變頻器及PLC在熱力站控制中的應用
在城市集中供熱系統中，熱力站作為熱網系統面對系統熱用戶最后一級調節單元，熱力站的控制效果直接決定熱用戶的采暖效果。太原市熱力公司所轄城市熱網包含400余座熱力站，供熱面積覆蓋太原市總采暖面積的60%，所有熱力站均采用間連型熱力換熱站。在間連熱網熱力站中，二次網供回水壓力、溫度及流量均是影響供熱效果的重要因素，而二次網各供參數的調節主要是依靠對二次網循環泵及補水泵的控制。傳統的熱力站控制中，循環泵與補水泵一般都采用工頻泵，系統在設計選型時已經決定了系統二次網的主要參數，但是相對的，系統的適應性、擴展性及各參數的精確調整均受到極大限制。太原熱力公司自99年起，開始逐步對太原集中供熱熱網的各個熱力站進行自動控制化改造。對于原有的熱力站，統一增加自控儀表、PLC及變頻設備；對于新建的熱力站，在設計時即在工藝系統基礎上引入自控設備。自控系統輔助將熱力站的控制精確化，結合熱網中控室全網平衡系統及通訊網絡系統，進行全網均勻調節，達到較好的控制效果。
本文著重介紹自控系統及變頻器在熱力站控制中的應用。間連型熱力站自控系統按設備類型分，可分為：溫度、壓力變送器，流量計，電動調節閥，循環泵及補水泵；按控制回路分，則可分為：一次網流量控制回路、二次網循環控制回路、二次網定壓回路。在熱力站自控系統中，一次網流量控制回路主要通過調節一次回水調節閥來實現。二次網的調節回路則是通過調節二次網循環泵及補水泵轉速來實現。一次網的控制指令主要由熱網調度中心根據全網平衡算法下發，而二次網循環泵及補水泵變頻器轉速則由站內PLC系統依據各熱力站所帶熱網的實際情況計算得出。熱力站自控系統結構如下圖。
三、系統控制思想在集中供熱工程中由于各用戶的建筑面積、暖氣片性能及房屋保溫質量各不相同，很難確定一組典型的室內溫度作為直接被控量，而供、回水的平均溫度從整體上反映了各用戶暖氣片的平均溫度，因此一般的供熱系統都是根據室外環境溫度及不同的供熱時段來控制供、回水平均溫度的方法來間接控制用戶室溫。
在太原各熱網控制中，由于在進行熱力站自控改造的同時，對熱網調度系統也進行了調整。目前太原各個熱力分公司熱網調度中心都加設了全網平衡系統，調度中心通過與個熱力站進行通訊，獲取熱網數據，并根據室外溫度情況對全網熱力站的供熱效果進行均勻調整。
各熱力站從控制中心獲取對應的二次網供回水平均溫度，站內系統將獨立控制回路分為二次網供回水平均溫度控制回路和一次網流量控制回路，根據平均溫度的偏差確定一次網流量的設定值，然后調節閥門開度使流量達到設定值。系統根據二次網供、回水平均溫度的溫差，通過變頻器自動調節循環泵的轉速，實現對系統總流量和溫度的調節。使循環水泵按照實際負荷輸出功率，減少不必要的電能損失，實現小流量大溫差的運行模式。通過此舉，可以及時地把流量、揚程調整到需要的數值上，消除多余的電能消耗，從而達到良好的節能效果。通常熱力系統會設計兩臺變頻泵，這不僅是為了系統備用，也是為了防止系統超調。如果負荷不夠，則泵的轉速加大，達到100％時還不滿足要求，則啟動第二臺泵。同時系統還可以根據運行時間自動切換各循環泵，也提供低水壓保護和連鎖功能。供、回水壓力是熱網安全運行的重要參數。供水壓力過高可能造成熱水管道及用戶暖氣片的破裂；供、回水壓力過低，使得部分熱用戶無法的到足夠熱量。恒壓控制的最佳方案是對補水泵進行變頻調速控制，但考慮此處對壓力的穩定性要求并不高，只要壓力不超出某一范圍即可，所以也可以采用開關補水控制方案。
四、熱力站控制系統的實現
熱力站的一次網回路控制，主要是熱負荷控制。通過控制調節一次網回路上的電動調節閥，來調節流過熱力站的一次熱水的流量。在全網控制系統中，全網控制中心根據目前室外溫度情況，參考熱源的運行情況及各熱力站反饋的二次網運行數據，計算出各熱力站一次網控制閥門的開度指令或二次網目標控制溫度。熱力站系統根據全網控制中心下發的指令，調節一次網流量調節閥，從而實現全熱網的熱資源均勻分配。一次網回路控制中主要的參考對象為熱力站一、二次網供回水溫度；一網控制的對象為一次網調節閥；控制目的為提供熱力站必須的供暖熱量。
2、二次網循環泵控制：熱力站系統二次網循環泵是通過變頻器來調速。傳統熱力站系統循環泵通常采用工頻泵，循環泵選定后，熱力站二次網的流量無法進行調整，從而造成熱力站系統無法根據室外溫度及實際供熱需求來調整，造成熱力及電力資源的浪費。而且大，熱力系統自控改造中，對15KW以上的循環泵普遍使用變頻控制。一般的循環泵均采用壓差控制方式，即循環泵的轉速受二次網供回水壓差調整。壓差控制的方式可以通過調節循環泵轉速，調節二網流量以滿足供熱需求，從而減少浪費。在熱力站循環泵控制中，我們采用供回水溫差結合供回水壓差控制的方式。熱力站控制系統根據各系統的實際情況，設定一個供回水壓差目標值。設定此供回水壓差值以滿足二次管網的供暖水循環。在此基礎上，熱力站PLC系統通過測量二次網供回水溫差來對循環泵進行修正。當二網供回水溫差偏大時，則需提高循環泵轉速，加大二網流量，提高二網回水溫度，改善供熱效果；當二網供回水溫差過小時，需適當降低循環泵轉速，減小二次網的流量。這種調整可以起到節約電能及熱能的效果，在大型熱網中，這種節能手段就能取得可觀的效果。二次網的補水控制采用的是定壓控制，傳統熱力站中往往采用壓力表電節點控制。隨著城市集中供熱的發展，系統的熱負荷越來越大，熱力站系統所帶的供暖面積都比較大，并且供熱網條件不一，二網系統的水力損失較大。嚴重的水力損失使得二次網的補水系統壓力加大，補水頻繁。而傳統的工頻補水泵的頻繁起停，容易造成二次管網壓力的波動。在熱負荷較大的系統中，我們采用補水泵變頻控制，對補水系統進行精確的微調。當系統失水時，二網壓力下降，系統會通過變頻器控制補水泵以一定的轉速進行補水，補水泵的轉速根據當前壓力與目標壓力的差值均勻調整，從而避免補水泵在啟動和停止時對二次網系統的沖擊。
在現場人機界面上，可以通過操作面板任意調節系統所需的各種運行狀態，例如：一、二次網供回水溫度及溫差，變頻器最大最小運行頻率等，并可隨時查閱以往運行記錄。根據用戶要求可將當前參數以畫面、曲線、報表的形式在屏幕上顯示。
五、熱力站自控系統的優點在熱力站中使用變頻器及可編程控制器，充分發揮變頻器的調速和節能的優點及可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便的優點，使整個系統的穩定性有了可靠保障。通過熱力站自動控制系統的投運，過去主要依靠人工調節的控制手段得到了徹底改善，熱網的運行得到合理控制，失調現象得到了有效地解決，消除了熱網中各站冷熱不均的現象。按需供熱、節能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運行方式，既保證了遠端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過熱現象直接提高了熱網的供熱效果。
剌慧東男現供職于山西省太原市熱力公司材料設備處，分管技術工作，兼任山西省城鎮供熱協會特聘電氣專家。
本文著重介紹自控系統及變頻器在熱力站控制中的應用。間連型熱力站自控系統按設備類型分，可分為：溫度、壓力變送器，流量計，電動調節閥，循環泵及補水泵；按控制回路分，則可分為：一次網流量控制回路、二次網循環控制回路、二次網定壓回路。在熱力站自控系統中，一次網流量控制回路主要通過調節一次回水調節閥來實現。二次網的調節回路則是通過調節二次網循環泵及補水泵轉速來實現。一次網的控制指令主要由熱網調度中心根據全網平衡算法下發，而二次網循環泵及補水泵變頻器轉速則由站內PLC系統依據各熱力站所帶熱網的實際情況計算得出。熱力站自控系統結構如下圖。
三、系統控制思想在集中供熱工程中由于各用戶的建筑面積、暖氣片性能及房屋保溫質量各不相同，很難確定一組典型的室內溫度作為直接被控量，而供、回水的平均溫度從整體上反映了各用戶暖氣片的平均溫度，因此一般的供熱系統都是根據室外環境溫度及不同的供熱時段來控制供、回水平均溫度的方法來間接控制用戶室溫。
在太原各熱網控制中，由于在進行熱力站自控改造的同時，對熱網調度系統也進行了調整。目前太原各個熱力分公司熱網調度中心都加設了全網平衡系統，調度中心通過與個熱力站進行通訊，獲取熱網數據，并根據室外溫度情況對全網熱力站的供熱效果進行均勻調整。
各熱力站從控制中心獲取對應的二次網供回水平均溫度，站內系統將獨立控制回路分為二次網供回水平均溫度控制回路和一次網流量控制回路，根據平均溫度的偏差確定一次網流量的設定值，然后調節閥門開度使流量達到設定值。系統根據二次網供、回水平均溫度的溫差，通過變頻器自動調節循環泵的轉速，實現對系統總流量和溫度的調節。使循環水泵按照實際負荷輸出功率，減少不必要的電能損失，實現小流量大溫差的運行模式。通過此舉，可以及時地把流量、揚程調整到需要的數值上，消除多余的電能消耗，從而達到良好的節能效果。通常熱力系統會設計兩臺變頻泵，這不僅是為了系統備用，也是為了防止系統超調。如果負荷不夠，則泵的轉速加大，達到100％時還不滿足要求，則啟動第二臺泵。同時系統還可以根據運行時間自動切換各循環泵，也提供低水壓保護和連鎖功能。供、回水壓力是熱網安全運行的重要參數。供水壓力過高可能造成熱水管道及用戶暖氣片的破裂；供、回水壓力過低，使得部分熱用戶無法的到足夠熱量。恒壓控制的最佳方案是對補水泵進行變頻調速控制，但考慮此處對壓力的穩定性要求并不高，只要壓力不超出某一范圍即可，所以也可以采用開關補水控制方案。
四、熱力站控制系統的實現
熱力站的一次網回路控制，主要是熱負荷控制。通過控制調節一次網回路上的電動調節閥，來調節流過熱力站的一次熱水的流量。在全網控制系統中，全網控制中心根據目前室外溫度情況，參考熱源的運行情況及各熱力站反饋的二次網運行數據，計算出各熱力站一次網控制閥門的開度指令或二次網目標控制溫度。熱力站系統根據全網控制中心下發的指令，調節一次網流量調節閥，從而實現全熱網的熱資源均勻分配。一次網回路控制中主要的參考對象為熱力站一、二次網供回水溫度；一網控制的對象為一次網調節閥；控制目的為提供熱力站必須的供暖熱量。
2、二次網循環泵控制：熱力站系統二次網循環泵是通過變頻器來調速。傳統熱力站系統循環泵通常采用工頻泵，循環泵選定后，熱力站二次網的流量無法進行調整，從而造成熱力站系統無法根據室外溫度及實際供熱需求來調整，造成熱力及電力資源的浪費。而且大，熱力系統自控改造中，對15KW以上的循環泵普遍使用變頻控制。一般的循環泵均采用壓差控制方式，即循環泵的轉速受二次網供回水壓差調整。壓差控制的方式可以通過調節循環泵轉速，調節二網流量以滿足供熱需求，從而減少浪費。在熱力站循環泵控制中，我們采用供回水溫差結合供回水壓差控制的方式。熱力站控制系統根據各系統的實際情況，設定一個供回水壓差目標值。設定此供回水壓差值以滿足二次管網的供暖水循環。在此基礎上，熱力站PLC系統通過測量二次網供回水溫差來對循環泵進行修正。當二網供回水溫差偏大時，則需提高循環泵轉速，加大二網流量，提高二網回水溫度，改善供熱效果；當二網供回水溫差過小時，需適當降低循環泵轉速，減小二次網的流量。這種調整可以起到節約電能及熱能的效果，在大型熱網中，這種節能手段就能取得可觀的效果。二次網的補水控制采用的是定壓控制，傳統熱力站中往往采用壓力表電節點控制。隨著城市集中供熱的發展，系統的熱負荷越來越大，熱力站系統所帶的供暖面積都比較大，并且供熱網條件不一，二網系統的水力損失較大。嚴重的水力損失使得二次網的補水系統壓力加大，補水頻繁。而傳統的工頻補水泵的頻繁起停，容易造成二次管網壓力的波動。在熱負荷較大的系統中，我們采用補水泵變頻控制，對補水系統進行精確的微調。當系統失水時，二網壓力下降，系統會通過變頻器控制補水泵以一定的轉速進行補水，補水泵的轉速根據當前壓力與目標壓力的差值均勻調整，從而避免補水泵在啟動和停止時對二次網系統的沖擊。
在現場人機界面上，可以通過操作面板任意調節系統所需的各種運行狀態，例如：一、二次網供回水溫度及溫差，變頻器最大最小運行頻率等，并可隨時查閱以往運行記錄。根據用戶要求可將當前參數以畫面、曲線、報表的形式在屏幕上顯示。
五、熱力站自控系統的優點在熱力站中使用變頻器及可編程控制器，充分發揮變頻器的調速和節能的優點及可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便的優點，使整個系統的穩定性有了可靠保障。通過熱力站自動控制系統的投運，過去主要依靠人工調節的控制手段得到了徹底改善，熱網的運行得到合理控制，失調現象得到了有效地解決，消除了熱網中各站冷熱不均的現象。按需供熱、節能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運行方式，既保證了遠端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過熱現象直接提高了熱網的供熱效果。
剌慧東男現供職于山西省太原市熱力公司材料設備處，分管技術工作，兼任山西省城鎮供熱協會特聘電氣專家。
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