熱力公司集中供熱智能監控系統的搭建與數據分析
作者:陜西魯明熱力設備 發布日期:2019-05-27 10:32:06
1 華陰市某熱力公司集中供熱概況
經查華陰市地處寒冷地區,根據我國《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-93),及我國《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ26-2010),華陰市屬于寒冷B區,采暖室外計算溫度為-5,由于華陰地區在供熱紅線以北,因此居民冬季需要靠集中供熱來維持日常生產生活?!度A陰市城市集中供熱管理條例》規定,每年的11月15日開始采暖季,持續到次年3月15日結束,可根據實際天氣情況進行提早或延長。
圖3.1 中國建筑熱工設計分布圖
本文所涉及的集中供熱系統為華陰市某熱力公司,地處華陰市區東部,承擔華陰市全市區范圍內的集中供熱工作。截止2018年11月5日,該熱力公司已完成主管網建設13.9公里,供熱面積達到140萬平方米,建成熱交換站86座,供熱輻射華陰市城區面積80%以上[41]。該集中供熱系統熱源為燃煤鍋爐加熱的首站高溫熱水,通過熱力公司敷設的一次熱力管網系統到達各個小區的換熱站,經過各小區換熱站換熱后變成適合暖氣片、地幅熱等散熱器的低溫熱水,通過各小區承建二次熱網管道送至用戶進行散熱供暖。整個集中供熱系統分為兩部分,從熱源首站到各個小區換熱站之間的管網稱為一次熱力管網;從換熱站到用戶的管網稱為二次熱力管網。集中供熱系統的流程圖如3.2所示:
圖3.2 集中供熱系統流程圖
該市集中供熱系統基本情況如下:(1)該集中供熱系統的熱源是熱水。
(2)用戶的散熱器種類包括地幅熱及暖氣片兩種。
(3)供熱面積為140萬平方米,包括86座換熱站。
(4)一次熱網管道的供回水壓力比較穩定,一般在0.8MPa,一次熱網管道的供水溫度受天氣及首站熱效率的影響一般在75~90℃之間波動;一次熱網管道的回水溫度受各換熱站換熱效率及用戶熱負荷的影響一般在35~45℃之間波動。
(5)二次熱網管道通過一次網電動調節閥的控制作用,根據末端散熱器種類的不同,地幅熱基本穩定在45℃;暖氣片穩定在55℃。
1.1 某小區換熱站本地控制系統
在該集中供熱系統的86座換熱站中,我們著重研究測試某一小區的換熱站系統。上文已經指出,換熱站系統的運行工況及效率直接關系到對用戶供熱的品質好壞,該小區總采暖面積為8.4萬平方米,總熱負荷為5265KW,換熱站主要設備包括2臺2633KW的板式換熱器;3臺37KW循環水泵,循環泵的流量為Q=300m³,揚程為H=31m;2臺1.5KW補水泵,補水泵流量為Q=6m³,揚程為H=55m;1臺變頻控制柜,該控制柜主要為換熱站各用電設備供電,并設計有循環泵變頻2控3定壓差自控系統及定壓補水變頻系統,本控制柜具有本地/遠程切換功能,當旋鈕投切到本地功能時,循環泵變頻器、補水泵變頻器及一次網電動調節閥執行本地PLC的控制邏輯,當旋鈕投切到遠程功能時就地PLC系統接收外部命令,并下發到相關變頻器及電動閥等執行設備,圖3.4、圖3.5、圖3.6分別為該小區就地PLC變頻控制的相關原理圖。本換熱站就地輔機設備還包括一臺不銹鋼水箱,體積為2000*2000*2000(mm);一臺全自動水處理器,處理量為6T/h。
圖3.3 該小區設備布置圖
換熱器根據介質的不同可以分為汽-水式換熱器,水-水式換熱器,根據換熱器傳熱的方式分為混合式換熱器及表面式換熱器,目前集中供熱系統的主流熱介質是高溫熱水,這也導致了水-水式換熱器的大量應用。常見的水-水式換熱器包括板式、管殼式、容積式、螺旋板式。不同的換熱器有著不盡相同的優缺點,例如板式換熱器的優點包括:傳熱系數較高、結構緊湊體積小、拆洗方便、材料利用率高;其缺點包括:因板片間距小而導致水質較差時容易結垢或沉積物造成堵塞,所以要配合軟水裝置配套使用,使用壽命容易受到密封墊片材質的影響。管殼式換熱器的優點包括:結構簡單、生產成本低、換熱流通面積較大,不易結垢且易于清洗;其缺點包括:傳熱系數較低,體積大,安裝較為復雜。容積式換熱器的優點包括:供水平穩、安全,易于清洗;其缺點是應用范圍較窄,一般應用于生活熱水系統。本文中所研究的換熱站所選用的換熱器為板式換熱器,圖3.3為該小區的設備布置圖。
圖3.4 該小區就地變頻柜循環泵控制回路圖
圖3.5 該小區就地變頻柜補水泵控制回路圖
圖3.5 該小區就地變頻柜PLC主機系統圖
圖3.6 該小區就地變頻柜PLC擴展模塊圖
1.2 某小區集中供熱換熱站智能監控系統
該小區換熱站的核心遠程監控設備為一臺遠程監控箱,該遠程監控箱由一套西門子smart200 PLC及其相應I/O擴展模塊組成。該遠程監控箱負責采集一次熱網管道的供回水溫度、供回水壓力,采集二次熱網管道的供回水溫度、供回水壓力,采集室外溫度傳感器的實時數值;采集循環泵、補水泵的工作狀態、報警信息、故障信息等。該小區集中供熱系統建于2010年并沿用至今,該小區換熱站的管理模式一直是人為操作二并非使用計算機自動控制系統,導致該小區二次熱網的水力失調現象嚴重,而且不能根據室外溫度的變化按需供暖,系統能耗數年維持在高位水平。2017年供暖季結束之后,我們開始對該小區的集中供熱系統進行自控升級,將計算機監控系統引入該換熱站,時刻監測熱網數據、結合室外溫度的變化及用戶的熱負荷變化進行有據調節,使供熱系統的運行與管理有法可依,減少人工操作的不合理性與能源的浪費,正真做到大負荷多供、小符合少供、無負荷不供。根據我們持續性的統計與計算,發現該小區單位面積用熱量平均值由2012年至2016年的0.388吉焦/㎡減低到0.321吉焦/㎡,以上數據說明該系統有很高的合理性,同時也說明了將計算機監控系統引入到集中供熱系統的必要性和迫切性。圖3.7為該小區遠程監控箱的控制界面。
該遠程監控箱的特點是:(1)通過TCP/IP協議與遠方控制平臺通信,上傳就地溫度、壓力變送器所采集的實時溫度、壓力值;
(1)上傳通過MODBUS協議通信獲得的就地熱量表、流量表的實時流量(熱量)、累積流量(熱量);
(2)上傳通過RS485接口采集到的變頻器頻率反饋;上傳循環泵、補水泵的接觸器障信號;
(3)上傳就地PLC系統的報警信號;
(4)采用就地/遠方模式,處于就地模式式,電動調節閥、繼電器、變頻器接受就地控制設備的控制邏輯;處于遠方模式下,下發上位監控平臺對于本地設備的操作指令。
圖3.7 該小區遠程監控箱的控制界面
1.3 該小區集中供熱系統熱力管網水力工況與熱力工況分析
對于集中供熱系統所供熱之品質的好壞,我們用整個供熱系統的流量及熱量的分布及其穩定性來作為評判標準。熱量以及流量的分布情況反映到實際工況中,其實指的就是管道內的熱力工況及水力工況。更詳細一步的解釋就是:整個集中供熱系統中熱量的分布情況反應的便是熱力工況;集中供熱系統中水流量的分布及管道壓力的情況反應的便是水力工況。在集中供熱系統中,熱力工況和水力工況是密不可分的,兩者互相影響。特別需要注意的是,水力工況的變化勢必會引起熱力工況的變化,因為熱水流量的改變,勢必會引起熱量的變化。因此,水力穩定是整個集中供熱系統運行穩定的基石,他關乎著整個系統的質量,也決定了用戶的最終體驗。1.3.1該小區集中供熱系統運行現狀
(1)隨機用戶室內溫度分布:根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB50736-2012),華陰市所在的嚴寒及寒冷地區主要房間應采用18℃-24℃的溫度進行采暖;夏熱冬冷地區主要房間應采用16℃~22℃;華陰供熱辦規定室內主要房間最低采暖溫度不得低于18℃±2℃。所以該小區對用戶供暖的設計溫度為20℃。我們在選取隨機用戶室內溫度的測量對象時,選取了位于二次熱網管道環路最末端的用戶群,并結合小區物業公司聽取的用戶反應,確定5幢1單元1908,1408為本次樣本采集點。圖3.8為2017年1月7日室外溫度、室內溫度的變化曲線。
圖3.8 2017年1月7日室外溫度、室內溫度的變化曲線。
從圖3.8中可以看出,1908室內的溫度基本穩定在20℃左右,符合本小區的供暖設計要求,也符合相關規定;同樣的可以看出,1408室的溫度僅僅在15℃~17℃附近徘徊,且測試時間為當天中午,室外氣溫最高的時間。這兩個測試對象位于同一單元內同一戶型不同樓層內,但是室內溫度的差別可以達到5℃以上,這說明本集中供暖系統很可能存在比較嚴重的冷熱不均現象,作為用戶,在繳納相同暖氣費的情況下,卻不能得到相同品質的供熱服務,某些用戶意見較大。根據物業反應的投訴及摸排情況,也能證實以上現象絕非孤例,這里由于篇幅的關系和入戶調查的困難性,就不一一列舉了。(2)系統水力穩定性分析
集中供熱系統的水力失調指的是在實際運行過程中,熱網管道的實際流量與設計流量有偏差,且偏差呈現不規律性,造成熱網管道內的流量及熱量分配不均,導致用戶末端的供熱情況出現偏差,且無法滿足用戶的正常采暖需求,一般會以近熱遠冷的情況出現。管網內的水力失調度我們一般用f表示,水力失調度f是管道內實際流量與管道內的設計流量的比值,即
(3-1)
對于整個集中供熱系統來說,我們根據f值的大小,可以判斷整個系統管網內的水力失調情況,f值較大時,我們認為集中供熱系統管網內的水力失調為一致失調;f值較小時,我們認為管網內的水力失調為不一致失調。而水力一致失調的情況下,又分為等比失調和不等比失調兩種情況。集中供熱系統管網水力一致失調是指在本熱網系統內所有的管段的水力失調度f全部都大于1,或所有管段的水力失調度f全部都小于1。而在集中供熱系統中不同的管段的水力失調度f呈現不規律狀況,有的管段大于1,有的管段小于1,我們則判斷此種情況為集中供熱系統管網水力不一致失調。而在同一二次網管道系統內,若f相等或相近,我們則稱此種情況為等比例失調,反之則為不等比失調。分析集中供熱系統管網工況的另外一個重要依據是水力穩定性,水力穩定性是指在同一集中供熱管網內不同管段使自身流量基本保持不變的狀態,水力穩定性我們一般用d表示,水力穩定性d是管道內設計流量與管道內實際波動最大流量的比值,即
(3-2)
由經驗可知,單一熱用戶的理論出現在集中供熱管網二次網同一管段內的其他用戶全部關閉閥門時,提高水力穩定性的解決辦法是:減少二次熱網管道內主管道的壓降,或增大用戶側散熱器末端連接管道的壓降,以上兩種辦法均可適當的增加集中供熱系統二次熱網管道內的水力穩定性。(3) 實驗數據分析:
為了測試本小區內的水力失調度和水力穩定性,我們根據管道特性及排布方法,結合物業摸排的反饋情況,調查取樣了1號樓1單元、3號樓1單元、9號樓2單元位于頂層的用戶,根據經驗預測,頂層用戶因為管道環路的特性,一般水力失調情況最為嚴重。我們連續7天,每天13:00同一時間記錄用戶管道內的流量,根據此記錄來分析本小區二次熱網管道的水力平衡度。表3.1、表3.2、表3.3即為本次的記錄數據。
表3.1 1號樓1單元頂層用戶的水力平衡度
測試時間/用戶 | 1104 | 1105 | 1106 |
2017.1.7 | 1.03 | 1.07 | 0.95 |
2017.1.8 | 1.04 | 0.95 | 0.96 |
2017.1.9 | 0.98 | 0.75 | 0.96 |
2017.1.10 | 0.78 | 0.75 | 1.01 |
2017.1.11 | 0.90 | 0.92 | 0.90 |
2017.1.12 | 0.86 | 0.96 | 0.85 |
2017.1.13 | 1.12 | 0.89 | 0.84 |
表3.2 3號樓1單元頂層用戶的水力平衡度
測試時間/用戶 | 1104 | 1105 | 1106 |
2017.1.7 | 1.06 | 0.76 | 0.95 |
2017.1.8 | 1.08 | 0.77 | 1.05 |
2017.1.9 | 0.85 | 0.99 | 2.08 |
2017.1.10 | 1.13 | 0.87 | 0.99 |
2017.1.11 | 1.08 | 0.78 | 0.99 |
2017.1.12 | 0.88 | 1.01 | 1.29 |
2017.1.13 | 1.42 | 0.92 | 1.44 |
表3.3 9號樓2單元頂層用戶的水力平衡度
測試時間/用戶 | 1104 | 1105 | 1106 |
2017.1.7 | 1.06 | 1.09 | 0.99 |
2017.1.8 | 0.78 | 0.98 | 1.02 |
2017.1.9 | 1.02 | 0.99 | 1.01 |
2017.1.10 | 0.68 | 1.01 | 0.92 |
2017.1.11 | 0.82 | 1.02 | 0.94 |
2017.1.12 | 0.89 | 0.89 | 0.89 |
2017.1.13 | 1.01 | 0.88 | 0.80 |
根據《采暖居住建筑節能檢驗標準》(JGJ132-2001)之規定:集中供熱系統二次熱網管道各個熱力入口處的水力平衡度應為0.9至1.2之間,根據上述數據的分析可知,該小區的熱網管道的水力失調度比例達到了30%以上,說明系統的水力平衡失調嚴重,在目前這種情況下運行,不僅整個系統的能效低,而且用戶的最終體驗較差,供熱品質較差。目前整個系統存在垂直失調和水平失調兩種情況,垂直失調根據樓層的高度失調度呈上升狀態;水平失調度呈現隨機狀態,有的用戶流量過多,有的用戶流量過少。在這種情況下,供熱最終呈現出冷熱不均,供熱不平衡的狀態,即有的用戶室內溫度不達標,有的用戶室內可能還需要開窗散熱。
1.3.2 該小區集中供熱系統的運行分析
該小區集中供熱系統能耗較高具體有以下幾方面原因:(1)熱源不穩定,根據計算機監控系統的歷史數據及換熱站值守人員抄錄的工作日志可以看出,一次熱網熱源的供水溫度在70℃~90℃之間來回波動;一次熱網的回水溫度在30℃~45℃之間波動,由于熱源的不穩定,導致二次網供熱的不穩定及換熱器效率的不穩定。二次網需要的熱量為Q,通過板換被加熱的水的流量為(kg/s);水的質量比熱為c(J/kg*℃);二次網供水溫度為;二網回水溫度為。
(3-3)
熱源傳遞給換熱器的熱量為;通過板換的一次網熱水流量為(kg/s);水的質量比熱為c(J/kg*℃);一次網供熱水溫度為;二網回水溫度為。
(3-4)
則換熱器的熱效率是:
(3-5)
聯立以上式3-3、3-4、3-5可得:
(3-6)
由式(3-6)可知:換熱器的換熱效率與一次熱網管道內的流量、供水溫度、回水溫度;二次熱網管道內的流量、供水溫度、回水溫度有不同的相關性。
(2)二次熱網管道內的水力失調嚴重,管網內的實際流量與設計流量不符。集中供熱系統如果存在嚴重水力失調的情況,會造成熱量分配的不均勻,終端用戶的用熱體驗也不舒適,并且會增大系統的能耗[42]。以一個供熱面積為500萬平方米的集中供熱系統為例,因水力失調造成的熱量損失可達64000KW,占整個集中供熱系統總供熱量的15%左右[43]。
集中供熱系統二次熱網管道內的流量和壓力有著密不可分的聯系,流量的大小會直接影響到管道內壓力的變化;管網內壓力的分布直接決定管道內水流的流動規律。當相同管段的管徑一致時,管道內的水流流速與流量是完全相關的,因此管道內的壓力分布就決定了管道內流量的分配。當管道內的流量根據壓力的分布從新分配之后,往往與最初的設計的設計流量會產生偏差,這種實際流量與熱網管道設計流量的偏差性被稱為水力失調,造成集中供熱系統熱網管道水力失調具有多種因素,主要可以歸納為以下三種原因:第一,集中供熱系統管網設計與施工的偏差,所有管網的設計只能靠經驗進行,但是往往在實際施工中會產生一定的偏差,造成實際管道狀況與設計不符;第二,集中供熱系統管網中的動力源(水泵、重力自流等)所提供的能量與設計不符,因為作為主要動力源的循環泵的流量、揚程在生產時所指定的數值是階梯形的,我們在選取循環泵的型號時,往往會在滿足設計指標的情況下,根據型號“取高不取低”,這就造成水泵性能曲線實際與設計的不符,最終導致管網中壓力與流量的偏差;第三,集中供熱系統熱網管道的流動阻力特性的改變,管道阻力特性:
(3-7)
影響集中供熱系統熱網管道流動阻力特性的因素包括管長L(m)與阻抗Si(kg/m)。從上述情況可以看出,該小區3號樓比9號樓的水力失調度大的原因包括距離換熱站更遠之外,3號樓的整體入住率也低于9號樓,整體入住率會影響阻抗,使得管網內的實際流量從新分配,最終導致水力失調度增大。所以入住率的大小也會影響到集中供熱系統的運行效果。(3)改造前該小區所有循環水泵都通過接觸器直接啟動,工頻運行,未能實現變頻調速變流量調節辦法。
采用變頻技術對水泵實行轉速控制,以適應用戶實際熱負荷對流量輸出的要求,實施節能是一種行之有效的方法。對集中供熱系統的水泵變頻改造工程表明對集中供熱系統水泵進行變頻節能改造,可以使系統節省大量的循環水泵電耗,并且對換熱機組的功率幾乎沒有影響,不會對換熱器、水泵產生不利影響,。對于集中供熱管道二次網系統水力失調較重、水泵配置過大以及用戶入住率較低的集中供熱系統,采用變頻技術還有以下優點:降低運行成本;延長設備的使用壽命;降低水泵及電機噪聲。
在傳統的供熱系統設計中, 是根據最遠、最不利用戶的資用壓差選擇系統的循環水泵,通常僅在熱源處設置循環水泵, 以克服熱源、熱網和熱用戶系統的阻力。然而在供熱系統的近戶端,則會形成過多的資用壓頭,近端用戶要通過調節各種流量閥門來消耗多余的資用壓頭。這樣的節流調節則會導致系統循無效電耗和水力失調現象,為了解決這個問題,可采用了變頻泵供熱系統。 隨著變頻技術在供熱系統的應用,出現了分布式變頻泵供熱系統。由于分布式變頻泵供熱系統的節能優勢被廣泛采用,特別是一些改造工程。分布式供熱則是在熱源處設置揚程較小的循環泵,然后在外網沿途設置多個加壓循環泵,采用“接力棒”的辦法,共同實現熱媒的輸送工作。熱源處設置的循環泵只承擔熱源內部的水循環,換熱站內的循環泵則承擔熱媒輸送和保證熱用戶必要的資用壓頭的功能,并通過變頻裝置實現變流量調節。這種方式基本上消除了無效電耗。
但分布式變頻泵供熱系統不一定總是節能的,系統背壓和壓差控制點的位置是影響其節能效果的主要因素。過大的系統背壓以及不適宜的壓差控制點均不能使分布式變頻泵供熱系統發揮節能優勢,甚至會變得不節能。