工业供暖过程中自动化热力均衡调节系统的应用

韩 健

（太原市热力集团有限责任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

热力失调是工业企业供暖系统应用过程中常见的问题。引起热力失调最主要的原因在于供热流体调节不当，不同供热管路内部流体流量不一致。因此，科学控制流量，保证流体均匀分布是解决热力失调的主要措施[1]。随着现代化科技的不断发展，将智能化控制系统应用于供热管路流体流量控制当中，对解决热力失调问题具有重要意义。

1 问题的提出

某工业企业内部供暖系统分为高区、低区，低区为1—10 层，高区为11—16 层。在供热期内，办公楼内不同房间温度严重失调，供暖调节人员为了保证办公区域温度，尽可能提高热力供应流量，导致建筑整体出现过热情况，造成能源损耗。研发楼共4 层，在同一时间点对研发楼不同楼层的楼道温度进行检测，4楼的温度比1 楼的温度高4.2 ℃，说明研发楼供热系统存在垂直热力失调的问题。因此，本文提出自动化热力均衡调节系统改造方案，通过对热力入口处回水温度、流量等数据进行监测，将数据反馈给控制系统，系统利用四通混水的方式对双管末端供热流量进行调节，对单管系统利用四通换向调节阀对流体进行换向调节，从而实现热力平衡供应。

2 自动化热力均衡调节系统设计

2.1 硬件系统设计

本次系统设计采用8051PLC 单片机作为核心控制器，该控制器具有8 个I/O 端口，ROM 为4 kB，RAM 为128 B，同时，具有模拟量/数字量输入和输出端口各4 路，能够满足供热系统阀门的智能调控需求。通讯模块采用RS485，能够与计算机进行连接。程序录制控制板选用C8051FMCU 调试适配器，温度检测装置采用PT1000 贴片式温度传感器，其测温范围在-50～300 ℃，精度为0.1 ℃，符合智能调控系统温度检测需求。压力传感器采用JC-1000h-HSM，压力测量范围为-0.1～60 MPa，精度为0.2 MPa，满足供水系统压力检测需求，电源模块采用24 V DC 电源，为PLC 提供电能，阀门为四通换向调节阀，硬件电路连接方式如图1 所示。

图1 自动化热力均衡调节系统硬件电路连接方式

2.2 系统算法及传输平台的设计

本次系统设计主要以能量平衡作为调控原理，采用PID 控制算法，该种控制算法下机构执行动作快、无惯性，但调节完成后会留有余差。通过积分调节积累的方式可以消除余差。当在PID 算法中输入信号产生偏差阶跃时，预先设定的比例环节进行调节，通过粗调对扰动影响进行抑制，然后，基于积分调节作用的积累再进行细调，消除余差。

数据传输平台采用无线传输模式，单片机通过RS485 通讯模块与SBM微型计算机连接，通过无线路由装置将采集到的数据信息传输至服务器，供热服务人员能够通过智能终端的Digi-SFT 软件对服务器进行访问，监测供热系统的数据信息和变化趋势。

2.3 软件系统的设计

自动化热力均衡调节系统软件逻辑设计形式为模块化设计，分别为数据采集模块、数据诊断、分析模块和数据传输执行模块等。整个软件逻辑程序设计如下：

1）系统启动后，控制中心首先对各部分进行初始化检测，如果信息反馈有误或无信息反馈，则报警。

2）完全打开四通换向调节阀，基于并联原理使流量均布，保证建筑的整体供暖需求。

3）通过温度传感器、压力传感器检测供水管温度、回水管温度、室外温度和管路压差，并采集阀门的开合度参数。

4）通过RS485 通讯模块将信息传输至计算机中，进入数据分析模块。

5）对采集数据坏点进行处理，舍弃发送延迟大的数据进行，提高计算结果准确性。在诊断完成后对数据进行分析，根据预先设定的室内平均温度计算出一段时间内供水/回水管路的温度及流量平均值，计算供热管路内部流量预测值，并将采集流量值与预测值进行对比计算，得出四通换向调节阀开合度调节参数。

6）将阀门调节参数传输至PLC 中对阀门进行调控，采集到的数值和阀门调节参数均通过无线网络平台传输至服务器中，以供监测管理。

3 自动化热力均衡调节系统的应用

3.1 应用效果分析

为了解决供热不均衡问题，该企业于2021 年7—8 月进行供热系统改造，将自动化热力均衡调节系统应用于办公楼和研发楼，自动化调控设备安装于回水管位置，共计3 套。为了保证运行的安全性，设备安装于回路旁通管道中。为了验证系统的有效性，在改造前后典型日（2021 年1 月12 日和2021 年12 月31 日，气象局发布的室外温度一致）分别在办公楼高/低区不同楼层和同一楼层选取2 间温度相差较大的房间（高区选1301 号和1509 号，低区选801 号和812 号）进行温度检测，并对研发楼的楼道温度进行检测，检测结果如图2、图3 和图4 所示。

图2 改造前后办公楼高区典型日两房间温度变化趋势

图3 改造前后办公楼低区典型日两房间温度变化趋势

图4 改造前后研发楼典型日楼层温度变化趋势

由图2、图3 可知，应用自动化热力均衡调节系统后，房间温度变化更为平稳，所有房间全天温度均在18 ℃以上，符合办公区域温度需求。从整体温度变化趋势来看，应用智能调控系统后，高区房间、低区房间的温差更小，温度变化更为平稳。其中，1301 号和1509 号房间平均温度为19.78 ℃、22.15 ℃，相差2.38℃。改造完成后，两个房间平均温差缩小至0.41 ℃，降低幅度为82.8%。801 号和812 号房间的温差由1.66℃降低至0.29 ℃，降低幅度为82.5%。由此可见，自动化热力均衡调节系统具有良好的热力调控水平，能够有效缓解热力失调问题，从而优化办公环境。

由图4 可知，在应用自动化热力均衡调节系统后，研发楼楼层温度变化更为缓和，最低温度有所提升，保证了温度的均衡性。在凌晨5：00，1 楼的温度由13.6 ℃提高至15.4 ℃，研发楼温度环境有了明显改善。1 楼与4 楼的最大温差由4.2 ℃降低至1.6 ℃，由此可见，自动化热力均衡调节系统能够有效解决垂直失调问题。

3.2 经济性分析

某工业企业供热办公楼高、低区分为两趟管路，分别用2 组30 kW 变频循环泵推动流体循环。研发楼与食堂为同一趟管路，利用18.5 kW 变频循环泵进行供热循环，循环泵为手动控制。该企业冬季供暖时间为138 d，其中，供暖初期为36 d，供暖中期为62 d，供暖末期为40 d。循环泵功率调整主要以供暖阶段为基准，对改造前后各循环泵的运行功率情况进行对比，如表1 所示。

表1 改造前后各循环泵运行功率情况对比 单位：kW

由表1 可知，改造后，循环泵运行功率大幅下降，供暖初期每小时可降低10 kW·h 电能，供暖中期每小时可降低12.5 kW·h 电能，供暖末期每小时可降低10 kW·h 电能，整个供暖期可降低36 840 kW·h 电能。按该企业所在区域工业用电价格0.72 元/（kW·h）计算，企业在整个供暖期可降低2.65 万元电能费用。

4 结论

1）对某工业企业供热系统问题进行分析，提出智能均匀供热调控系统方案，以解决热力失衡问题。

2）从硬件和软件的角度对智能均匀供热调控系统进行设计，并明确算法和逻辑执行程序。

3）某工业企业进行智能均匀供热调控系统改造后，办公楼、研发楼热力失衡问题得到有效解决。从经济方面来看，智能均匀供热调控系统的应用，降低了循环泵的运行功率，每年可节省2.65 万元电能费用。