換熱站控制系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

集中供熱系統(tǒng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是城市現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一。發(fā)展集中供熱對節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平都具有重要的意義。因其具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，故而在城市發(fā)展和完善集中供熱中是非常必要和迫切的。

城市集中供熱信息管理調(diào)度及自動化控制系統(tǒng)對于保證供熱系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)供熱、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)具有十分重要的作用。通過建設(shè)城市集中供熱信息管理調(diào)度及自動化控制系統(tǒng)，可收集到全市供熱工程的全部主要信息，集中監(jiān)視、綜合分析、協(xié)調(diào)調(diào)度、提高效率，使供熱行業(yè)管理從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，促使供熱行業(yè)控制水平整體提高。

降低熱能損失是供熱行業(yè)節(jié)能最主要方向，本文的目的在于提供供熱控制方案，通過自動控制使熱損失降到最低。通過提供工藝控制功能庫，保證滿足負(fù)載的同時使這些設(shè)備在相應(yīng)工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低能源的損耗。

2 換熱站的工作原理

集中供熱又稱區(qū)域供熱，以熱水和蒸汽為載能體，通過管網(wǎng)為一個區(qū)域的所有熱用戶供熱。通常是由一個和多個供熱設(shè)備集中供熱，例如供熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、溫泉地?zé)帷⒌蜏毓岷朔磻?yīng)堆的熱源及工業(yè)余熱等。集中供熱系統(tǒng)是由熱源、熱用戶和熱網(wǎng)三部分組成。熱源負(fù)責(zé)制備熱媒，熱力網(wǎng)負(fù)責(zé)熱媒的輸送，熱用戶是指用熱場所。集中供熱系統(tǒng)的熱用戶有供暖、通風(fēng)、熱水供應(yīng)、空氣調(diào)節(jié)及生產(chǎn)工藝等用熱系統(tǒng)。

各熱用戶用熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷，按其性質(zhì)可分為兩大類:季節(jié)性熱負(fù)荷和常年性熱負(fù)荷。熱水供熱系統(tǒng)按系統(tǒng)的密閉性可分為開式和閉式兩種型式。在閉式系統(tǒng)中，熱網(wǎng)的循環(huán)水僅作熱媒，供給熱用戶熱量，而不從中取出使用。在開式系統(tǒng)中，熱網(wǎng)循環(huán)水部分或全部從熱網(wǎng)中取出，直接用于生產(chǎn)或熱水供應(yīng)。

由于供熱系統(tǒng)中熱用戶的熱負(fù)荷并不是恒定的，如供暖通風(fēng)熱負(fù)荷隨室外氣象條件變化，熱水供應(yīng)和生產(chǎn)工藝用熱隨使用條件等因素變化。要保證供熱質(zhì)量，滿足各熱用戶要求，并使熱能的制備和輸送合理，就要對供熱系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)一一也就是供熱調(diào)節(jié)。

在城市集中熱水供熱系統(tǒng)中，供暖熱負(fù)荷是系統(tǒng)最主要的熱負(fù)荷，甚至是唯一的熱負(fù)荷。因此，在供熱系統(tǒng)中，通常按照供暖熱負(fù)荷隨室外溫度的變化規(guī)律，作為供熱調(diào)節(jié)的依據(jù)。供熱調(diào)節(jié)的目的，在于使供暖用戶的散熱設(shè)備的放熱量與用戶熱負(fù)荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，以防止供暖熱用戶出現(xiàn)溫度過高或過低。
根據(jù)供熱調(diào)節(jié)地點(diǎn)不同，供熱調(diào)節(jié)可分為集中調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和個體調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)方式。集中調(diào)節(jié)在熱源處或供熱網(wǎng)處進(jìn)行。局部調(diào)節(jié)在換熱站或熱用戶引入口進(jìn)行，個體調(diào)節(jié)直接在散熱設(shè)備處進(jìn)行調(diào)節(jié)。集中供熱調(diào)節(jié)容易實(shí)施，運(yùn)行管理方便，是最主要的供熱調(diào)節(jié)方法。

集中供熱系統(tǒng)的換熱站是供熱網(wǎng)路與熱用戶的連接場所，在其內(nèi)安裝有與用戶連接的有關(guān)設(shè)備、管道、閥門、儀表和控制裝置。它的作用是根據(jù)熱網(wǎng)工況和不同的條件，采用不同的連接方式，將熱網(wǎng)輸送的熱媒加以調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換，向熱用戶系統(tǒng)分配熱量以滿足用戶的需求;同時還應(yīng)根據(jù)需要，進(jìn)行集中計量、檢測供熱熱媒的參數(shù)和數(shù)量。根據(jù)規(guī)模和設(shè)置地點(diǎn)不同，換熱站又可分為首站、區(qū)域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站。熱力輸配網(wǎng)絡(luò)控制的重點(diǎn)是換熱站的控制。

換熱站主要完成從供熱一次網(wǎng)到二次網(wǎng)的熱量交換，置換出的二次網(wǎng)的熱水溫度一般在40℃~65℃之間。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開關(guān)量等進(jìn)行信號采集測量、控制、遠(yuǎn)傳，實(shí)時監(jiān)控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)，及水箱液位等各個參數(shù)信息，進(jìn)而對供熱過程進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制。在供熱期間可按室外溫度調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水溫度（可手動、自動切換），達(dá)到按需供熱，實(shí)現(xiàn)氣候補(bǔ)償節(jié)能控制；也可以進(jìn)行分時分區(qū)節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)供熱全網(wǎng)熱量平衡及節(jié)約能源。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 換熱站的工作原理

3 換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)場PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統(tǒng)兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監(jiān)控畫面、采集參數(shù)的顯示，并接受一些參數(shù)設(shè)定的輸入信息。控制系統(tǒng)采用性價比較高的和利時LM系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統(tǒng)集成多種通訊接口，適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場PLC控制站主要功能是對各換熱站、供熱沿線各節(jié)點(diǎn)、熱用戶運(yùn)行參數(shù)（一、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量等）、各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及采集，并根據(jù)氣象環(huán)境和負(fù)荷的變化按預(yù)先設(shè)定的控制策略對換熱站循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)換熱機(jī)組的完全自動控制。如果有通訊網(wǎng)絡(luò)的支撐，現(xiàn)場監(jiān)控站還可以將反映換供熱運(yùn)行的數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，同時接收調(diào)度中心發(fā)來的調(diào)度控制指令。

LM的連接圖如圖3-1所示。

圖3-1 LM連接圖

4 換熱站控制系統(tǒng)的主要功能

ì 一次網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥控制

換熱站控制系統(tǒng)具有氣候補(bǔ)償和恒溫供水功能，即根據(jù)氣候的變化自動調(diào)節(jié)供熱量。應(yīng)用可編程控制器（PLC），根據(jù)室外溫度的變化和當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷曲線，決定二級網(wǎng)側(cè)的供熱量，實(shí)測供熱量和設(shè)定值相比較后，進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號至電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變一級網(wǎng)側(cè)的流量，實(shí)現(xiàn)二級網(wǎng)側(cè)供熱量調(diào)節(jié)。

ì 二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制

實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)供/回水壓力差值PID控制，從而保證最不利點(diǎn)正常供暖。壓差設(shè)定值可根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)或經(jīng)驗曲線進(jìn)行設(shè)定。

ì 補(bǔ)水泵變頻控制

自動補(bǔ)水是由二次網(wǎng)側(cè)回水管路上的壓力變送器檢測的壓力信號與控制器上回水壓力設(shè)定值比較后輸出一個控制信號，通過PID控制來調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)回水自動補(bǔ)給。

ì 保護(hù)功能

失壓保護(hù)：二次網(wǎng)側(cè)回水壓力低于超低限設(shè)定值時，自動停止循環(huán)泵運(yùn)行，并關(guān)閉電動調(diào)節(jié)閥，自動補(bǔ)水系統(tǒng)投入運(yùn)行，開始補(bǔ)水。自動補(bǔ)水系統(tǒng)投入運(yùn)行后二次網(wǎng)側(cè)回水壓力仍繼續(xù)降低即發(fā)聲光信號報警。

斷電保護(hù)：停電后自動關(guān)閉電動調(diào)節(jié)閥，切斷熱源，控制器及變頻器自動復(fù)位并使各種設(shè)定參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)保持原斷電前設(shè)置。

超溫保護(hù)：二次網(wǎng)供水溫度超過80℃（操作面板可調(diào)設(shè)定值）時，一級網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。一次網(wǎng)回水溫度超過70℃（操作面板可調(diào)設(shè)定值）時啟動高限制保護(hù)，以一級網(wǎng)回水溫度為目標(biāo)控制電動調(diào)節(jié)閥門開度。一次網(wǎng)側(cè)供水溫度超過120℃時立即關(guān)閉一級網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥并報警。

超壓保護(hù)：二次網(wǎng)供水壓力超過設(shè)定超高限值（操作面板可調(diào)設(shè)定值）循環(huán)泵停止運(yùn)行并關(guān)閉一次網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥。

監(jiān)測水箱液位，具備報警保護(hù)功能。水箱液位為4～20mA信號輸入，停補(bǔ)水泵信號由控制器送出，停泵水位可以人為設(shè)定。

經(jīng)過搭建這樣的換熱站自動控制系統(tǒng)，最終可以實(shí)現(xiàn)換熱站的無人值守，帶來以下功能效果：

n 宏觀掌握供熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況、運(yùn)行質(zhì)量。

n 保證供熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進(jìn)行全自動調(diào)節(jié)，解決各換熱站的耦合影響，消除熱網(wǎng)水平失調(diào)，平衡供熱效果。

n 以節(jié)省總供熱量為目標(biāo)，在滿足熱網(wǎng)用戶基本采暖要求的前提下盡量減少總供熱量，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

n 更好地進(jìn)行供熱系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)及管理。及時檢測報告供熱系統(tǒng)故障，做到防微杜漸，防患未然。

n 為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行提供分析基礎(chǔ)和分析依據(jù)。通過記錄的熱網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，在一個采暖期結(jié)束后與前期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，查出主要能耗來源，為今后的節(jié)能改造提供條件。

5 結(jié)論

該套自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)完成溫度、壓力的自動控制，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；②提供完整的人機(jī)交互接口，用戶可以通過現(xiàn)場觸摸屏完成對系統(tǒng)的監(jiān)視和操作；③通過控制算法完成供熱的時間與溫度曲線控值，達(dá)到節(jié)能目的。

PLC控制系統(tǒng)作控制站，實(shí)現(xiàn)了對換熱站或換熱機(jī)組的自動控制；實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)對話，方便操作人員在觸摸屏上了解現(xiàn)場的各種實(shí)時數(shù)據(jù)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或手動控制，同時通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動故障保護(hù)功能；維護(hù)人員可以直接從觸摸屏上靈活組態(tài)和方便查找現(xiàn)場設(shè)備故障原因，達(dá)到了既顯示直觀又節(jié)省費(fèi)用的目的。本設(shè)計經(jīng)北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司在多個熱網(wǎng)項目中具體實(shí)施實(shí)現(xiàn)，已得到了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。

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