热网节能控制系统的研究与设计.doc
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1、热网节能控制系统的研究与设计摘要本文以实验室热网装置的控制为基础,旨在对集中供热网的运行调节和控制方法进行研究,主要进行了以下几方面的工作:对国内外集中供热系统的运行调节和控制技术进行了概述,并从按需供热和均匀供热的角度进行了进一步阐述。然后针对我国集中供热网的特点和存在的问题采用了适合国情的基于温度的流量控制方法。系统地讨论了集中供热系统流量调节的PID控制策略,并针对集中供热网这种具有大滞后、大惯性、非线性、强耦合特性的系统。不完全微分PID控制器能够合理的分配各热力子站一次网侧的流量,使各用户二次网供回水平均温度趋于一致,进而实现全网内热量的合理分配,提高供热网的供热质量,达到了集中供热
2、的整体目标即稳定供热和均匀供热。关键词:集中供热网;按需供热;均匀供热;PID控制的原理和设计Network of Saving energy control system Research and DesignAbstractIn this paper, the network of the control device for laboratory based, for the purpose of the central heating nets operation adjustment and the control methods, focused on thefollowing a
3、spects: the work at home and abroad to central heating the operation of the system to adjust and control technology are reviewed, and heating and even as required from the point of view of the heating are further described. Then for our country of central heating nets characteristics and problems ar
4、e suitable for the temperature control method based on the flow rate. Systematically discusses the central heating system flow regulation PID control strategy, and in the light of the central heating nets that can delay, large inertia, nonlinear and strong coupling characteristics of the system. Not
5、 completely differential PID controller can reasonable distribution of the thermal son stood a nets side flow, make each user secondary nets supply and return water average temperature uniformity, and achieve the reasonable distribution of the heat in the entire network, improve the quality of heati
6、ng heating nets, to the integral goal of central heating supply system is stable and uniform heating heating. Key Words:District Heating Networks; On-demand heating; Evenly heating; PID control principle and design 目录摘要IAbstractII绪论11.1课题研究背景11.2集中供热系统总体控制的必要性21.3国内外集中供热网控制现状31.3.1国内外供热网控制的基本原理31.3.
7、2国内外集中供热网控制实现方式31.4计算机技术在集中供热领域的应用42 集中供热网工艺概述62.1集中供热系统的特性62.2集中供热系统控制的概述62.2.1按需供热72.2.2均匀供热83 集中供热系统控制的基本方法143.1热力站换热器的机理建模143.2 PID的原理和控制153.3模型的建立174 模型仿真及结果分析204.1模型的仿真204.2系统的仿真结果分析22结束语23致谢24参考文献25绪论目前集中供热已成为我国北方冬季供热的一种主要形式,与以往采用的分散供热相比,集中供热具有减少环境污染、节约能源等优点。因此,集中供热获得了越来越广泛的应用。随着供热网规模的增大,如何对集
8、中供热系统进行合理的调节和控制,使全网的运行状态最优、供热质量最好、成本最低,提高热网的经济和社会效益成为供热行业急需解决的问题,也是我国的供暖和控制专家一直在研究的课题。随着我国集中供热的发展,我国的供暖和控制科研人员研究提出了一系列的调节和控制手段,适合我国国情,取得了一定的成果,但同时还存在一些问题,需不断发展和研究。集中供热网由于存在非线性、时变性、大的时间滞后环节等因素,同时各热力子站之间的流量调节具有交互耦合性,管网的很多参数又是随着具体情况而改变的,因此很难建立精确的系统数学模型。这样就无法用传统的基于精确模型的控制系统理论进行控制。因此,要进行集中供热网的优化调度方法的研究,根
9、据集中供热网本身的特点,选择合适的优化调度方法,实现对供热网多变量对象的整体控制。从而实现对集中供热网整体的调节与控制,实现全网内热量的合理分配,提高供热网的供热质量,达到稳定供热和均衡供热,为人们创造良好的工作和生活环境。随着近年来节能、降耗及环保意识的增强,通讯技术与计算机技术的发展,以往采用的分散供热的方式已由联网集中供热取代,集中供热已成为我国北方冬季供热的一种主要形式,并且获得了越来越广泛的应用。实行集中供热是合理利用能源,提高能源利用率,减少环境污染,促进生产,改善人民生活,加速城市现代化建设的有效措施和重要途径。1.1课题研究背景在我国北方广大地区,冬季城市供热是人们普遍关心的问
10、题。随着社会的发展,节能、降耗、环保意识的增强,特别是工业自动化技术水平的提高,供热方式也在发生深刻的变化,供热正逐步由集中供热取代以往的分散供热方式,在减少城市环境污染、节约能源方面起到了重要作用。当前能源和环保问题越来越多地受到关注,能源节约、环境保护、经济可持续发展已成为我国的基本国策。取暖是寒冷地区生活的必要条件,所以供热行业成为了对国民经济发展有着全局性、先导性影响的基础产业,与人们的生活息息相关。目前,对城市供热的要求,已不仅仅在于规模的不断扩大,而且对供热系统的合理性、经济性,特别是供热系统的能源有效利用率及供热可靠性提出了更高的要求。集中供热这种供热模式逐渐为许多城市所接受。集
11、中供热是指以热水或蒸汽作为热媒,利用一个或多个热源通过供热管网、热交换站等,向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。集中供热是相对于分散小联片锅炉房供热而言的。集中供热之所以得到了迅速发展,是与其自身特点分不开的,集中供热与分散供热比较,有很多优势。首先:减少大气污染。用一个集中的热源热电厂或集中供热锅炉房,代替众多的分散的锅炉;用一个高烟囱代替数百个低矮的小烟囱,变面源排放为点源排放,大大的减少了环境污染。其次:大大节约能源。利用热电厂大容量、高效率的锅炉,代替小容量、低效率的锅炉,达到节约能源的目的。所以,城市集中供热是节能、环保的重要途径,是城市现代化的主要基础设施之一,也是
12、经济发展,改善人民群众物质生活的重要标志之一。1.2集中供热系统总体控制的必要性城市集中供热是指以热电厂或区域锅炉房为热源,经供热管道将热媒(水蒸汽或热水)输送给一个或几个区域的工业及民用热用户的热能供应方式。其主要任务是按照热用户的需要和要求,可靠地经济地把热能从热源输送给各个热用户和用热设备1。 集中供热系统是由热源,供热管网和热用户用热系统三个部分组成的。热源是指在区域锅炉房或热电厂内,利用燃料燃烧所产生的热能,加热供热系统热媒(水蒸汽或热水)的供热设备。供热管网是指将热源产生的热媒输送给各热用户的管路系统及其输送设备。热用户用热系统是指热用户内的采暖系统,生活用热水供应系统和生产用热系
13、统及其用热设备。供热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站汽水换热器形成高温热水由一次管网送至各热力站,高温热水再经热力站水水换热器形成供暖热水由二次管网送至用户。这样若干个热力站实行独立调节,则不能从整体上进行控制,将出现在热源不足的情况下产生各热力站“争食”现象,使热网末梢热力站无热可供,造成热用户水平失调及垂直失调,各供热小区冷热不均,供热质量难以保证,无法实现整个热网的优化与协调2。同时在热量充足的情况下可能出现超供浪费现象,也难以达到降低能耗、提高经济效益的目的。1.3国内外集中供热网控制现状集中供热网的运行调节和控制是一项跨学科的综合技术,是保证热力设备安全和经济运行的必要技术措施,对
14、提高供热网的整体运行质量意义十分重大。这一技术的研究与发展直接关系到城市居民居住环境质量,关系到城市建设的发展,体现着供热、控制领域的科研和应用水平。1.3.1国内外供热网控制的基本原理在集中供热网的运行和调节这一领域,北欧的一些国家发展较早,技术较为成熟,形成了他们的一套方法;同时随着我国集中供热的发展,我国的供暖和控制科研人员研究提出了一系列的调节和控制手段,又形成了另一套方法,比较适合我国的国情,取得了一定的成果。北欧国家采用的方案主要是基于流量调节4。即:一方面控制供热系统最不利环路的供回水压差不小于给定值,当供回水压差小于给定值时,启动供热系统中有关的增压泵,以维持要求的压差值,使供
15、热系统全网的循环流量达到设计要求;另一方面,供热量的调节(满足设计室温的要求),则是通过热源的集中调节和用户热入口(多为间接连接)的局部调节以及散热器处恒温调节器(即温控阀)的个别调节进行的。可见,北欧国家所采用的这种方案实际是四个环节的控制5,即室内的恒温控制,热入口的流量控制,热源的燃烧控制,在此基础上实现供热网的供回水压差控制。此外,俄罗斯受地理环境的影响6,发展供热系统较早,目前也比较完善,是世界上集中供热最发达的国家之一,在集中供热控制的实现中有很多经验值得借鉴。1.3.2国内外集中供热网控制实现方式一、城市集中供热管网的设计优化7-10 城市集中供热管网在设计过程中必须考虑以下方面
16、的优化设计问题:热负荷的类型及确定:集中供热系统的热负荷包括采暖、通风、热水供应和生产工艺等热负荷,必首先明确系统的热负荷类型并在此基础上反复计算和核定热负荷的大小。供热热指标的确定:热指标是供热工程中的一项重要参数,取值是否合理直接影响初投资和运行经济性。供热管网的布置方式:包括枝状管网、环状管网和网格状管网等布置方式,将直接影响供热管网的安全性和经济性。供热管网的敷设方式:包括架空敷设、地沟敷设和直埋敷设等方式,普遍认为在城市集中供热区域以采用直埋敷设最好。供热管道设计:包括管径、输水温度、管道热导率、埋深和保温层厚度等,这些参数是供热管道热损失的主要影响因素。供热管道的热补偿:包括自然补
17、偿器、波纹管补偿器、直埋管道补偿器等,在热力管网敷设过程中,补偿器是保证管道安全运行的重要部件。只有充分考虑到这些设计过程中的优化问题,才能节约工程投资、降低供热能耗、提高企业效益,才能实现供热可靠性和热网的安全运行。 二、供热系统的运行优化及控制策略研究 以实际供热系统为例,确定了计算最佳一级网设计负荷占系统设计热负荷的比例、燃气调峰锅炉的最佳启动温度及调峰运行时间的方法,为该类型供热系统的设计与运行提供了理论依据。秦绪忠,江亿11针对多热源及环形网的水力工况如何进行调度这一问题,提出可以通过在干管或环上的适当位置设置并调节阀门,调整各热源的匹配,达到运行工况最优,并针对不同的系统形式,提出
18、了优化调度的具体分析方法和基于优化调度的运行调节方法。Lianzhong,Li. 12针对某个HWDH系统建立了非线性动态模型。该动态模型包括一个锅炉,管网,散热器和建筑,共包含21个动态方程。作者设计了6个不同的混合控制策略,包括模糊策略(FL)和可编程逻辑控制,来控制系统中的燃料燃烧效率,热水流速或者热水温度。数值模拟结果表明,在应用回水温度和室内空气温度预测器的基础上,这些控制策略能够很好地控制空间温度,通过调整系统中的水速降低了水泵的消耗功率。模拟结果同时表明,上述混合控制策略能够使建筑物节能总计17%。1.4计算机技术在集中供热领域的应用计算机应用技术13是研究计算机技术应用于各领域
19、的理论、方法、技术和系统等,是计算机学科与其他学科相结合的边缘学科。计算机技术的应用分为数值计算和非数值应用两大领域。其中,非数值应用主要涉及信息系统、工厂自动化、办公自动化、专家系统、模式识别等领域。随着计算机科学技术的飞速发展,实现集中供热领域计算机技术的应用是提高供热领域热网运行管理水平的有效措施。本课题将计算机技术作为研究工具,通过编程技术实现了数值计算和智能预测。在课题的完成过程中,通过查阅大量的相关文献,总结了计算机技术在集中供热领域的几个典型应用: 一、热力参数的计算机自动监测 在集中供热系统中,供热管网的水力工况和热力工况最为重要,它们必须稳定运行在一定的参数范围内,才能保证整
20、个供热管网的正常运行。通常的供热系统,由于缺少遥测仪表,结果对于热网运行工况不明了,致使调节处于盲目状态。实现计算机自动监测,便可以全面、及时的测量供热系统的温度、压力、流量等参数。运行人员便可以在此基础上,对热网参数进行调节。 二、供热调节的计算机自动控制对于一个复杂的供热系统,特别是多热源、多泵站的供热系统,由于热源、泵的数量和运行方式的不同,对热网水力工况和热力工况等的影响也不同。因此,合理匹配热网的工况、保证按需供热,仅仅依靠系统投运前的一次性初调节是不行的,必须在系统的运行过程中,经常性的对热网进行均匀性调节。通常情况下,单纯的手工操作是无法达到这样的目的的,而计算机自动控制系统则可
21、随时测量热力站或热用户入口处的回水温度或供回水平均温度,通过电动调节阀实现温度调节,实现流量的均匀分配,消除冷热不均现象并保证按需供热。三、基于计算机技术的供热管网最佳运行参数预测 集中供热系统供热参数无论对于系统规划设计还是对于运行研究而言,都是极为重要的因素。所以,对参数的变化有一个事先的估计,是集中供热系统发展与运行研究的重要内容,是热力系统自动化领域中的一项重要内容。通过计算机软件开发技术,配置供热系统热特性识别和工况优化分析程序,根据前几天供热系统的实测供回水温度、循环流量和室外温度,预测当天的最佳供、回水温度和循环流量,进而对热网实行直接自动控制和运行指导。2 集中供热网工艺概述2
22、.1集中供热系统的特性集中供热网是复杂的分布式大系统,由于供热系统设备和建筑物都有很大的热惯性,介质的传输和散热器也有一定的滞后,这就使整个生产过程具有大惯性、大滞后的特性;由于复杂的气象条件和地理环境能够引起负荷的变化,使对象具有时变性;由于流量调节阀、散热器等设备具有非线性的特性,使得整个集中供热系统也是一个非线性的网络;再有热用户不是孤立存在的,各个热用户之间相互关联,使热网系统存在着强耦合性14。集中供热网的上述特性决定供热系统的调节是有条件的。热网的稳定性差,开大一个回路的阀门以加大其流量,就不可避免地改变了其它支路的流量;热网的可调性差,流量和温度不能实现准确调节,流量不可能过于频
23、繁调节,以免引起振荡,这就造成供热调节根本无法准确跟踪环境气象条件的变化,因此精确的控制几乎不可能。但是另一方面热力系统本身又是一个大的热容系统,环境、气象条件的急剧变化会被热力系统吸收,再加上人体的适应能力,热力系统又具有极强的自适应性和宽松的控制要求。2.2集中供热系统控制的概述本文主要讨论两级间连式供热网结构:热源产生高温热水经一次管网送至各热力站,高温热水再经过子站水一水换热器形成供热热水送至各个热用户。目前大部分热网采用的控制方式是各热力站依据二次网供回水平均温度制定控制计划来对其一次侧高温热水流量进行独立的闭环控制。当系统稳定性差,水力祸合强时,各热力站间水力、热力工况相互影响,难
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- 节能 控制系统 研究 设计

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