换热站节能控制系统的设计与应用

王建成，石征锦，刘志民，陈 超

(1.辽宁省科学技术情报研究所，沈阳 110181;2.沈阳理工大学信息科学与工程学院，沈阳 110159;3.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045;4.沈阳重林自动化技术有限公司，沈阳 110159)

换热站是连接热源和热用户的重要环节，在整个供热系统中起着举足轻重的作用，热水管网又分为，一次网和二次网，一次网是指连接于城市热源管网和换热站之间的管网，二次网是指连接于换热站与热用户之间的管网，换热站主要是指连接于一次网与二次网，并装有与用户连接的相关设备、仪表和控制设备的机房。根据规模和设置地点不同，换热站又可分为首站、区域换热站、集中换热站和用户换热站［1］。而且绝大多数换热站为了考虑供暖面积的扩容，设备的数量和容量都设计的留有一定裕量，并且如果这些换热站的循环泵和补水泵采用人工开、关阀门控制流量，由于管路的阻尼增大，必将造成电能浪费。因此换热站的控制系统节能设计与应用是换热站建设和改造的重点工作之一。

1 换热站的基本构成和工作过程

绝大多数的换热站为用户换热站，大部分换热站设备功率较大，是重点耗能单位，但设备种类比较简单，一般由数台热交换器，几台大功率水泵组成的循环泵组和几台补水泵构成。

换热站主要是将一次网的80℃左右热水通过热交换器使二次网低温水水温达到60℃左右，成为满足供暖送水温度的热水，通过二次网热水管道送到城市居民家中，流过各用户的散热器;通过循环泵的加压循环，流回换热站，进入换热站热交换器的二次回水温度有40℃左右［2］。

2 换热站节能控制系统设计的基本原则

热力输配网络控制的重点是换热站的控制，供热系统的最终目标是保持热用户的室内温度稳定，但由于热用户没有室温调节器，且对众多的热用户的室温不可能形成闭环控制［2］。由于一次网供水温度是热源公司所掌控，因此换热站的二次网最高供水水温完全取决于一次网的供水温度，亦称供热量。为做到供热设备经济运行又保证供热质量，最有效的方法是控制换热站的二次供水温度。换热站的自动化控制系统一般主要指温度控制、液位控制、水泵控制三个方面，大部分换热站设备功率较大，是重点耗能设备［3］。因此换热站的控制系统节能设计和应用的基本原则有:

(1)根据气候的变化自动调节供热量。通过调节一次网的调节阀开度，改变一次网的热水流量，实现二次网换热量调节，避免供热量的浪费。具体方式有自动和手动二种，视一次网的调节阀类型而定［4］。

(2)二次网通过对循环泵的控制，必须保证供水管网的热水到达用户最高点，用户温度达标和避免管道冻裂。同时循环泵还要经济运行，节约电能。

(3)二次网通过对补水泵的控制，必须保证回水管路上缺失的热水自动补给。避免由于泵体、管道、阀门的泄漏引起循环水的水压降低，造成供热系统运行不正常。同时补水泵还要经济运行，节约电能。

(4)系统运行设备保护功能齐全。一般包括回水压力低于设定值时失压保护、断电保护、超温保护、超压保护、补水箱液位监测，同时具备报警停泵保护功能。保证水泵、阀门、管道、换热器、散热器的安全运行［4］。

3 换热站节能控制系统设计

从以上的基本构成和工作过程可以看出，为了保证换热站的安全、经济运行，必须保证换热站控制系统设计对现有规模的供热用户有合理的技术方案、同时具备可持续扩展，以满足整个日益增长的供暖要求。下面我们以某小区1000户住宅，建筑面积12万平方米的所建的换热站为例，介绍一下换热站控制系统节能设计和应用。

3.1 换热站电源系统的设计

换热站电源系统按照换热设备容量及设备数量，安装在1#GGD型电柜，具体功能如下(电路图省略):

(1)供电回路数为四个，其中一个备用回路，并装有电能计量表。

(2)数字显示供电电压(A、B、C)、负荷电流(Ia、Ib、Ic)。

(3)数字显示一、二次热网的出水压力、回水压力。

(4)数字显示一、二次热网的出水温度、回水温度。

(5)换热站内补水水箱高、低水位报警。

(6)电动调节阀门控制调节触摸屏。为降低成本，节省空间，将“一次网热水温度自动控制系统”安装在此柜内。

3.2 换热站一次网热水流量节能控制系统设计

根据室外温度的变化和当地热负荷曲线，决定二级网侧的供热量，实测供热量和设定值相比较后，进行PID闭环调节，控制器输出信号至电动调节阀，调节电动调节阀的开度，从而改变一级网侧的流量［5］，满足二次网供暖温度的控制要求。因此对一次网流量的控制系统必须是一个单闭环温度系统，按照目前的控制技术，采用电动阀门进行控制，尽管一次投入较大，但避免了人工操作误差较大，为今后实现热网远程无线监控打好基础，是比较理想的方案。

为此，根据一次网管道直径DN150，我们设计换热站一次网热水流量的自动控制系统主要由以下部件组成:选择适配的西门子VVF41.1502型电动阀门;SKC62UA型执行器;QAE2110.010型浸入式水温传感器，配套热敏元件PT1000;具有两个模拟量输出点输出DC 0…10 V信号，可以是正向或者反向控制的RWD6型控制器。该电路比较简单，在此省略该图。系统具有如下功能:

(1)电动调节阀门的标称行程可达40 mm，完全满足调节一次网热水流量的要求。

(2)SKC62UA型执行器具有可调节阀门开度起始点和工作范围的顺序控制;可进行阀门正反工作方向选择，并且具有断电时弹簧复位功能，保证来电后正常供暖。

(3)阀门的开度控制除了具有线性或等比例调节外还有三种接线模式选择，满足设备调试、阀门完全开、闭的要求。

(4)电动阀门安装在一次网的回水管路，在加热系统工作时，密封垫运行在较低的温度，可以延长其寿命，同时为了增加电动阀门可靠性，在阀门入口前安装了过滤器。

(5)电动阀门操作在配套SKC62UA型执行器的触摸屏上，设置和调节非常方便［5］。

3.3 换热站循环泵节能控制系统设计

我们按照供暖面积和短期扩容的可能，为了维持高层用户供暖，需要稳定的实时出水压力，因此该系统也是一个单闭环压力控制系统。选用三台电机功率37KW的循环水泵。水泵变频工作方式为二用一备的控制方案，电气元件选择型号分别为FRN37P11－4CX变频器;HFR1045电机软启动器;ID136闭环调节器;AF－20MR－A小型程序控制用可编程控制器;供水、回水压力信号DBM20R－1型供水、回水压力信号变送器等。将它们安装在2#GGD型电柜中。具体功能如下:

(1)电网端来电缺相保护电路，再加上变频器对负载端保护外，使系统保护功能更完善。

(2)数字显示电压(A、B、C)、负荷电流(Ia、Ib、Ic)、手动变频工作频率。

(3)手动工频/变频转换;手动变频/自动变频转换及运行指示;手动工频选泵;自动变频选泵;工频/变频启动、停止。任意组合二台工作水泵，实现均衡磨损。

(4)工频/变频过载保护;过电压/欠电压保护;对地短路;外部报警等。

(5)电机软启动器启动、停止及运行指示。考虑变频运行发生故障的情况，加入一台电机软启动器，通过PLC设置的程序控制三台循环水泵中的任意一台在工频时手动启动运行(安装在3#GGD电柜中)。这样既保证了循环泵的安全可靠运行，又便于设备维护。

(6)利用电接点压力表设置循环泵出水压力超压停机及报警，避免二次网供暖管道、阀门、用户散热器的爆裂，损失热水。

循环泵系统变频控制主电路如图1、循环泵系统软启动控制主电路如图2、循环泵系统程序控制回路如图3、循环泵系统手动变频及加减泵调节控制回路如图4。

图1

3.4 换热站补水泵节能控制系统设计

为避免由于泵体、管道、阀门的泄漏引起循环水的水压降低，保证回水管路上缺失的热水自动补给，需要稳定的回水压力，实现实时补水，因此该系统也是一个单闭环压力控制系统。选用二台电机功率5.5 kW的补水水泵，水泵变频工作方式为二用一备的控制方案，电气元件选择型号分别为FRN5.5G11S－4CX变频器;PXR9闭环 PID调节器;AF－20MR－A小型程序控制用可编程控制器;DBM20R－1型回水压力信号变送器等。将它们安装在3#GGD型电柜中。具体功能如下:

(1)设计了电网端来电缺相保护电路，再加上变频器对负载端保护外，使系统保护功能更完善。

(2)数字显示电压(A、B、C)、负荷电流(Ia、Ib、Ic)。

(3)手动工频/变频转换及运行指示;手动工频选泵;手动变频选泵;工频/变频启动、停止。任意调整工作水泵，实现均衡磨损。

(4)工频/变频过载保护;过电压/欠电压保护;对地短路;外部报警等。

(5)变频器故障检出报警。

(6)补水水箱低水位停机和中水位启动，避免出现水泵抽空现象的发生。

(7)利用电接点压力表设置补水泵回水管道压力欠压停机及报警，避免二次网回水管道、阀门、用户散热器的爆裂后，损失自来水，及时查找泄漏点。

由于补水泵控制原理与循环泵类似，具体控制电路图省略。

3.5 换热站循环泵、补水泵节能控制系统程序设计

根据各系统控制电路的设计，采用AF20MR－A小型可编程控制器作为控制核心，编制了循环泵、补水泵设备的自动控制系统的执行程序，由于具体程序比较简单，可以通过购买的可编程控制器的自带安装软件QuickⅡ在计算机上进行仿真，检验控制动作的正确与否，非常适用于工程应用。因此具体程序省略。

4 应用效果

换热站的节能控制系统设计并应用后，经过三年的用户使用，取得了可喜的应用效果，系统具有如下优点:

(1)系统运行安全、稳定、可靠，实现了工频、变频转换操作，工作方式灵活，维修方便。由于水泵是软启动，无极实时调速，避免了设备、管网的启动冲击。

(2)在一次网进行阀门开度调节，解决了二次网水温低的现象，保证了二次网的出水温度，用户室内温度都在18℃以上。

(3)节能效果显著，循环泵、补水泵设备在相同工况下，变频恒压供暖比工频供暖节电25%以上。并且压力平稳，优于工频控制，避免了工频情况下供暖出水压力忽高忽低，造成高层用户无水及气化现象。

(4)系统保护功能完善。这些保护功能，使得水泵和电网发生异常时，立即切断电源和变频器的输出，更精确的保护了水泵电机，延长了设备的寿命。

(5)通过在补水水箱水位控制系统，避免补水水箱水的溢出，节约水资源。

(6)通过设置循环泵、补水泵的超压和欠压停机及报警，避免了跑冒滴漏，节省了能源。

(6)需要监控的实时数据一目了然，在条件成熟的情况下可实现无人值守。

(7)通过系统的节能设计，节省了热能，避免了热源的损失，实现了经济供暖，并为今后实现供暖远程无线监控打下了坚实的技术基础。

5 结束语

我国幅员广阔，冬季采暖的地区占全国面积的4/5左右，对能源的需求是巨大的，而我国又是能源贫乏的国家之一，节能减排、降耗是国家长期的重点战略任务，是政府和企业的重点考核指标。在全国集中供暖换热站都采用节能系统设计和进行节能改造，既保证了供暖工作的安全、稳定、节能、经济运行，又将会产生巨大的经济效益和社会效益。

［1］曹宏麟.换热站节能控制系统研究［J］.山西建筑，2010，36(1):207 －208.

［2］林柏松，曹文光，刘志杰.换热站变频调速控制系统［J］.自动化仪表，2009，30(7):49－51.

［3］北京和利时自动化驱动技术有限公司.和利时PLC——面向解决方案的PLC［J］.国内外机电一体化技术，2003，6(3):42 －43.

［4］方向辉.自动控制技术在集中供热节能方面的应用［J］.中国新技术新产品，2010，177(1):124 －125.

［5］李文.换热站调节方式探讨［J］.山西建筑，2005，31(3):116－117.