室外变流量热网运行调节与控制策略的研究

室外变流量热网运行调节与控制策略的研究摘要目前我国大多数集中供热系统设计观念落后，末端无合理可靠的调节控制手段，供暖系统以“大流量、小温差”的方式运行，水力失调现象普遍存在，水泵大部分时间都运行在部分负荷状态，致使系统耗电量高。减少输送系统能耗最有效的方式是采用变流量水系统，该系统可使水泵的供水量随负荷的变化而变化，实现供热系统的供需动态平衡。随着供热体制的改革，动态的变流量系统将是集中供热系统的发展趋势。对目前我国大中型集中供热管网基本的调节和控制方法进行了深入的阐述，根据热平衡方程，计算得出了单个建筑单体的回水温度和相对流量随室外温度变化的关系，以及整个管网的流量随着建筑单体的调节的变化规律。在此基础上提出了一种新的供热管网控制方法：以建筑单体为研究对象，设置局部回水温度调节措施使进入建筑单体的流量与实际负荷动态平衡，这样热网不再是定流量而成为变流量运行，为了提高热网的运行效率和保证供热质量，一般热网都要装备不同类型的调节控制设备，本文在原有理论基础上分析了新系统的可行性，研究适合的控制策略，为其在工程实际中的应用奠定理论基础。分析了两通／电动调节阀、平衡阀和动态调节阀的工作原理和结构特点，指出两通调节阀和平衡阀、动态调节阀的选型方法和工程适用条件。应用图论知识和供热流体流动的基本规律分析了新系统的水力工况，选取了济南某小区的一个物理模型，应用HACnet软件模拟了新的变流量系统的水力工况，指出单纯的末端调节是不节能的，应该同时进行循环水泵的变流量设计。由于热网系统的庞大，热源滞后性和热惰性大，在实现负荷调节控制的技术方面提出了新的变流量控制系统的自控设计，合理的新系统的自控设计方案可以作为管网水力平衡的一种手段。为了适应系统流量的变化，节约能源，循环水泵应调速控制，为保证扬程下降工况下所有用户都得到足够的资用压头，应采用压差控制，探讨了压差控制点的位置、流量变化率的大小及不同分布对水泵节能效果的影响。论文最后结合济南南郊热电厂金鸡岭分厂厂区直供热网的具体情况，对该热网的末端水力失调现象进行了分析，并对热网动态调节的经济性能进行了分析，得出如果热网采用动念调节带来的节能潜力，为将来热网的技术改造提供参考依据。关键词：变流量，调节特性，压差控制，变频，节能，控制设计符号对照表：水的流速，m／s主要符号对照表及缩略词第1章绪论§1．1供热系统改造的意义与途径目前我国北方城镇共有供暖建筑65亿平方米，其中约70％采用不同类型的集中供暖。根据目前初步统计，城镇建筑供暖用能折合标准煤1．3亿t／a，占我国总城镇建筑用能的52％，是建筑用能的最主要部分。与发达国家相比，我国城镇建筑单位面积供暖能耗是同纬度国家的2—3倍，而建筑除供暖外的其他用能(照明、空调、家电、建筑设备等)按照单位面积比较，却仅为发达国家的1／5．1／2．因此供暖节能应是我国建筑节能工作中潜力最大、最主要的途径，应该作为当前开展建筑节能工作的重点u]。供暖系统的能耗主要包括：供给处理设备热量的热源能耗，如锅炉房耗煤、燃油、燃气或电等；另一方面是输送系统如循环水泵、补水泵的能耗。目前我国大多数供热系统采用恒流量系统，由于设计观念的落后，又无合理可靠的调节控制手段，供暖系统常常以“大流量、小温差”的方式运行，水泵大部分时间都运行在部分负荷状态，致使系统漏损大，耗电量高。减少输送系统能耗最有效的方式是采用变流量水系统，该系统可使水泵的供水量随负荷的变化而变化，实现供热系统供需的动态平衡。近年来，由于计算机技术、控制计算、网络技术和通讯技术的不断进步，楼宇自动化系统(BAS)在商业建筑中大量普及，形成功能齐全的智能化建筑，不仅极大改善了建筑的环境效率，而且也使建筑的能源消耗在量化控制之下，确保建筑的能源成本降低成为可能，但不可否认的是，在这些智能化建筑中，大多数BAS仅能完成设备的运行参数检测、设备的启停控制等基本功能，能真正实现系统经济运行的很少，离节能的目标更是相去甚远【捌。§1．2国内外变流量供热系统发展及现状1．2．1国外热网情况13l【4l国外许多发达国家集中供热发展很快，从设备、技术、管理等诸方面都是比较先进成熟的。从高效、可靠和降低运行成本的目标出发，国外发达国家采用中央监测和控制，包括热源厂、热网控制点、热力站的流量、温度、压力、热量和报警等。在采暖用户入口安装温控阀，自主调节室内温度，中央控制室监测热网和热力站运行参数，通过不利用户压差控制和调节变速泵，实施变流量运行。由于国外一直是市场经济体制，热网的设计和调节都是以单户计量为目的的，所以他们对于用户自主调节的控制理论已经非常成熟了，主要表现在：(1)计算机管理水平普遍较高，软件功能齐全，具有热用户及热源厂结算的计量管理、故障分析与报警、热网的控制与调度、热力站的无人值守、热源的控制与调度等功能，热网管理人员较少，(2)计算机控制系统广泛采用集散式控制系统，主要特点是分散控制为主，集中控制为辅，在灵活性、可靠性、可扩展性上有很强的优势。(3)供热系统采用先进的新技术、新设备和新材料，硬件质量好，基本不存在漏水现象，计量设备准确，执行机构动作可靠，为计算机管理和调节提供可靠的信息来源，普遍采用自力式流量控制器等来解决水力失调问题，效果很好a(4)用户的暖气设备进出口都安装温控阀，用户可以自行调节，基本可以做到按需供热。随着对外开放与经济改革的不断深化，我国北方城镇大力普及集中供热事业，实行供暖行业集中管理，并向较大规模发展。现在的管网普遍采用间供式。近几年来，计量供热方式也正逐步推广实施热化率在逐步提高。但由于受经济条件的限制，供热系统的调控设备及调控手段的相对落后，供热质量并不令人满意，为了满足热用户的需求，提高供热效果，克服热力工况的失调，常常采用“大流量，小温差”的运行方式，这种运行方式在一定程度上能够缓解热力工况的失调，但没有从根本消除系统的水力失调，仍存在着很大的缺点，如需要大水泵，大热源．这种运行方式也带来大能耗，增加了设备投资，降低系统的可调性。改善热网的热力工况，必须研究好热网的热力特性，配备相应的设备仪表，对热网进行调节。发展我国的集中供热事业。我国常规室外供热系统多采用集中式热力站，热力站的规模从5—40万小2不等。是否采用国外的运行控制方法要从投资、运行的经济性与其功能两方面综合考虑，选择最优方案。国内的情况：集中供热系统是一个十分复杂的多变量控制系统，供热面积大，影响因素多，内部关联性强，滞后时间长，非线性严重，随着供热技术水平的提高，我国也采用了许多新技术，新设备，运行管理的水平也有所提高，但从整体上来说，目fj{『，热网运行管理水平还是不完善，常常采用大流量、小温差的运行模式，水力失调现象普遍存在，过热用户室温严重超标，过冷用户室温不达标，这种现象恶化了热网运行指标，影响了供热质量，增加了运行费用，从而浪费了能源。目Ii{『我国针对于建筑物的温控方式毛要有以下几种f5l：2(1)温控阀：温控阀装在散热器的支管处，可以设定一定的温度设定值，温控阀的实际开度随负荷的变化而变化，散热器的流量也随着室内负荷的变化而被动变化，继而整个热网的流量也都在变化，目前对这一方面的研究较多；(2)混水回路装置：在建筑物入口引入混水回路，在混水回路上安装电动调节阀及温度控制器，这样建筑物内部是定流量系统，外网改为变流量系统。既实现了热水输送系统的变流量降低了水泵的功率消耗，又不会引起建筑物内部的水力失调。(3)智能控制阀：智能控制阀主要适用于对整个建筑物的控制，阀可以是通断式也可以是直动式，一般设置在建筑物入口处，另外可以在建筑内系统安放温控器，制定上限和下限温度，在保证供热质量的同时也达到了节能的目的。目前我国供热系统的末端控制方式很少，近几年国内的学者对分户计量的研究比较多，江亿根据目前居住特点，认为目前“分户计量、按热量收费”的热改方式不适合在我国推广。我国居民的主要居住方式是大规模公寓式建筑，而不是像发达国家的单体别墅，采用分户计量，当邻室无人居住散热器关断时，采暖户的耗热量就会大幅度增加。极端情况下，当相邻5户都停止供暖时，采暖户的供暖耗热量有可能增加到接近3倍111[el，认为应该采取按楼计量、楼内按面积分摊的方式，并在技术上和经济上都可行。为了解决由于系统设计不当和调节不当导致局部过热造成的热损失问题，提出在楼的热入口采用换热或混水，在楼内实行“大流量、小温差、低水温”的供热方式，使每栋楼可在不同的入口水温下运行，以有效减少由于散热器面积不匹配、建筑内局部热源、系统流量不均等原因造成的局部过热现象，提高集中供热系统的热利用效率。本课题是“按楼计量”思路的一种体现，是对整个建筑物热量计量控制的一种新的实现方式。河北工业大学的齐成英教授提出的末端设嚣通断阀的变流量控制方式：根据室内温度的变化，电磁阀通过通断控制流过散热器的水量，当室内温度低于某一设定值时，控制器发出信号关闭二通阀；高于某一设定值时开启二通阀，虽然成本较低，通断式电动调节阀由于反复动作，极易造成水力工况紊乱，造成控制失效。江南大学的冯小平博士开发了集中供热空调系统水力工况的动态模拟分析和优化设计软件，该软件具有设计优化、工况模拟、动态调节等功能，利用该软件可以确定系统水力工况调节控审Ⅱ值，可以对实际投入运行的供热系统在不同气候条件及不同用户特点条件下的运行控制策略进行模拟分析，提出了系统的控制方案，目前还没有做成产品，3只是做科研时使用。对于变流量系统的运行调节，文献【7】指出当系统变流量运行时：“当流量在设计流量±20％一30％范围内变动时，散热量变动只有±10％左右；而当流量减少到设计流量的20--30％时，散热量的波动将为设计值的50％一80％，室温只能维持在5—14℃。GilAvery．P．E在文献中提到：在变流量系统中，建议不使用手动调节装置ISl．EL．Brown．P．E经过研究发现：根据实际情况选择合理的平衡阀和压力调节器，能消除手动调节对变流量水系统的干扰【叭。文献【10】中对于安装温控阀的单管跨越式系统、双管系统的热力入口的使用设备进行了分析，认为安装温控阀的双管系统的是变流量系统，应该加装压差控制阀；带跨越管的垂直单管系统，由于温控阀的作用，使通过散热器的流量随室内负荷变化而变化，但跨越管的分流作用使得立管的总流量却保持基本不变。因此，此时热网基本上是以定流量运行，使用自力式流量控制阀是最合适的。文中认为传统单管系统改造为计量供热之后，仍应为定流量运行。而对于双管系统，无论传统垂直双管系统、还是新双管系统，均为变流量运行，且采用定压差控制方式。§1．3供热系统变流量实现的新方法变流量系统的基本原理：变流量系统是指输送环路的总水量发生变化，其运行的基本原理可以根据热力学第一定律来叙述：Q：为设计工况下的负荷；Af：为按规范确定的温差，因此流量也同时被确定。当系统设计完成并投入运行时，Q成了独立参数，它与室外的气象条件和室内散热量等诸多因素有关。当Q变化时可以根据热负荷调节管路流量G，也可以调节系统的供回水温差Df。如果改变供回水温差，而保持流量不变则成为恒流量系统：如果保持系统供回水温差不变而改变系统流量则形成变流量系统。理想的变流量系统，其供回水温差不变而流量与负荷成线性关系。由于目Iji『国内绝大多数大型集中供热系统均为恒流量系统，并且系统末端无计量和调节手段，此情况对我国将来的供热发展情况即为不利。本文针对此情况在建筑群入口处安装流量调节装置，以建筑单体为研究对象，根据建筑单体的回水温度控制阀门开度，使进入建筑用户群的流量根据用户负荷发生变化。其流程如(图1．1)所示。4随着热量计量收费体制的改革，用户将可以根据采暖需求对供热状态进行调节，无论是建筑入口电动调节阀的调节还是通断式调节，本质上都是调节户内的供热流量，这样热网成为变流量运行。§1．4变流量水系统方法研究的可行性分析变流量供热系统自身的特点决定了系统要有量调节的功能，但这种量调节有别于传统意义上的集中量调节。传统的集中量调节随室外温度的变化在热源处主动改变循环水量从而调节供热量以维持所有用户的室内温度恒定，在某一室外温度下，