分散式自動(dòng)控制系統(tǒng)在集中供暖工程中的應(yīng)用及其經(jīng)濟(jì)效果分析

1、 分散式自動(dòng)控制系統(tǒng)在集中供暖工程中的應(yīng)用及其經(jīng)濟(jì)效果分析 摘要：文章概述了分散式供暖自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用，其基本控制原理，軟硬件配置，系統(tǒng)基本架構(gòu)及其應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：分散式自動(dòng)控制系統(tǒng)，比例積分微分調(diào)節(jié)，質(zhì)調(diào)節(jié)，量調(diào)節(jié)，質(zhì)、量調(diào)節(jié)相結(jié)合，開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和改裝，我們的觀(guān)點(diǎn)是盡可能簡(jiǎn)單便捷，能用單片機(jī)就不用邏輯控制器（plc），能用plc就不用工業(yè)計(jì)算機(jī)，如果變頻器的功能足夠，就把變頻器的功能開(kāi)發(fā)到極致，因?yàn)橄到y(tǒng)越復(fù)雜，出現(xiàn)問(wèn)題的可能性越大，維修的難度也越大。僅就功能而言，分散式自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)可在節(jié)約系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)投資的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。即在熱源廠(chǎng)與各個(gè)終端

2、換熱站內(nèi)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，信號(hào)的傳輸依靠系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)，而不設(shè)置單獨(dú)的系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，熱源鍋爐房和每個(gè)分站內(nèi)設(shè)置的系統(tǒng)其基本架構(gòu)及其組件。為了更好的總結(jié)修改供暖參數(shù)曲線(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)可設(shè)置單獨(dú)的存儲(chǔ)處理單元，實(shí)際上在有了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后這個(gè)單元完全可以不要，我們?cè)谙到y(tǒng)搭建之初在方案中雖然考慮了單獨(dú)設(shè)置存儲(chǔ)處理單元，但在具體實(shí)施時(shí)將其取消了。系統(tǒng)的基本控制原理是：理論上室外溫度和室內(nèi)耗熱量之間存在對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，即二者成正比例：q=k1g（tg-th）=k2f(tn-tw) （1）式（1）中：q系統(tǒng)耗熱量；g系統(tǒng)流量；k1、k2換熱系數(shù)；tg、th、tn、tw供水溫度、回水溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度。依據(jù)

3、上述理論，我們采用比例積分微分調(diào)節(jié)（pid）方式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是：y=kp(x+1/ttxdt+tddx/dt) （2）式（2）中：y調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)；kp比例放大系數(shù)；x調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)；tt積分時(shí)間；td微分時(shí)間。在實(shí)際的調(diào)節(jié)過(guò)程中采用的是質(zhì)、量調(diào)節(jié)相結(jié)合：一次網(wǎng)在換熱站采用量調(diào)節(jié)為主，質(zhì)調(diào)量調(diào)相結(jié)合（質(zhì)調(diào)通過(guò)熱源廠(chǎng)增減負(fù)荷實(shí)現(xiàn)），二次網(wǎng)主要采用質(zhì)調(diào)節(jié)，因?yàn)槎尉W(wǎng)的熱用戶(hù)終端設(shè)施基本都是手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，沒(méi)辦法隨系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行量調(diào)節(jié)。供暖管網(wǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行時(shí)其流量基本在紊流阻力平方區(qū)，不論一次側(cè)和二次側(cè)，其阻力與流量的二次方成正比，即：hy=6.25*10-3*0.11*(k)0.25g2/d

4、5.2 （3）hj=2/2 （4）其中2=g2/a=4g2/d2,即：hj=4g2/2d2 （5）hz=h y*l+hj（6）式（3）至（6）中：hy系統(tǒng)管道比摩阻，k管道相對(duì)粗糙度，g系統(tǒng)流量，介質(zhì)密度，介質(zhì)流速，a管道橫斷面積，d管道直徑，hj系統(tǒng)對(duì)應(yīng)管件局部阻力，管件局部阻力系數(shù)，hz系統(tǒng)總阻力，求和符號(hào)，l各對(duì)應(yīng)管徑管段長(zhǎng)度。式（1-6）中等號(hào)右邊“+”號(hào)前面的部分是系統(tǒng)的沿程阻力之和，“+”號(hào)后面的部分是系統(tǒng)的局部阻力之和。所以當(dāng)在某一個(gè)流量值下系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)平衡后如果流量值變化，各部位的阻力會(huì)變化，此時(shí)如果系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)，系統(tǒng)的平衡就會(huì)發(fā)生變化，即出現(xiàn)水力失衡。系統(tǒng)存在一個(gè)能達(dá)到平衡

5、的最適宜流量，在此流量基礎(chǔ)上系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)比較容易，如果流量繼續(xù)低的話(huà)系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度變大，甚至幾乎沒(méi)法達(dá)到水力平衡，另外系統(tǒng)循環(huán)泵實(shí)際輸出功率與系統(tǒng)流量和阻力相關(guān)聯(lián)，其關(guān)系是：p=gh/102 （7）式（7）中：p循環(huán)泵電機(jī)實(shí)際輸出功率；離心式循環(huán)泵機(jī)械效率，通常取0.8左右，其余符號(hào)意義同前，式（1-7）的h是系統(tǒng)的實(shí)際阻力，也是水泵的工作揚(yáng)程而不是銘牌揚(yáng)程。根據(jù)式（3）至式（7）可推知循環(huán)泵電機(jī)實(shí)際輸出功率是系統(tǒng)流量的三次函數(shù)，這也就解釋了為什么離心式循環(huán)泵在低揚(yáng)程大流量下會(huì)超負(fù)荷。式（3）至式（7）是二次網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)的原因和依據(jù)，實(shí)際實(shí)施中通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)總出口閥門(mén)和二次循環(huán)泵變頻自動(dòng)調(diào)速

6、相結(jié)合的方式將系統(tǒng)二次流量確定在系統(tǒng)的最適當(dāng)流量值附近的一定范圍內(nèi)，且流量宜小不宜大，否則隨流量的增加電動(dòng)機(jī)輸出功率將急速增大。系統(tǒng)二次側(cè)在每次正常運(yùn)行時(shí)頻率是固定的，所調(diào)節(jié)的主要是熱媒溫度，即質(zhì)調(diào)節(jié)。當(dāng)二次側(cè)溫度達(dá)到或超出要求值時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出動(dòng)作指令給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器（變頻器和電動(dòng)閥門(mén)的伺服電機(jī)），電動(dòng)閥門(mén)關(guān)小；二次側(cè)循環(huán)泵降低運(yùn)行頻率，減小系統(tǒng)循環(huán)流量直至減速停機(jī)。如果在運(yùn)行時(shí)傳感器檢測(cè)到二次側(cè)循環(huán)水溫度低于設(shè)定值（此設(shè)定溫度經(jīng)過(guò)室外溫度和室內(nèi)典型溫度點(diǎn)的溫度補(bǔ)償修正）時(shí)，站內(nèi)分散式控制系統(tǒng)（單片機(jī)、plc、微型計(jì)算機(jī)等）即發(fā)出指令給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器（電動(dòng)閥門(mén)、循環(huán)泵變頻器等），現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器執(zhí)行命令并

7、反饋給分散式控制器（一次網(wǎng)加大輸入流量、二次側(cè)循環(huán)泵升至設(shè)定頻率保證系統(tǒng)循環(huán)流量），其反饋通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)（流量計(jì)、壓力計(jì)，溫度計(jì)）。當(dāng)一次溫度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)的是一次側(cè)處于停機(jī)狀態(tài)，控制器會(huì)指令二次系統(tǒng)循環(huán)泵關(guān)機(jī)，當(dāng)一次側(cè)溫度超出設(shè)定值時(shí)，控制器指令二次系統(tǒng)循環(huán)泵啟動(dòng)運(yùn)行。各個(gè)分站均實(shí)行此種控制方式，這樣對(duì)于一次總站或者熱源廠(chǎng)鍋爐房來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的流量和壓力分布是變化的，當(dāng)各個(gè)分站的一次側(cè)閥門(mén)趨向于關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)一次側(cè)的流量會(huì)減少到最低值，一次流量在最低值時(shí)熱源廠(chǎng)的一次供水溫度會(huì)上升，達(dá)到設(shè)定值時(shí)熱源廠(chǎng)內(nèi)分散式控制器發(fā)出減負(fù)荷（或停機(jī)）指令，此時(shí)鍋爐減負(fù)荷或者停機(jī)。也可以將一次網(wǎng)流量的最低

8、值作為減負(fù)荷或者停機(jī)的觸發(fā)信號(hào)。一次循環(huán)泵保持一定時(shí)間段運(yùn)行以便將一次循環(huán)溫度降低并將鍋爐余熱送出給熱網(wǎng)，直至一次循環(huán)溫度降至設(shè)定溫度時(shí)循環(huán)泵停機(jī)，然后每隔一個(gè)設(shè)定的時(shí)段一次主循環(huán)泵啟動(dòng)并短時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間（20分鐘左右），這有兩個(gè)作用：一是將鍋爐內(nèi)燃料在壓火狀態(tài)下的熱量送入熱網(wǎng)以防止?fàn)t內(nèi)汽化；二是可以檢測(cè)各個(gè)站的一次網(wǎng)流量分配電動(dòng)閥是否開(kāi)啟（讀取系統(tǒng)一次流量信息），如已經(jīng)開(kāi)啟則鍋爐需要啟動(dòng)以增加供熱量。為防止各個(gè)換熱站內(nèi)的一次側(cè)電動(dòng)閥門(mén)同時(shí)全部關(guān)閉導(dǎo)致一次側(cè)循環(huán)突然停頓造成超溫，最遠(yuǎn)端的一個(gè)或幾個(gè)站內(nèi)一次側(cè)電動(dòng)閥門(mén)設(shè)置一個(gè)最小流通量（本案設(shè)置為額定流量的20%）從而不會(huì)完全關(guān)閉。對(duì)于各個(gè)分站和

9、熱源廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)槭遣捎媒橘|(zhì)來(lái)傳遞信號(hào)，受系統(tǒng)慣性的影響，其信號(hào)傳遞會(huì)出現(xiàn)大滯后，為了更好的節(jié)能，其有些環(huán)節(jié)可以采用開(kāi)環(huán)控制，比如在熱源廠(chǎng)、鍋爐房等，有時(shí)候可以采用時(shí)鐘控裝置并設(shè)定為分段定時(shí)啟動(dòng)和停機(jī)（即先于觸發(fā)信號(hào)做出控制指令），并且目前的工業(yè)鍋爐房很難做成全自動(dòng)的，雖然技術(shù)上和理論上可以實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)楣I(yè)鍋爐及其配套的設(shè)備的可靠性問(wèn)題，鍋爐運(yùn)行時(shí)鍋爐房?jī)?nèi)仍需有人值守巡視監(jiān)測(cè)，這樣實(shí)行開(kāi)環(huán)控制時(shí)巡視人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。我們的做法是開(kāi)環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合，在供暖初期和末期，熱源廠(chǎng)的能力相對(duì)過(guò)剩，這個(gè)時(shí)段利用時(shí)鐘控制鍋爐的啟停機(jī)，鍋爐停機(jī)時(shí)熱源循環(huán)泵不停機(jī)，直到熱網(wǎng)高溫側(cè)回水溫度降至設(shè)定值時(shí)，主泵停機(jī)。同樣主泵啟動(dòng)時(shí)二次循環(huán)泵不立即啟動(dòng)，直到換熱站溫度傳感器檢測(cè)到