1, p2则观测网路的供冋水压力。安装4台泵时的一般 视负荷变化惜况同时运行2台或3台水泵，留1台或2台备用。用dcu控制和管理这些循环水泵 时，如前儿讲所述，不仅要能够控制各台泵的启停，同时还应通过测量主接触器的辅助触点状 态测出每台泵的开停状态。这样，当发现某台泵由于故障而突然停止运行时，dcu即可立即 启动备用泵，避免出现因循环泵故障而使锅炉中循环水停止流动的事故。流量传感器f1也是 观察循环水是否正常的重要手段。当外网由于某种原因关闭，尽管循环水泵运行，但流量可以 为零或非常小，此时也应立即报警，通过计算机使锅炉自动停止，同时由运行值班人员立即手 动开启锅炉的旁通阀v4,恢复

15、锅炉内的水循环。泵5, 6与压力测量装置p2,流量测量装置f2及旁通阀v3构成补水定压系统，当p2压力 降低时，开启一台补水泵向系统中补水，待p2升至设定的压力值时，停止补水。为防止管网 系统中压力波动太大，当未设膨胀水箱时，还可设置旁通阀v3来维持压力的稳定。长期使一 台补水泵运行，通过调整阀门v3来维持压力p2不变。补水泵5, 6也是互为备用，因此dcu 要测出每台泵的实际启停状态，当发现运行的泵突然停止或需要启动的泵不能启动时，立即启 动另一台泵，防止系统因缺水而放空。流屋计f2用來计算累计的补水量，它可以是涡街流量 计，也可以采用通常的冷水水表，或有电信号输出的水表。5. 1. 3锅炉

16、房的中央管理机如图5-1所示，町采用一台中央管理计算机与各台dcu连接，协调整个锅炉龙及热网 的运行调节与管理。中央机主要工作任务为：通过图形方式显示燃烧系统、水系统及外网系统的运行参数，记录和显示这些参数的 长期变化过程，统计分析耗热量、补水量、外温及供回水温度的变化。根据外温变化情况，预测负荷的变化，从而确定供热参数，即循环水量及泵的开启台 数、供水温度、锅炉运行台数。将这些决定通知相应的dcu产生相应原操作或修改相应的 设定值。负荷的预测町以根据测出的以往24h的平均外温w来确定：(5-1)式中为q0设计负荷，to为设计状态下的室外温度，q为预测出的负荷。考虑到建筑物 和管网系统的热惯性

17、，采用时间序列的方法來预测实际需要的负荷，可能耍更准确些。式(51)中的负荷尽管每h计算一次，但由于是取前24h的平均外温，因此它随时间 变化很缓慢。每hq的变化4q仅为：(5-2)其中tw, tw尸24为两天间同一时刻温度之差，一般不会超过5°c,因此aq的变化总 是小于q的1%,所以不会引起系统的频繁调节。根据预测的负荷可以确定锅炉的开启台数nb： nb>q/qo,其中qo为每台锅炉的最大出 力。由此还可确定循环水泵的开启台数。要求的总循环暈g=max (q/(at cp) cmin),其屮gmin为不产生垂直失调时要求的最小 系统流量，at为设定的供回水温差。由于多台泵并

18、联时，总流量并非与开启台数成正比， 因此可预先在计算机中预置一个开启台数成止比，因此可预先在计算机中预置一个开启台数 与流量的关系对应农，由此可求出要求的运行台数。分析判断系统出现的故障并报警。锅炉及锅炉房可能出现的故障及由计算机进行判断 的方法为：-水冷壁管或对流管爆管事故此时补水量迅速增加，炉膛内温度迅速下降，排烟温度 下降，炉膛内温度迅速下降，排烟温度下降，炉膛内压力迅速由负压变为止压。水侧升温汽化事故 此时锅炉热水出口温度迅速提高，接近达到或超过出口压力对应 的饱和温度。-锅炉内压力超压事故测出水侧压力突然升高，超过允许的工作压力；“管网漏水严重测了水侧压力降低，补水量增大；锅炉内水系

19、统循环不良测出总循环水sgf1减少很多，压差p3-pl或p4pl加大；除污器址塞 测出总循环水量gf1减少，当阀门vi、v2全开时压差p3p2、p4p2仍 偏小，说明压力传感器p2的测点至循环水泵入口间的除污器的堵塞。炉排故障测出的炉排运动速度与设处值有较大差别；-引风机、鼓风机、水泵故障相应的主接触器跳闸，或所测出的空气压差或水循环流 量与风机、水泵的设计状况有较人出入。利用计算机根据上述规则及实测运行参数不断进行分析判断，即可及时发现上述事故或 故障，并立即采取报警和停炉等相应的措施，从而防止事故的进一步扩大或故障转化为事故, 提高运行管理的安全性。5. 2蒸汽水和水水换热站的监测与控制对

20、于利用人型集屮锅炉房或热电厂作为热源，通过换热站向小区供热的系统来说，换热 站的作用就同上一节的供暖锅炉房一样，只是用热交换器代替了热水锅炉。图5-3为蒸汽水换热站的流程及相应的测控制元件。水侧与图5-2 一样，控制泵5、6 及阀v2根据p2的压力值补水和定压；启停泵14来调整循坏水量；由t2, t3及流量测暈 装置f1来确定实际的供热量。与锅炉房不同的是增加了换热器、凝水泵的控制以及蒸汽的 计量。图5-3蒸汽水换热站的测量与控制蒸汽计量可以通过测量蒸汽温度tl、压力p3和流量f3实现，f3可以选取用涡街流量 计测量，它测出的为体积流量，通过tl和p3由水蒸气性质表可查出相应状态下水蒸气的比

21、体积p，从而由体积流量换算出质量流量。为了能由t和p查出比体积，要求水蒸气为过热 蒸汽。为此将减压调节阀移至测量元件的前面，如图53屮所示，这样即使输送來的蒸汽为 饱和蒸汽，经调节阀等焙减压后，也可成为过热蒸汽。实际上还可以通过测量凝水量来确定蒸汽流量。如果凝水箱中两个液位传感器li、l2 灵敏度较高，则可在l2输出无水信号后，停止凝水排水泵，当l2再次输出有水信号吋， 计算机开始计时，直到l1发出有水信号时，计时停止，同时启动凝水泵开始排水。从l2 输出有水信号至l1开始输出有水信号间的流量可以用重量法准确标定出，从而即nj通过 dcu对这两个水位计的输岀信号得到一段时间内的蒸汽平均质量流量

22、，代替流量计f3,并 获得更精确的测量。当然此处要求液位传感器li、l2具有较高灵敏度。一般如浮球式等机 械式液位传感器谋差较人，而应采取如电容式等非直接接触的电子类液位传感器。加热量由蒸汽侧调节阀vi控制。此时vi实际上是控制进入换热器的蒸汽压力，从而 决定了冷凝温度，也就确定了传热量。为改善换热器的调节特性，可以根据要求的加热量或 出口水温确定进入加热器的蒸汽压力的设定值。调整阀门vi使出口蒸汽压力p3达到这一 设定值。与直接根据出口水温调整阀门的方式相比，这种出级调节的方式可获得更好的调节 效果。供水温度t3的设定值，循环泵的开启台数或要求的循环水量的确定，可以同上一节一 样，根据前24

23、h的外温平均值查算供热曲线得到要求的供热量，并算出要求的循环水量。供 水温度的设定值t3,set可由调整后测出的循环水量g、要求的热量q及实测回水温度t2确 定：t3,set = t2+q/ (cp-g)随着供水温度t3的改变，t2也会缓慢变化，从而使要求的供水温度同时相应地改变， 以保证供出的热量与要求的热量设定值一致。对于一次网为热水的水水换热站，原则上可以按照完全相同的方式进行，如图54。収 消二次供水侧的流量计f1,仅测量高温热水侧的流量f3,再通过即可和到二次侧的循环水 量，一般高温水温差大，流量小，因此将流量计装在高温侧可降低成本。测量高温水侧供回水压力p3、p4可了解高温侧水网的

24、压力分布状况，以指导高温侧水网的调节。图5-4水水换热站的测量与控制调整电动阀门vi改变高温水进入换热器的流量，叩可改变换热量。对以按照而述方法 确定二次侧供水温设定值，由vi按此设定值进行调节。在实际工程中，高温水网侧的主要 问题是水力失调，由于各支路通过干管彼此相连，一个热力站的调整往往会导致邻近热力站 流量的变化。另外，高温水侧管网总的循环水量也很难与各换热站所要求的流量变化相匹配, 于是往往造成外温降低时各换热站都将高温侧水阀vi开人，试图增人流量，结果距热源近 的换热站流量得到满足，而距热源远的换热站流量反而减少，造成系统严重的区域失调。解 决这种问题的方法就是采用全网的集中控制，由

25、管理整个髙温水网的中央控制管理计算机统 一指定各热力站调节阀vi的阀位或流量，各换热站的dcu则仅是接收通过通讯网送来的 关于调整阀门vi的命令，并按此命令进行相应的调整。高温水侧血管网的集中控制调节。 将在一下节屮详细介绍。5. 3小区热网的监测与调节小区热网指供暖锅炉房或换热站至各供暖建筑间的管网的监测调节。小区热网的主要问 题也是冷热不均，有些建筑或建筑某部分流量偏大，室内过热，而另一些建筑或建筑的另一 部分却山于流量不足而偏冷。这样，计算机系统的中心任务就是掌握小区各建筑物的实际供 暖状况，并帮助维护人员解决冷热不均问题。测量各户室温是对供暖效果最直接的观测，但实际系统中尤英是对住宅來说，很难在各 房间安装温度传感器。比较现实的方法就是测量冋水温度，根据各支路冋水温度的差别，就 可以佔计出各支路所负责建筑平均室温的差別。如果各支路回水温度调整到相同值，就意味 着各支路所带散热器的平均温度彼此相同，因此可以认为室温也基本相同。一般住宅的回水 温度测点可选在建筑热入口中的冋水管上。对于人型建筑，可选在设备夹层中儿个主要支路 的回水干管上。要解决冷热不均问题就需要对系统的流量分配进行调整，在各支路上都安装由计算机进 行自动调节的电动调节阀成本会很高，同时一旦各支路流量调节均匀，在无局部的特殊变化 时，系统应保持冷热均匀的状态，不碍要经常调整。因此