一种集中供热换热站自动控制系统及其设计方法

1.本发明属于换热站控制系统技术领域，具体涉及一种集中供热换热站自动控制系统及其设计方法。


背景技术：

2.换热站是集中供热系统的枢纽和核心，是连接热源和热用户之间的桥梁和纽带。换热站控制系统的主要任务是根据热负荷的变化情况，及时调整换热站的运行状态，满足用户的用热需求，保证热用户的室内温度保持在一定范围内。
3.以往为了弥补因水力失调造成的供暖区域内出现局部过热、局部不热及热力垂直失调等一系列供暖质量问题，换热站通常采用“大流量小温差”运行方式，导致供热系统效率低、供热能耗高。目前换热站基本配备了自动控制系统，但大部分换热站仍然依赖运行人员的经验手动设定各项调节参数，当气候异常变化导致气温起伏多变时，供热量与热用户需求不匹配的现象仍然广泛存在。
4.因此，在保证热用户舒适性的前提下，对换热站运行进行科学合理的调节控制，可有效提高供热效率，降低供热系统能耗，减少能源浪费，具有极大地经济价值和社会效益。


技术实现要素：

5.本发明提出一种集中供热换热站自动控制系统，控制系统由热网一次侧循侧环系统、热网二次侧循环系统、数据采集处理模块和自动控制模块组成；其中，数据采集处理模块由气温流量转换单元、2个减法器组成；自动控制模块由减法器、加法器、切换开关和2个pid控制器组成。
6.所述的热网一次侧循环系统，热源提供的高温热水经由热网一次侧供水管路输送到换热站，热网一次侧供水管路上安装有电动调节阀，可改变热网一次侧供水管路中高温热水的流量；在换热站内，热网一次侧供水管路输送的高温热水进入到板式换热器内，在板式换热器内与热网二次侧的循环水进行热交换，冷却后的热网一次侧回水通过安装在热网一次侧回水管路上的一次侧循环水泵，经由热网一次侧回水管路返回到热源处。
7.所述的热网二次侧循环系统，热网二次侧循环水在板式换热器内吸收热量后，由板式换热器出口经热网二次侧供水管路将热量传送到热用户，在热网二次侧供水管路上安装有温度传感器和压力传感器，用于测量供水管路内循环水的温度和压力；冷却的回水通过安装在热网二次侧回水管路上的二次侧循环水泵，经由热网二次侧回水管路返回到板式换热器，在热网二次侧回水管路上安装有温度传感器和压力传感器，用于测量热网二次侧回水管路内循环水的温度和压力。
8.所述的数据采集处理模块，实时采集热网二次侧供水和回水的温度、压力信号以及通过连接互联网从天气预报中获取室外大气温度和风速信息；热网二次侧供水管路和回水管路上的温度传感器连接到第一减法器，得到二次侧供回水温差信号δt；热网二次侧供水管路和回水管路上的压力传感器连接到第二减法器，得到二次侧供回水压差信号δp；室
外大气温度和风速信息连接到气温流量转换单元，得到为满足热用户供热量所需的热网二次侧循环回路流量，作为换热站系统量调节控制的前馈回路的调节量；数据采集处理模块的输出out1、out2和out3分别连接到自动控制模块in1、in2和in3。
9.所述的自动控制模块，由数据采集模块输出的二次侧供回水温差信号δt与热网二次侧供回水温差设定值一起连接到第三减法器，得到自动控制反馈偏差信号error；由数据采集模块输出的二次侧供回水压差信号δp连接到切换开关，当二次侧供回水压差信号δp在正常值范围内时，切换开关的输出端out4与第一pid控制器的输入端相连，第一pid控制器的输出连接到变频器，变频器的输出与二次侧循环水泵相连，实现换热站系统的量调节控制；当二次侧供回水压差信号δp达到上限值或者下限值时，切换开关的输出端out5与第二pid控制器的输入端相连，第二pid控制器的输出连接到热网一次侧电动调节阀，实现换热站系统的质调节控制。
10.本发明提出的一种集中供热换热站自动控制系统的设计方法，实时采集天气预报中气象参数、流体压力、流体温度等模拟量参数，对这些实时采集的模拟量参数进行分析处理后，通过切换开关实现热网二次侧前馈-反馈量调节控制和反馈质调节控制的自动切换，通过pid控制器实现换热站的热网二次侧供回水恒温差自动控制，具体步骤包括：
11.(一)换热站系统的量调节控制
12.1.前馈控制
13.由于供热热源、供热管网以及建筑物都有很大的热惯性，气象参数和供水温度、供水流量等供热参数的变化对热用户室温的影响会有很长的滞后时间，为保证热用户室温的设计要求，在调节供热管网运行时，必须考虑预调节，即调节方案的改变相对于室内温度变化有一个合理的时间差，根据气象预报信息预测供热负荷，及时、合理地调整换热站运行工况，实现系统优化调度，减少热网滞后时间，保证供暖品质，达到节能环保的目的。
14.气象参数是整个集中供热系统设计和调节的依据，影响建筑物热负荷和供热系统运行调节策略的主要气象参数有室外大气温度和风速等，随着气象预测技术的不断发展，预报准确率稳步提高，基于互联网技术的气象预报信息服务日趋完善，采用天气预报中的风速信息对室外大气温度进行修正得到室外综合温度
15.tw＝35.74 0.6215
×
t-35.75
×v0.16
0.4275
×
t
×v0.16
ꢀꢀ
(1)
16.其中，tw为室外综合温度，单位℃；t为天气预报中的大气温度，单位℃；v为天气预报中的风力等级，单位m/s。
17.在稳定的条件下，换热站输送的供热量等于热用户的采暖热负荷
18.cg(t
g-th)＝qvv(t
n-tw)
ꢀꢀꢀ
(2)
19.其中，c为热水的比热容，单位j/(kg
·
℃)；g为热网二次侧循环流量，单位kg/s；tg为热网二次侧供水温度，单位℃；th为热网二次侧回水温度，单位℃；qv为建筑物采暖体积，单位w/m3·
℃；v为建筑物外表体积，单位m3；tn为冬季供热室内计算温度，单位℃。
20.在热网二次侧供回水恒温差工况下，即(t
g-th)保持不变，当室外综合温度tw改变时，要保持供热量与热负荷平衡，只需要调整热网二次侧循环流量g，即通过变频调节，改变二次侧循环水泵的流量调节的方法实现节能。
21.通过式(1)、式(2)可以得到气象参数与二次侧循环水泵流量的变化关系，天气预报中的室外大气温度和风速信息连接到数据采集处理模块，经气温流量转换单元转换后，
由数据采集处理模块输出端out1连接到自动控制模块in1，经过加法器，由自动控制模块输出端out6连接到变频器，作为二次侧循环水泵控制回路中的前馈控制，调节变频器的输出频率，进而改变热网二次侧的循环流量；通过天气预报中气象参数提前对热网二次侧调整，能有效降低因供热系统滞后性引起的热用户室内环境的舒适性。
22.2.反馈控制
23.当天气预报信息与实际气象参数不符时，通过前馈控制的粗调，热网二次侧供回水温度差发生变化，与供回水温度差设定值产生偏差error，偏差error经由切换开关连接到第一pid控制器的输入端，经过比例p、积分i、微分d运算后，第一pid控制器的输出经过加法器，由自动控制模块输出端out6连接到变频器，改变变频器的输出频率，进而对热网二次侧的循环流量进行调整，消除偏差error，最终使得热网二次侧供回水温差与设定值相等。
24.当热网一次侧工况改变或发生扰动时，热网一次侧供水温度发生变化，热网二次侧供水温度同样发生变化，进而导致热网二次侧供回水温差发生变化，热网二次侧供回水温差与设定值产生的偏差error经由切换开关进入到第一pid控制器，经过比例p、积分i、微分d运算后，第一pid控制器的输出经过加法器，由自动控制模块输出端out6连接到变频器，改变变频器的的输出频率，进而改变热网二次侧循环水泵的流量，调整稳定后，消除偏差error，热网二次侧供回水温差与设定值保持一致。
25.(二)换热站系统的质调节控制
26.在初寒期或者末寒期，当室外温度较高，热网二次侧循环流量较小，为保证不出现室内供暖系统热力失调的现象，热网二次侧供回水管路压差达到下限设定值时，二次侧循环水泵将保持一定转速不变，切换开关动作，换热站自动控制系统的调节对象由二次侧循环水泵改变为热网一次侧供水管路上的电动调节阀，换热站系统的自动控制由量调节转换为质调节，热网二次侧供回水管路温差测量值与热网二次侧供回水管路温差设定值的偏差error由切换开关输出端out5连接到第二pid控制器，经过比例p、积分i、微分d运算后，第二pid控制器的输出端连接到热网一次侧供水管路电动调节阀，减小热网一次侧电动调节阀开度，减少热网一次侧供水管路流量，进而降低热网二次侧供水温度，保证换热站输送的供热量与热用户的采暖热负荷的平衡。
27.在严寒期，当室外温度较低，二次侧循环水泵达到额定转速，热网二次侧供回水管路压差达到上限设定值，供回水温差实际测量值仍然低于设定值，换热站输送的供热量不能满足热用户的采暖热负荷，切换开关动作，换热站自动控制系统的调节对象由二次侧循环水泵改变为热网一次侧供水管路上的电动调节阀，换热站系统的自动控制由量调节转换为质调节，热网二次侧供回水管路温差测量值与热网二次侧供回水管路温差设定值的偏差error由切换开关输出端out5连接到第二pid控制器，经过比例p、积分i、微分d运算后，第二pid控制器的输出端连接到热网一次侧供水管路电动调节阀，增大热网一次侧电动调节阀开度，增大热网一次侧供水管路流量，进而提高热网二次侧供水温度，保证换热站输送的供热量与热用户的采暖热负荷的平衡。
28.本发明换热站自动控制系统采用前馈-反馈的控制方法保持供热量与供暖热负荷相匹配，保证热网的热力平衡，实现换热站经济可靠运行。由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：1.换热站系统采用供回水恒温差运行，采用变频循环水泵调节供热系统流量实现节能的目的；2.将天气预报信息作为前馈控制对换热站供热系统进行预调
节，提前对供热量进行调整，降低供热系统大惯性、大滞后对热用户舒适性的影响；3.采用反馈控制实现热网二次侧供回水定温差运行，提高供热效率，减少能源浪费；4.在极端天气情况下，为保证热用户的供暖品质，根据供回水压差的大小，将换热站自动控制系统由量调节控制模式切换为质调节控制模式，合理利用资源。
附图说明
29.图1为换热站控制系统结构示意图；
30.图2为数据采集处理模块局部示意图；
31.图3为自动控制模块局部示意图；
32.图4为换热站自动控制工作原理框图。
具体实施方式
33.本发明提出一种集中供热换热站自动控制系统，如图1所示，控制系统由热网一次侧循侧环系统、热网二次侧循环系统、数据采集处理模块和自动控制模块组成；其中，数据采集处理模块由气温流量转换单元、2个减法器组成；自动控制模块由减法器、加法器、切换开关和2个pid控制器组成。
34.所述的热网一次侧循环系统，热源提供的高温热水经由热网一次侧供水管路输送到换热站，热网一次侧供水管路上安装有电动调节阀，可改变热网一次侧供水管路中高温热水的流量；在换热站内，热网一次侧供水管路输送的高温热水进入到板式换热器内，在板式换热器内与热网二次侧的循环水进行热交换，冷却后的热网一次侧回水通过安装在热网一次侧回水管路上的一次侧循环水泵，经由热网一次侧回水管路返回到热源处。
35.所述的热网二次侧循环系统，热网二次侧循环水在板式换热器内吸收热量后，由板式换热器出口经热网二次侧供水管路将热量传送到热用户，在热网二次侧供水管路上安装有温度传感器和压力传感器，用于测量供水管路内循环水的温度和压力；冷却的回水通过安装在热网二次侧回水管路上的二次侧循环水泵，经由热网二次侧回水管路返回到板式换热器，在热网二次侧回水管路上安装有温度传感器和压力传感器，用于测量热网二次侧回水管路内循环水的温度和压力。
36.所述的数据采集处理模块，如图2所示，实时采集热网二次侧供水和回水的温度、压力信号以及通过连接互联网从天气预报中获取室外大气温度和风速信息；热网二次侧供水管路和回水管路上的温度传感器与第一减法器相连，第一减法器的输出端与数据采集处理模块输出端out1相连；热网二次侧供水管路和回水管路上的压力传感器与第二减法器相连，第二减法器的输出端与数据采集处理模块输出端out2相连。室外大气温度和风速信息与气温流量转换单元输入端相连，气温流量转换单元输出端与数据采集处理模块输出端out3相连。
37.所述的自动控制模块，如图3所示，数据采集模块输出端out1与自动控制模块输入端in1相连，数据采集模块out2与自动控制模块输入端in2相连，数据采集模块out3与自动控制模块输入端in3相连；自动控制模块输入端in1与热网二次侧供回水温差设定值一起连接到第三减法器；第三减法器的输出端与自动控制模块输入端in2一起连接到切换开关，切换开关的输出端out4与第一pid控制器的输入端相连，第一pid控制器的输出端与自动控制
模块输入端in3一起连接到加法器，加法器的输出端连接到自动控制模块的输出端out6，自动控制模块的输出端out6连接到变频器，变频器的输出与二次侧循环水泵相连；切换开关的输出端out5与第二pid控制器的输入端相连，第二pid控制器的输出端连接到自动控制模块的输出端out7；自动控制模块的输出端out7与一次测电动调节阀相连。
38.本发明提出的一种集中供热换热站自动控制系统的设计方法，如图4所示，实时采集天气预报中气象参数、流体压力、流体温度等模拟量参数，对这些实时采集的模拟量参数进行分析处理后，通过切换开关实现热网二次侧前馈-反馈控制量调节和反馈控制质调节的自动切换，通过pid控制器实现换热站的热网二次侧供回水恒温差自动控制，具体步骤包括：
39.(一)换热站系统的量调节
40.1.前馈控制
41.由于供热热源、供热管网以及建筑物都有很大的热惯性，气象参数和供水温度、供水流量等供热参数的变化对热用户室温的影响会有很长的滞后时间，为保证热用户室温的设计要求，在调节供热管网运行时，必须考虑预调节，即调节方案的改变相对于室内温度变化有一个合理的时间差，根据气象预报信息预测供热负荷，及时、合理地调整换热站运行工况，实现系统优化调度，减少热网滞后时间，保证供暖品质，达到节能环保的目的。
42.气象参数是整个集中供热系统设计和调节的依据，影响建筑物热负荷和供热系统运行调节策略的主要气象参数有室外大气温度和风速等，随着气象预测技术的不断发展，预报准确率稳步提高，基于互联网技术的气象预报信息服务日趋完善，采用天气预报中的风速信息对室外大气温度进行修正得到室外综合温度
43.tw＝35.74 0.6215
×
t-35.75
×v0.16
0.4275
×
t
×v0.16
ꢀꢀ
(1)
44.其中，tw为室外综合温度，单位℃；t为天气预报中的大气温度，单位℃；v为天气预报中的风力等级，单位m/s。
45.在稳定的条件下，换热站输送的供热量等于热用户的采暖热负荷
46.cg(t
g-th)＝qvv(t
n-tw)
ꢀꢀꢀ
(2)
47.其中，c为热水的比热容，单位j/(kg
·
℃)；g为热网二次侧循环流量，单位kg/s；tg为热网二次侧供水温度，单位℃；th为热网二次侧回水温度，单位℃；qv为建筑物采暖体积，单位w/m3·
℃；v为建筑物外表体积，单位m3；tn为冬季供热室内计算温度，单位℃。
20.在热网二次侧供回水恒温差工况下，即(t
g-th)保持不变，当室外综合温度tw改变时，要保持供热量与热负荷平衡，只需要调整热网二次侧循环流量g，即通过变频调节，改变二次侧循环水泵的流量调节的方法实现节能。
48.通过式(1)、式(2)可以得到气象参数与二次侧循环水泵流量的变化关系，天气预报中的室外大气温度和风速信息连接到数据采集处理模块，经气温流量转换单元转换后，由数据采集处理模块输出端out1连接到自动控制模块in1，经过加法器，由自动控制模块输出端out6连接到变频器，作为二次侧循环水泵控制回路中的前馈控制，调节变频器的输出频率，进而改变热网二次侧的循环流量；通过天气预报中气象参数提前对热网二次侧调整，能有效降低因供热系统滞后性引起的热用户室内环境的舒适性。
49.2.反馈控制
50.当天气预报信息与实际气象参数不符时，通过前馈控制的粗调，热网二次侧供回
水温度差发生变化，与供回水温度差设定值产生偏差error，偏差error连接到切换开关输入端，切换开关输出端out4连接到第一pid控制器的输入端，经过比例p、积分i、微分d运算后，第一pid控制器的输出经过加法器，由自动控制模块输出端out6连接到变频器，改变变频器的输出频率，进而对热网二次侧的循环流量进行调整，消除偏差error，最终使得热网二次侧供回水温差与设定值相等。
51.当热网一次侧工况改变或发生扰动时，热网一次侧供水温度发生变化，热网二次侧供水温度同样发生变化，进而导致热网二次侧供回水温差发生变化，热网二次侧供回水温差与设定值产生的偏差error连接到切换开关输入端，切换开关输出端out4连接到到第一pid控制器的输入端，经过比例p、积分i、微分d运算后，第一pid控制器的输出经过加法器，由自动控制模块输出端out6连接到变频器，改变变频器的的输出频率，进而改变热网二次侧循环水泵的流量，调整稳定后，消除偏差error，使得热网二次侧供回水温差与设定值保持相等。
52.(二)换热站系统的质调节控制
53.在供暖季内天气出现异常时，热网二次侧供回水压差达到的上下限值，通过调节二次侧循环水泵流量的量调节方式将不能满足热用户的供暖需求，为保证不出现供暖系统热力失调的问题，通过切换开关，将量调节控制回路切换到质调节控制回路，通过调节热网一次侧电动调节阀的开度，改变热网一次侧供回水流量，进而改变二次侧供水管路的流体温度，调整换热站输送给热用户的供热量。
54.在初寒期或者末寒期，当室外温度较高，热网二次侧循环流量较小，热网二次侧供回水管路压差达到下限设定值时，二次侧循环水泵将保持一定转速不变，切换开关动作，换热站系统的自动控制由量调节转换为质调节，热网二次侧供回水管路温差测量值与热网二次侧供回水管路温差设定值的偏差error连接到切换开关输入端，切换开关输出端out5连接到第二pid控制器，经过比例p、积分i、微分d运算后，第二pid控制器的输出端连接到热网一次侧供水管路电动调节阀，减小热网一次侧电动调节阀开度，降低热网二次侧供水温度，保证换热站输送的供热量与热用户的采暖热负荷的平衡。
55.在严寒期，当室外温度较低，二次侧循环水泵达到额定转速，热网二次侧供回水温差实际测量值仍然低于设定值，换热站输送的供热量不能满足热用户的采暖热负荷，热网二次侧供回水管路压差达到上限设定值，切换开关动作，换热器自动控制系统切换为质调节控制，热网二次侧供回水管路温差测量值与热网二次侧供回水管路温差设定值的偏差error连接到切换开关输入端，切换开关输出端out5连接到第二pid控制器，经过比例p、积分i、微分d运算后，第二pid控制器的输出端连接到热网一次侧供水管路电动调节阀，增大热网一次侧电动调节阀开度，提高热网二次侧供水温度，保证换热站输送的供热量与热用户的采暖热负荷的平衡。
56.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。