工業供暖過程中自動化熱力均衡調節系統的應用

韓 健

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

熱力失調是工業企業供暖系統應用過程中常見的問題。引起熱力失調最主要的原因在于供熱流體調節不當，不同供熱管路內部流體流量不一致。因此，科學控制流量，保證流體均勻分布是解決熱力失調的主要措施[1]。隨著現代化科技的不斷發展，將智能化控制系統應用于供熱管路流體流量控制當中，對解決熱力失調問題具有重要意義。

1 問題的提出

某工業企業內部供暖系統分為高區、低區，低區為1—10 層，高區為11—16 層。在供熱期內，辦公樓內不同房間溫度嚴重失調，供暖調節人員為了保證辦公區域溫度，盡可能提高熱力供應流量，導致建筑整體出現過熱情況，造成能源損耗。研發樓共4 層，在同一時間點對研發樓不同樓層的樓道溫度進行檢測，4樓的溫度比1 樓的溫度高4.2 ℃，說明研發樓供熱系統存在垂直熱力失調的問題。因此，本文提出自動化熱力均衡調節系統改造方案，通過對熱力入口處回水溫度、流量等數據進行監測，將數據反饋給控制系統，系統利用四通混水的方式對雙管末端供熱流量進行調節，對單管系統利用四通換向調節閥對流體進行換向調節，從而實現熱力平衡供應。

2 自動化熱力均衡調節系統設計

2.1 硬件系統設計

本次系統設計采用8051PLC 單片機作為核心控制器，該控制器具有8 個I/O 端口，ROM 為4 kB，RAM 為128 B，同時，具有模擬量/數字量輸入和輸出端口各4 路，能夠滿足供熱系統閥門的智能調控需求。通訊模塊采用RS485，能夠與計算機進行連接。程序錄制控制板選用C8051FMCU 調試適配器，溫度檢測裝置采用PT1000 貼片式溫度傳感器，其測溫范圍在-50～300 ℃，精度為0.1 ℃，符合智能調控系統溫度檢測需求。壓力傳感器采用JC-1000h-HSM，壓力測量范圍為-0.1～60 MPa，精度為0.2 MPa，滿足供水系統壓力檢測需求，電源模塊采用24 V DC 電源，為PLC 提供電能，閥門為四通換向調節閥，硬件電路連接方式如圖1 所示。

圖1 自動化熱力均衡調節系統硬件電路連接方式

2.2 系統算法及傳輸平臺的設計

本次系統設計主要以能量平衡作為調控原理，采用PID 控制算法，該種控制算法下機構執行動作快、無慣性，但調節完成后會留有余差。通過積分調節積累的方式可以消除余差。當在PID 算法中輸入信號產生偏差階躍時，預先設定的比例環節進行調節，通過粗調對擾動影響進行抑制，然后，基于積分調節作用的積累再進行細調，消除余差。

數據傳輸平臺采用無線傳輸模式，單片機通過RS485 通訊模塊與SBM微型計算機連接，通過無線路由裝置將采集到的數據信息傳輸至服務器，供熱服務人員能夠通過智能終端的Digi-SFT 軟件對服務器進行訪問，監測供熱系統的數據信息和變化趨勢。

2.3 軟件系統的設計

自動化熱力均衡調節系統軟件邏輯設計形式為模塊化設計，分別為數據采集模塊、數據診斷、分析模塊和數據傳輸執行模塊等。整個軟件邏輯程序設計如下：

1）系統啟動后，控制中心首先對各部分進行初始化檢測，如果信息反饋有誤或無信息反饋，則報警。

2）完全打開四通換向調節閥，基于并聯原理使流量均布，保證建筑的整體供暖需求。

3）通過溫度傳感器、壓力傳感器檢測供水管溫度、回水管溫度、室外溫度和管路壓差，并采集閥門的開合度參數。

4）通過RS485 通訊模塊將信息傳輸至計算機中，進入數據分析模塊。

5）對采集數據壞點進行處理，舍棄發送延遲大的數據進行，提高計算結果準確性。在診斷完成后對數據進行分析，根據預先設定的室內平均溫度計算出一段時間內供水/回水管路的溫度及流量平均值，計算供熱管路內部流量預測值，并將采集流量值與預測值進行對比計算，得出四通換向調節閥開合度調節參數。

6）將閥門調節參數傳輸至PLC 中對閥門進行調控，采集到的數值和閥門調節參數均通過無線網絡平臺傳輸至服務器中，以供監測管理。

3 自動化熱力均衡調節系統的應用

3.1 應用效果分析

為了解決供熱不均衡問題，該企業于2021 年7—8 月進行供熱系統改造，將自動化熱力均衡調節系統應用于辦公樓和研發樓，自動化調控設備安裝于回水管位置，共計3 套。為了保證運行的安全性，設備安裝于回路旁通管道中。為了驗證系統的有效性，在改造前后典型日（2021 年1 月12 日和2021 年12 月31 日，氣象局發布的室外溫度一致）分別在辦公樓高/低區不同樓層和同一樓層選取2 間溫度相差較大的房間（高區選1301 號和1509 號，低區選801 號和812 號）進行溫度檢測，并對研發樓的樓道溫度進行檢測，檢測結果如圖2、圖3 和圖4 所示。

圖2 改造前后辦公樓高區典型日兩房間溫度變化趨勢

圖3 改造前后辦公樓低區典型日兩房間溫度變化趨勢

圖4 改造前后研發樓典型日樓層溫度變化趨勢

由圖2、圖3 可知，應用自動化熱力均衡調節系統后，房間溫度變化更為平穩，所有房間全天溫度均在18 ℃以上，符合辦公區域溫度需求。從整體溫度變化趨勢來看，應用智能調控系統后，高區房間、低區房間的溫差更小，溫度變化更為平穩。其中，1301 號和1509 號房間平均溫度為19.78 ℃、22.15 ℃，相差2.38℃。改造完成后，兩個房間平均溫差縮小至0.41 ℃，降低幅度為82.8%。801 號和812 號房間的溫差由1.66℃降低至0.29 ℃，降低幅度為82.5%。由此可見，自動化熱力均衡調節系統具有良好的熱力調控水平，能夠有效緩解熱力失調問題，從而優化辦公環境。

由圖4 可知，在應用自動化熱力均衡調節系統后，研發樓樓層溫度變化更為緩和，最低溫度有所提升，保證了溫度的均衡性。在凌晨5：00，1 樓的溫度由13.6 ℃提高至15.4 ℃，研發樓溫度環境有了明顯改善。1 樓與4 樓的最大溫差由4.2 ℃降低至1.6 ℃，由此可見，自動化熱力均衡調節系統能夠有效解決垂直失調問題。

3.2 經濟性分析

某工業企業供熱辦公樓高、低區分為兩趟管路，分別用2 組30 kW 變頻循環泵推動流體循環。研發樓與食堂為同一趟管路，利用18.5 kW 變頻循環泵進行供熱循環，循環泵為手動控制。該企業冬季供暖時間為138 d，其中，供暖初期為36 d，供暖中期為62 d，供暖末期為40 d。循環泵功率調整主要以供暖階段為基準，對改造前后各循環泵的運行功率情況進行對比，如表1 所示。

表1 改造前后各循環泵運行功率情況對比 單位：kW

由表1 可知，改造后，循環泵運行功率大幅下降，供暖初期每小時可降低10 kW·h 電能，供暖中期每小時可降低12.5 kW·h 電能，供暖末期每小時可降低10 kW·h 電能，整個供暖期可降低36 840 kW·h 電能。按該企業所在區域工業用電價格0.72 元/（kW·h）計算，企業在整個供暖期可降低2.65 萬元電能費用。

4 結論

1）對某工業企業供熱系統問題進行分析，提出智能均勻供熱調控系統方案，以解決熱力失衡問題。

2）從硬件和軟件的角度對智能均勻供熱調控系統進行設計，并明確算法和邏輯執行程序。

3）某工業企業進行智能均勻供熱調控系統改造后，辦公樓、研發樓熱力失衡問題得到有效解決。從經濟方面來看，智能均勻供熱調控系統的應用，降低了循環泵的運行功率，每年可節省2.65 萬元電能費用。