劉 鋼 賈書洪 王蓉暉

(1:空軍航空大學(xué)基礎(chǔ)部實(shí)驗(yàn)中心，長春 130000; 2:吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130118)

目前，無論是熱電廠余熱供暖還是鍋爐供暖，其熱水循環(huán)泵通常是工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，或是多個工頻泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，采用恒流量方式運(yùn)行．而泵的裝機(jī)功率設(shè)計(jì)通常是按照當(dāng)?shù)貧v史最冷天氣情況和供熱工程運(yùn)行壽命內(nèi)可能的最大熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際情況卻是在整個采暖季期間內(nèi)，大氣溫度在－38℃ ～10℃范圍內(nèi)變化，在采暖季的160多天中，能達(dá)到－20℃以下溫度的天數(shù)也就只有20天左右，其它絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)的大氣溫度都在－20℃ ～10℃．另外，多數(shù)換熱站的熱負(fù)荷也沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的額定值，而工頻恒流量運(yùn)行的供暖循環(huán)水系統(tǒng)在供暖期中的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都工作在供過于需的工況下，造成電能的大量浪費(fèi)．

目前，在國內(nèi)供熱采暖循環(huán)水節(jié)能方面的應(yīng)用主要是工頻恒流量，國內(nèi)在這一領(lǐng)域比較先進(jìn)的技術(shù)現(xiàn)狀是對供熱循環(huán)水泵進(jìn)行變頻改造，采用PLC的自動壓力控制，即應(yīng)用變頻器對循環(huán)出水的壓力進(jìn)行閉環(huán)PID控制，以維持壓力恒定，這一技術(shù)應(yīng)用比較適用于采暖用戶負(fù)荷變動較大，尤其是安裝了熱計(jì)量表的系統(tǒng)．冬季供暖節(jié)能調(diào)控方法及控制裝置，實(shí)現(xiàn)供暖循環(huán)水系統(tǒng)能較好的隨大氣溫度和熱負(fù)荷的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)在保證供暖效果的基礎(chǔ)上大幅度降低電能消耗的目的．

1 冬季供暖節(jié)能調(diào)控方法

1．1 供水溫度和回水溫度差結(jié)合大氣溫度調(diào)控［1－2］

大氣溫度是供熱采暖系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，它主要決定了供熱采暖系統(tǒng)的熱負(fù)荷的大小，基本規(guī)律是大氣溫度越低則系統(tǒng)的熱負(fù)荷就越大;而大氣溫度越高則系統(tǒng)的熱負(fù)荷就越?。┧疁囟葢?yīng)當(dāng)取決于熱負(fù)荷的大小，原則上熱負(fù)荷越大，則說明用戶對熱量需求越多，則供水溫度就應(yīng)該越高，反之就應(yīng)該越低．而回水溫度的運(yùn)行趨勢也相類似，所以，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)的調(diào)控算法模型如圖1所示，出水溫度調(diào)控主要由控制一次網(wǎng)進(jìn)水閥門的開度實(shí)現(xiàn)，而回溫度調(diào)控主要由改變循環(huán)水流量實(shí)現(xiàn)．

圖1 大氣溫度與供回水溫度關(guān)系曲線

1．2 出、回水壓差保障

循環(huán)水的作用是將熱量由換熱站輸送到用戶，熱負(fù)荷越大則需要的循環(huán)水流量也就越大，熱負(fù)荷越小則需要的循環(huán)水流量也就越小，因此，通過大氣溫度計(jì)算出水壓力對循環(huán)水的流量進(jìn)行相應(yīng)保障．技術(shù)實(shí)現(xiàn)的算法模型如圖2所示．

圖2 出、回水壓差與大氣溫度關(guān)系曲線

1．3 時(shí)間調(diào)控

冬季用戶的供熱采暖是有一定時(shí)效性，即在人們生活的活動時(shí)間應(yīng)相應(yīng)提高溫度的舒適度，而當(dāng)人們在休息時(shí)間內(nèi)也可以相應(yīng)適量降低，因此，可以在調(diào)控方法上進(jìn)行時(shí)間設(shè)計(jì)，對總體的控制進(jìn)行微量修正，具體實(shí)現(xiàn)是將24 h供熱周期可以分為多個時(shí)段，每個時(shí)段可人工設(shè)定增量或者減量的百分比，從而對前面設(shè)定的運(yùn)行調(diào)控目標(biāo)值(壓力、溫度)進(jìn)行微調(diào)［3］．

1．4 脈沖調(diào)控

在對應(yīng)冬初和冬末的大氣溫度比較高時(shí)，按系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行的頻率可能比較低．可能會出現(xiàn)循環(huán)水失調(diào)問題，針對這個問題的解決方法擬采用脈沖方式進(jìn)行調(diào)控(PWM)，脈沖方式的啟用是有先決條件的，即大氣溫度高于一個可人工設(shè)定的值，再就是脈沖的周期、脈沖寬度和脈沖的幅度，這3個參數(shù)是根據(jù)大氣溫度人工設(shè)定的．脈沖寬度調(diào)控方式與大氣溫度關(guān)系曲線圖如圖3所示．

圖3 脈沖寬度調(diào)控方式與大氣溫度關(guān)系曲線

2 “冬季供暖節(jié)能調(diào)控裝置”的硬件設(shè)計(jì)

節(jié)能控制器用于實(shí)現(xiàn)上述的各種控制算法，通過變頻器接口對變頻器進(jìn)行智能調(diào)控．

節(jié)能調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)的硬件平臺由C 8051 F 040單片機(jī)完成，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由I/O接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、CPU處理電路和通信接口電路組成節(jié)能調(diào)控控制器．在該節(jié)能調(diào)控控制器基礎(chǔ)上再外接變頻器就構(gòu)成了冬季采暖節(jié)能調(diào)控裝置［4］．

通信接口電路:通信接口電路采用RS－485標(biāo)準(zhǔn)，以方便與觸摸屏(HMI)或上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，接口協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Mod－Bus協(xié)議．電源電路采用帶有后備電池的多路隔離輸出電源，可以保證系統(tǒng)工作．

節(jié)能控制器的主要接口框圖如圖4所示，由溫度傳感器、壓力變送器分別采集管道出水和回水的溫度，與設(shè)定溫差控制量比較，采用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID結(jié)合PWM(脈沖寬度調(diào)控)算法．另外，要采集出、回水壓力進(jìn)行保障壓差不低于一定值．控制器輸出0～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流來控制變頻器工作，從而控制各水泵電機(jī)變頻工作，達(dá)到最佳節(jié)能效果．

圖4 節(jié)能控制器的主要接口框圖

3 結(jié)語

該系統(tǒng)是對供熱采暖循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多參量智能優(yōu)化調(diào)控的一個智能平臺，相對于簡單變頻或PLC控制提高了一個層次，它能實(shí)現(xiàn)多參量綜合優(yōu)化智能調(diào)控;并將大氣溫度、出回水溫度和時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行綜合分析優(yōu)化，從而得出近似理想的運(yùn)行模式．科學(xué)地調(diào)控循環(huán)水流量，與實(shí)際需求的熱負(fù)荷相匹配，并且隨著實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，該優(yōu)化運(yùn)行模式會越接近理想，效果會更好．

該系統(tǒng)具有算法模型先進(jìn)、技術(shù)實(shí)用、節(jié)電效果理想及綜合性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是供熱采暖節(jié)能降耗改造的理想技術(shù)設(shè)備，具有相當(dāng)廣闊的市場前景．應(yīng)用“冬季供暖節(jié)能調(diào)控方法及裝置”后，相對于原工頻方式，其節(jié)電率可達(dá)25%～35%，在我國北方大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用將能產(chǎn)生相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益．

［1］ Ying－ Shieh Kung and Chang － Ming Liaw．A Fuzzy Controller Improving a Linear Model Following Controller for Motor Drives［C］．IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS，1994，2(3):194 －202．

［2］ CHUEN CHZEN LEE．Fuzzy Logical in Control System:Fuzzy Logical Controller PartⅠ［C］．IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEM，MAN，CYBERNETICS，1990，20(2):404 －410．

［3］ Han － xiong Li and H．B Gatland．Conventional Fuzzy Control and Its Enhancement［C］．IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEM，MAN AND CYBERNETICS － PARTB:CYBERNETICS，1996，26(5):791 －797．

［4］ 李士勇．模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998:15－20．