热力系统换热站生产工艺软件设计及仿真成.docx
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热力系统换热站生产工艺软件设计及仿真成
摘要
随着人类环保意识的增强，热电联产的集中供热方式将逐步取代中小型锅炉房。
换热站作为热源厂与用户之间的一个中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用
本文重点介绍了换热站的机构及原理，并且分析了换热站系统的结构、编程思想及换热站工艺流程。
通过对RSView32软件的了解和深入，对其功能及其在换热站系统中的应用进行设计。
系统通过可编程控制器（PLC）采集数据,将各参数变量控制在理想的范围内，利用通讯网路对其远程监控。
本次设计的系统能满足换热站自动控制及舒适节能等优点，适用性高，对节能、提高经济效益有重要意义。
关键词：
热力系统；换热站；生产流程；软件设计；RSView32
Abstract
Ashumanawarenessofenvironmentalprotection,centralheatingcogenerationmodewillgraduallyreplacethesmallandmediumsizedboilerroom.Astheheatsourceplantandheatexchangestation,amiddlelinkbetweenusers,thequalityofitsheattoimprovethequalityofthermalheatingnetworkcondition,playsanimportantroletoimprovethequalityofheat
Thispaperintroducestheheatexchangerstationinstitutionsandprinciple,andanalyzestheheatexchangerstationsystemstructure,programmingideasandheatexchangerstationprocessflow.
BasedontheunderstandingandfurtherRSView32software,anditsfunctionsinheatexchangerstationsystemanditsapplicationtocarryonthedesign.Systemthroughtheprogrammablecontroller（PLC）collectdata,eachparametervariablecontrolintheideal,withinthescopeoftheuseofitsremotemonitoringcommunicationsnetwork.Thedesignofthesystemcansatisfyheatexchangerstationautomaticcontrolandcomfortableenergy-saving,applicability,highinsavingenergy,improvingeconomicefficiencytohavetheimportantmeaning.
Keywords：
ThermalSystem;HeatTransferStation;ProductionProcess;SoftwareDesign;RSView32
第1章绪论
1.1集中供热的背景和国内外的发展趋势
集中供热是在十九世纪末期，伴随经济的发展和科学技术的进步，在集中供热技术的基础上发展起来的，它利用热水或蒸汽为热媒，由集中的热源向一个城市或较大区域供应热能。
集中供热不仅为城市提供稳定、可靠的热源，改善人民生活，而且与传统的分散供热相比，能节约能源和减少污染，具有明显的经济效益和社会效益。
集中供热方式始于1877年，当时在美国纽约，建立了第一个区域锅炉房向附近14家用户供热。
20世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂内汽轮机的排气，供给生产和生活用热，后逐渐成为现代化的热电厂1。
在上世纪中，特别是二次世界大战以后，西方一些发达国家的城镇集中供热事业得到迅速发展。
原苏联和东欧国家的集中供热事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主的发展政策。
莫斯科的集中供热系统是世界上规模最大的供热系统。
据1980年资料，市区内热网干线长达3000多km，向500多个工业企业和四万多座建筑供热，其城市集中供热普及率接近100%。
地处寒冷气候的北欧国家，如瑞典、丹麦、芬兰等国家，在第二次世界大战以后，集中供热事业发展迅速，城市集中供热普及率都较高。
据1982年资料瑞典首都斯德哥尔摩市，集中供热普及率为35%;丹麦的集中供热系统遍及全国城镇，向全国1/3以上的居民提供供热和热水供应服务。
二战后的德国因其在废墟中进行重建工作，为发展集中供热提供了有力的条件。
目前除柏林、汉堡、慕尼黑等城市已有规模较大的集中供热系统以外。
在鲁尔地区和莱茵河下游，还建立了连接几个城市的城际供热系统。
另外一些工业发达国家，如美、英、法等国家，早期以锅炉房供热来发展集中供热事业，锅炉房供热占较大比例1。
不过这些国家已非常重视发展热电联产的集中供热方式。
我国的城市集中供热真正起步是从50年代开始的。
党的十一届三中全会以后，特别是国务院1986年下发《关于加强城市集中供热管理工作的报告》，对我过的集中供热事业的发展起到极大的推动作用。
1992年全国有117个城市建设了集中供热措施，换热站监控系统开发与智能控制的研究供热面积达到21262万平方米，“三北”地区集中供热普及率达到1200131。
1993年国有158个城市建设了集中供热措施，供热面积达到了32832万平方米，“三北”地集中供热普及率达到18%。
到1996年底我国已有286个城市建设了城市集中供热统，供热面积达到73400万平方米，“三北”地区集中供热普及率达到260015。
尤其几年，随着国民经济的增长和生活水平的提高，越来越多的城市建设了集中供热系统虽然我国这些年来集中供热事业得到了迅速发展，但与国外相比，我国目前采暖统相当落后，即室温冷热不均，系统热效率低，不仅多耗成倍的能量，而且用户不能行调节室温。
当前采暖收费大多按面积计费，无助于用户的节能意识，以至于出现一不正常的现象。
如室温过高开窗，室温过低投诉。
使得设计人员及业主尽量加大供热量造成效率低、高能耗的重复浪费。
我国能源紧缺，而采暖用能又十分浪费。
据资料介绍我国住宅建筑采暖能耗为相近气候条件的发达国家的3倍左右。
目前采暖用能占全国品能源总消耗的9.6%，采暖能耗不仅造成资源的浪费，而且是大气污染的一个重要。
1.2换热站的现状和发展趋势
我国现行的换热站运行管理仍处于手工操作阶段，大部分依靠经验来进行温度调节，影响了集中供热优越性的充分发挥，无法对运行工况进行系统的分析判断;系统运行工况失调难以消除，造成用户冷热不均;供热参数未能在最佳工况下运行，供热量与需热t不匹配;运行数据不全，难以实现量化管理。
研究和建立热网分布式计算机监控系统，实现热网运行过程中的信息采集、信息集成、科学有效地控制和管理热网，为供热企业各级领导、管理和生产部门提供辅助决策和优化手段，己成为许多供热企业的迫切需求。
换热站的发展趋势大体有四个：
（1）供热系统为全自动系统。
（2）换热站设备安全可靠，不考虑备用设备，并且要实现机组化。
（3）具有可靠的系统运行信号传输系统，无需运行人员现场值班。
（4）节能效果明显，设备运行噪音低。
1.3本次论文设计的意义
集中供热因具有节约能源和改善城市环境等方面的积极作用，而日益成为城市公用事业的一个重要组成部分，是国家大力推广的节能和环保措施。
随着国民经济的飞速发展，环境保护和节约能源成为越来越重要的问题,我国的城市集中供热规模也不断扩大，科学的管理热力管网具有非常重大的经济和社会效益。
城市集中供热也成为城市尤其是北方城市供热的大势所趋，如何使整个集中供热系统处于一个良好的、高效的运行状态，成为供热控制系统所必须解决的问题。
换热站是连接供热站和用户极为重要的环节，在在集中供热热力系统中起着举足轻重的位置，不仅其工作的安全性、可靠性直接影响锅炉的安全性及供热质量，提高其工作效能的还具有十分重大的节能意义，目前换热站大都采用人工监控，一方面浪费人力；另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现，易造成设备事故。
同时各换热站都独立运行，难以达到供热系统整体最佳状态，易造成热力失衡，影响供热效果而造成能源的极大浪费。
利用先进的工业自控技术、计算机技术、通讯技术构成的换热站及远程监控管理系统，对热力系统实施更科学、更规范的监控管理，提高中央调度室的监控能力，具有非常巨大的经济和社会效益。
1.4设计的要求
通过设计换热站系统对换热站各参数变量进行监控，了解热力系统换热站工艺流程及各结构的作用。
学习简单的RSView的编程，并对换热站系统进行仿真。
第2章换热站结构及原理
2.1换热站的简介
2.1.1换热站的简介
换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节，在整个供暖系统中具有举足轻重的作用。
换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备、仪表和控制设备的机房。
它用于调整和保持热媒参数（压力、温度和流量），使供热、用热达到安全经济运行，是热量交换、热量分配以及系统监控、调节的枢纽。
换热站一般由汽水换热器组成的换热系统、循环水泵组成的循环水系统、补水泵组成的补水系统来构成。
在控制过程中，需要采集大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数2。
需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。
换热站的自动控制，即实现整个进汽和供水过程的全自动控制。
2.1.2换热站的构成
通常换热站内部设备可分为两大部分，即采暖系统和民用生活热水系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。
今后随着人民生活水平的提高在换热站内应增加生活热水系统，来提高集中供暖的效益。
换热站的主要设备有:
离心水泵、水一水（汽一水）换热器、热水储水箱、过滤器、补水箱、调节阀门、热媒参数调节和检测仪表、防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。
换热站内还安装有热量表以及调节供热量的自动调节装置。
2.1.3换热站与热用户的连接方式
在换热站中，局部采暖系统与热网的连接可以分为:
直接连接方式，间接连接方式。
所谓直接连接，是指热网的循环水直接进入用户内部的散热器。
所谓间接连接是指热网循环水与热用户内部采暖系统循环水相互隔绝，而其间只限于热量交换的连接形式。
从运行的角度来分析，直接连接系统的水力工况和热力工况受到热网运行工况的影响，故又称为局部系统与热力网的关联式连接。
间接连接系统的水力工况不受热网运行工况的影响，故又称为局部系统与供热网的非关联式连接。
当集中供暖系统一次管网的压力和温度比较高的时候，换热站内的采暖系统应采用间接连接系统，使一次系统和二次系统的水力工况分开，彼此不受影响。
根据经验供暖系统大多采用间接连接，因为一次系统的失水量小，可以保证一次系统有良好的水力工况，也便于查找二次系统失水的地点，必要时也便于把失水量大的二次系统切开。
为了减轻热源厂的补水压力，采用间接连接后还可在换热站内安装补水设施以补充二次系统的失水，维持系统水力工况的稳定。
根据以上分析，可以看出从热网和局部系统考虑，换热站间接连接的优点可概括为两个方面。
对热网而言，水质污染的影响较小，并且可改变热网内的流量和水温，热网可采用较高温度的热介质，故可缩小热网的管径和降低输送热介质的费用9。
由于高温水会在喷射器内汽化并产生噪声，因此在高温水供热系统中不宜采用直接连接型式;对局部系统而言，压力工况不受热网压力工况的影响，由于局部系统内具有独立的水循环系统，提高了供暖系统的可靠性和缩短了排除故障的时间，重要建筑物（如博物馆、档案室、建筑纪念物）的采暖系统，通常采用间接连接型式，采暖系统与热网是隔离的，保证了采暖系统不被热网破坏。
同时也应当指出间接连接型式也有一些缺点:
与直接连接型式相比，间接连接型式的换热站结构复杂，除换热装置外，局部系统还需配备循环水泵、定压装置和补给水装置等，设备费用高10。
对于用户与热网的直接连接方式，不论是从调节方式上还是从对热网水的利用角度来看任一因素发生变化都会影响热网和用户的运行，从而使整个采暖期不易达到在可靠、合理、节能的情况下运行，特别是当热网压力、温度较高时，问题更为严重。
因此，在大规模民用供暖区域中，各采暖用户与热网宜采用间接式连接。
目前，我国大多数换热站普遍采用间接连接方式，其优越性已日益被更多的人所认识。
2.2换热站的结构及原理
2.2.1换热站结构图及工作原理
图2一1换热站结构图
换热站的工作原理为热源提供的蒸汽在换热器中与循环水相混合，加热循环水并经供水管道输送到用户，再把用过的热水经回水管道通过循环水泵回收到换热器中加热循环使用，利用供、回水温差产生的热量给用户供暖。
由于原换热站几乎无任何调节控制设备，完全凭操作人员经验进行手动调节，这样调节存在很强的主观性和不确定性，往往会造成大量的能源浪费。
为此，我们对其进行结构改造，增加用以调节控制的设备，使换热站运行调节更科学、更合理，在保证热用户的需求前提下，最大限度的节约能源。
图2一2就是改造后换热站的结构图3。
图2一2改造后换热站的结构图
改造后结构采用的调节方式是一次侧采用量调节方式，二次侧采用分阶段改变流量的质调节方式，并且采用变频调速技术调节补水泵对系统进行补水定压，本系统的控制部分采用PLC可编程控制器来进行计算及控制各传感元件和执行器，实现对换热站的自动调节。
该改造方案主要是结合换热站的实际情况，通过对环境温度、二次供水温度及压力的监测，实现对一次侧的供汽量和二次循环水供水温度、流量的自动调节以适应热用户的实际需求，同时，对二次管网系统进行自动补水定压以维持管网的稳定性。
2.2.2换热站运行的调节控制方式
改造后的换热站的改进之处在于由原来的毫无温度流量调节控制装置变得可以根据实际工况对温度流量进行调节控制由原来的连续工频补水变成变频调速补水定压。
这样就可以避免不必要的浪费。
1.温度的调节控制
换热站系统对温度的调节控制就是要保证二次侧有一个恒定的预设定供水温度，控制元件是换热器一次侧的电动调节阀，该阀门控制换热器的一次供汽量。
将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。
当换热器的二次供水温度偏离设定值时，控制调节系统就自动调整执行器的动作，即改变电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒的流量，改变传送到换热器的热能，使二次的供水温度稳定在设定值附近。
2.循环水量的调节控制
由于供暖系统供暖的热负荷是随着室外温度等因素的变化而不断的变化，当室外温度偏高时，供暖热负荷就应偏低，如果还按着设计热负荷进行供暖就会造成不必要的浪费。
针对上面出现不必要浪费的情况，对换热站二次侧采用分阶段改变流量的质调节方式。
把室外温度分成二个阶段，当室外温度高于某个设定值时，循环水泵工频运行;当室外温度低于设定值时，循环水泵将以0.75工频运行，此时，系统的循环水量也就相应的减小。
分阶段改变流量的质调节方式的控制原理如图2一3所示。
调节器变频器循环水泵。
图2一3分阶段改变流量的质调节方式的控制原理图
3.补水定压方式的改进
换热站供暖系统中水循环系统与供水系统一样需要维持管网压力恒定。
供暖系统中的水加热后经循环泵加压送到用户，再回来加热补充热损失。
理想情况下，没有水损耗，但由于人为因素以及管网不可避免存在跑、冒、滴、漏现象，导致水压不稳定，所以需要采取措施来维持水压恒定。
供暖系统的常见定压方式有以下几种:
（1）.膨胀水箱定压;
（2）.定压罐定压;
（3）.间歇补水定压;
（4）.连续补水定压;
（5）.变频调速补水定压。
用膨胀水箱定压易加重系统腐蚀，而且膨胀水箱必须安装在系统最高处，往往很不方便;定压罐体积大，占地大，每隔一段时间充一次气，且充气工作很繁琐;间歇补水定压比较节能，但系统压力波动大，运行不稳定;连续补水定压和变频调速技术补水定压效果都比较好，但利用变频调速技术进行补水定压比连续补水定压在电能消耗上少得多。
相比较而言，供暖系统的定压宜采用变频调速技术定压。
图2一4是利用变频调速技术进行补水定压的结构图，它是通过安装在系统管道上的压力传感器去检测压力信号P，并把此信号传送给调节器与设定的固定压力信号P0相比较，比较的结果作为调节参量送给变频器以调节变频器输出电压的频率，变频器再将频率输出信号传给补水泵，进而改变补水泵转速调节补水量，以维持系统压力的恒定。
由于补水泵转速n与被检测压力P都与电源频率f成正比，当PP0时，通过变频器来调节电源频率f使其减少，补水泵转速n就会减慢，P就会减少直至P0附近。
这样，无论P初始值是多少，最终总会维持在P0左右。
还有一种特殊情况，当系统压力高于设定的压力上限值时，系统会自动报警并开启阀门泄水，直至压力恢复到正常值，阀门又自动关闭，停止泄水，这样系统运行起来就更安全了。
图2一4利用变频调速技术进行补水定压的结构图
图2一5为水泵变频调节控制程序流程图
2.2.3换热站的节能分析
换热站可节省大量电能，主要在于换热站中对水泵应用了变频调速技术。
水泵的流量与转速成正比;水泵的扬程与转速的平方成正比;水泵的轴功率与转速的立方成正比。
图2一6反映了水泵的流量、扬程和轴功率与转速之间的关
图2一6水泵流量、扬程和轴功率与转速关系图
这样，利用变频调速技术对水泵进行调速就可节省大量的电能，当水泵转速为原来的80%时，水泵耗电量就为原来的51.2%;当水泵转速为原来的50%时，水泵耗电量仅为原来的12.5%。
可见，利用变频调速技术对水泵进行调速节能的效果非常明显。
2.3换热站各部分结构及用处
换热站由换热器、流量计、水泵、进汽阀、减压阀、自动排汽阀、止回阀、温度表、压力表等组成，下面就来逐一介绍它们在换热站中所起的作用。
2.3.1换热器
换热器是换热站结构中一个最为重要的部分，它是连接一次管网和二次管网的中间环节，它的主要功能是将一次管网的蒸汽和循环水混合，加热循环水送至用户。
换热器种类多式多样，换热器按照热传递原理可以分为以下几种主要的形式:
（1）.直接接触式换热器:
利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。
这类换热器具有传热效率高、单位体积的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，缺点是仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。
（2）.蓄热式换热器:
借助于由固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。
这类换热器具有结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面积大的优点。
适合用于汽一汽热交换的场合。
（3）.间壁式换热器:
利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。
间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器。
（4）.中间载热体式换热器:
把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。
工业应用中，最为常见的是管壳式换热器、板式换热器以及其它的各种紧凑高效的新型换热器，下面对其进行简要的介绍4。
①.管壳式换热器:
虽然各式各样的换热器使人们选择的范围越来越大，但是由于管壳式换热器具有结构坚固、易于制造、生产成本低、弹性大、适应性强、耐高温高压、材料选用范围广等优点，其在化工生产中仍占据主要地位，在高温高压或有腐蚀性介质的作业中更能显示其优势，是目前使用最广泛的换热器。
管壳式换热器由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成。
管壳式换热器又可以做如下划分:
固定管板式换热器。
固定管板式换热器集中了管壳式换热器的优点，因此应用相当广泛。
主要适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高以及壳程结垢不严重或能用化学品清洗的场合。
②.浮头式换热器:
浮头式换热器适用于管壳壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。
但其缺点是结构复杂、笨重，造价比固定管板式高20%左右，材料消耗量大。
管式换热器。
适用于高温高压的情况，对于壳程需要经常清洗的管束，则要求采用正方形排列。
一般情况下按三角形排列。
填料函式换热器。
用于腐蚀严重，温差较大的场合，但是壳程压力不能过高，也不适合用于壳程内为易挥发、易燃、易爆和有毒介质的场合。
管壳式换热器也有它的不足之处，最主要的就是体积太过庞大，占地面积大，对土建造价影响也比较大，但管壳式换热器换热量大，特别适用于大型工艺系统。
③.板式换热器:
板式换热器是将用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片进行叠装，然后用夹板、螺栓紧固而成的一种新型高效换热器，现在正被越来越多的行业所采用。
它具有以下几个方面的特点:
总传热效率高。
板式换热器的总传热系数K一般为2000一500ow/（mZ一K），高的可达6000一s000w/（mZ一K），比管壳式换热器（K一1500一Zsoowz（mZ一K））高几倍。
在相同的压力损失下，板式换热器传递的热量为管壳式换热器的6一7倍。
结构紧凑、占地面积小。
板式换热器的高效传热，决定了它结构紧凑体积小的特点。
其板片间距一般为4mm，而板片表面的波纹又大大增加了有效换热面积。
板式换热器每单位体积内可以布置25om的传热面积。
每平方米换热面积只消耗金属16kg左右，占地仅为管壳换热器的十分之一至五分之一。
热损失小。
由于只有板片间的密封垫周边暴露在大气中，所以其热损失极小，一般为1%左右，无需采取保温措施。
在换热面积相同的条件下，板式换热器散热损失仅为管壳式换热器的五分之一，而重量则不到管壳式换热器的一半。
传热温差小。
由于板式换热器具有高值的传热系数及剧烈的湍流特点，可使热交换器在两种流体温度十分接近的情况下运行，两种介质的平均对数温差可以低至1℃。
操作灵活、适应性强。
可通过增减板片的方法调整传热面积以适应负荷变化。
然而，应该认识到，由于板式换热器两片间流道截面积狭窄，难以实现大流量运行，同时它对水质要求较高，结垢与污物堵塞后换热能力下降较快。
其制作材料也较昂贵。
因此在大型系统中不宜采用。
而且相对于科技发达国家来说，我国产品在板型制造工艺上和耐温耐压方面仍存在着一定的局限性。
④.折流杆换热器:
在折流杆换热器内，壳程流体以轴向流动为主，因此降低了壳侧压降。
与折流板换热器相比，折流杆换热器具有更高的壳程单位压降与总传热系数的传热特性比。
同时，由于在折流杆换热器内不存在严重的滞留区域，因而效益高，且具有不易结垢的优点。
⑤.螺旋板式换热器:
螺旋板式换热器是由两块平行的钢板卷制而成，两钢板同时绕成螺旋形状形成两个同心通道，冷热流体在两个通道中作逆流或错流流动，进行热量交换。
由于螺旋板式换热器为等截面单通道，因此不存在流动死区，定距柱及螺旋通道对流动的扰动降低了流体的临界雷诺数，使换热器的传热能力很高。
螺旋板式换热器还具有自洁能力强、不易堵塞、散热损失小、传热温差小、结构紧凑、成本较低等优点。
近年来成为工业中比较常见的换热设备。
⑥.热管换热器:
热管是一种新型高效的传热元件。
热管换热器最初是在航空航天技术中使用。
随着技术的成熟，应用领域正在逐渐扩大，现在已经应用于化工、石油、冶金等行业。
常见的热管换热器有汽一汽热管换热器、热管蒸汽发生器、高温热管等。
⑦.板壳式换热器:
又称“膜式”或“薄片式”换热器，是一类介于管壳式和板式换热器之间的新型换热器，兼具两种换热器的优点，传热效率高、承压耐热、耐腐蚀、密封性能好、结构紧凑、成本低。
板壳式换热器最早由瑞典40年代起开发。
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