烟台航天德鲁科技节能有限公司 韩传忠
烟台大学 乔玲敏
摘 要：分布式变频集中供热系统作为一种新的供热系统运行方式，由于其在节能、调节方面的明显优势，在我国集中供热系统中得到了越来越多的应用，特别是在改造工程中。然而，分布式变频集中供热系统必须以可靠稳定的自动控制为基础，本文以实际工程为例，分析集中供热系统末端用户特点，自动控制系统目标，控制策略，自动控制系统框架。并对应用自动控制系统后的供热运行情况和效果进行分析，以说明自动控制系统在分布式变频集中供热系统的重要作用。
关键词：分布式变频；集中供热；自动控制
1 供热系统概述
该集中供热系统采用分布式变频技术，下设52个换热站，每个换热站均设有一级网分布变频泵，承担换热站内一次侧阻力和本站与锅炉房之间管网阻力；热源侧设置热源循环泵，承担锅炉房内阻力（包括锅炉阻力和锅炉房内管线阻力）。热源侧设置连通管，使热源侧循环泵与一级网分布泵的控制相互独立，互不干扰[1]。热源侧设有两台40t和一台100t燃煤锅炉，供暖初期和末期，热负荷较低，由100t燃煤锅炉为整个系统提供热量，供暖中期，随着热负荷的增加，相应的再投入两台40t的燃煤锅炉共同为整个系统提供热量。该供热系统原理如图1。
图1 分布式变频集中供热系统原理图
2 系统控制目标
系统的最终控制目标是实现按需所供，按需所供是指用户需要多少热量，系统就提供多少热量，既不多供也不少供，将系统的损耗降低到最少。用户的需热量是指在一定室外温度下，为了达到室内设计温度，需要提供的热量，因此室内温度可以反应供热系统是否实现了按需所供，然而全面、准确地测量所有建筑物的室内温度是不现实的，所以只能通过与室内温度关联的其它参数作为控制目标。当热网在稳定状态下运行时，热源的供热量等于散热设备的放热量，同时也等于供暖用户的热负荷。散热设备采用散热器时可以得到的热平衡方程[2]。
式中：K为散热器的传热系数（W/(m2·℃)）；F散热器的传热面积（m2）；q为建筑物的体积热指标（W/(m3·℃)）；V为建筑物的体积（m3）；tn为室内温度（℃）；tw为室外温度（℃）；tpj为散热器内热媒平均温度（℃）；G为供暖用户的循环水量（kg/s）；c为热水的质量比热（4187J/(kg·℃)）；tg为二级网热水供水温度（℃）；th为二级网热水回水温度（℃）。
散热器为自然对流放热，它的传热系数具有K=a(tpj -tn)b的形式。则公式（1）可以改写为：
对整个供暖系统而言，可近似的认为：tpj =(tg +th)/2。对于某个换热站而言，所供热区域建筑的a、F、q、V、b、tn均为定值，可以建立在不同tw下相应的tpj，系统通过控制用户供回水平均温度，实现按需所供。
3 系统控制策略
3.1 一级网分布泵控制
根据二级网（用户侧）供回水平均温度控制一级网分布泵频率，使二级网供回水平均温度满足当前室外温度下用户的需热量要求。为了满足供热的稳定、安全运行，对每次供热量（流量）的调整幅度进行必要的限制，再辅以相应边界条件及报警设置确保系统安全运行。
3.2 二级网循环泵控制
该地区居民供热收费标准还是按照面积收费，这样就导致了居民对供热追求目标是“多多益善”，户内的调节阀门总是保持在最大开度状态，供暖过程中，供暖用户和非供暖用户的数量已经基本确定。综合上述，可以得出末端用户的阻力特性系数不会发生太大变化，这样导致不能通过压差控制二级网循环泵[3]，本系统采用温差控制二级网循环泵频率，通过优化温差，来控制二级网循环泵频率。在供热量一定的情况下，如果直接以二级网供回水温差控制二级网变频水泵，由于二级网回水温度存在很大的滞后性，加上因流量变化而引起的温差变化，必然导致供回水平均温度变化，而二级网供水平均温度变化又会引起一级网分布泵的变化，反之亦然，一级网分布泵的变化也会引起二级网循环泵的变化。一级网分布泵和二级网循环泵的耦合以及回水温度的大滞后，大大增加了控制的难度。根据公式2可知，当供回水温差为定值时，可以建立不同室外温度下相应的二级网循环水泵流量，根据循环水泵相似定律[3]，可以得到循环水泵的实际运行频率。通过此种控制方式可以控制二级网供回水温差在要求范围内，使二级网流量、频率在一定幅度范围内跟随一级网热量而变化，从而到达节能运行的目的。
3.2 热源侧控制
通过负荷预测模型，对当前以及未来一段时间的负荷进行预测，确定热源供热温度，保证热源最低供热温度且不超过最高供热温度。在最低供热温度下，当热负荷继续降低，热源回水温度升高到上限时，在保证热源最低供热温度的前提下，适当降低热源循环泵频率，使热源高效安全的运行；在最低供热温度并且热源循环泵运行频率已降低到最低时，如果热负荷增加，热源回水温度降低到下限时，适当提高锅炉循环泵频率，并保证锅炉最低供热温度。
4 自动控制系统设计
自动控制系统架构如图2所示，从结构上划分主要包括：现场节能自动控制系统、通讯网络、远程集中控制管理中心三部分。
图2 自动控制系统框架
现场节能控制系统由节能控制器（PLC）、温度变送器、压力变送器、室温传感器、变频器、热表、水表、电表等组成（见图3）。现场节能控制系统向下可以通过Modbus、MBUS有线通讯协议以及Zigbee无线通讯协议采集现场中温度变送器、压力变送器、水表、电表、热量表的数据；向上通过通信网络给远程集中控制管理中心上传数据。现场节能控制系统既可以现场控制水泵变频器、电动调节阀、电磁阀等设备，又可以接受远程集中控制管理中心命令来控制现场设备。
图3 现场节能控制系统原理图
远程集中控制管理中心将各个现场节能控制系统上传的数据进行监测和存储，如果有任何异常，将产生报警，并推送到供热系统操作员站，以便他们及时处理。远程集中控制管理中心通过对实时和历史数据的处理、挖掘，分析出各个换热站在不同室外温度下的供热特性，实时修正负荷预测模型，并根据室外温度，下发给各个换热站现场节能控制系统指令，实现各个换热站的按需所供。远程集中控制管理中心还具有能耗统计功能，对各个换热站、某段时间的分类分项能耗进行统计、分析、对比、打印等。
为了使供热系统的监控更加便捷，对自动控制系统进行Web发布，这样系统操作员可以用任何一台普通电脑或手机，通过互联网服务器，在普通浏览器中管理各能源站及热力站。
5 运行效果分析
投入自动控制系统后，某换热站1月份运行数据见表1，二级网供回水平均温度、二级网供回水温差、室内温度与室外温度关系见图4。
表1 某换热站1月份运行数据
图4 二级网供回水平均温度、温差与室外温度关系
通过图4可以看出，加入自控系统后，系统运行非常稳定，二级网供回水温差维持在10~12℃，室内温度维持在20℃左右，满足了热用户舒适性和节能性要求。负荷预测模型很好的反映了室外温度与供回水平均温度的关系，实现了按需所供。
6 总结
分布式变频集中供热系统之所以能够降低管网输配能耗、减少管网的水力失调、提高水力稳定性，是因为分布式变频集中供热系统能够实现压力和流量的按需所供，解决了管网系统中资用压力与用户实际需求压力不匹配的问题，减少了调节阀门造成的管网能量损耗和因水力失调导致的热力失调。
分布式变频集中供热系统的按需所供，除了在系统工艺方面的设计要求外，最重要的是要有稳定可靠的自动控制。自动控制系统以按需所供为目的，最大化的减少系统能量损耗，在系统的节能、提高能源效率方面有着非常重要的作用
自动控制系统通过远程集中控制管理中心，实现对全部能源站、换热站的远程监控，全网平衡控制，无人值守控制及能耗统计等功能。实现从能源数据采集——过程监控——能耗分析——能耗管理等全过程的自动化、高效化、科学化管理，提升了整体能源管理水平。
参考文献
[1] 孙海霞，李德英.分布式变频调节系统的工程应用[J].供热制冷，2012,(10):68–70.
[2] 贺平，孙刚，王飞，等.供热工程(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.
[3] 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机(第5版)[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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