熱網(wǎng)系統(tǒng)控制方式的研究及探索

張茂剛

太原熱力設(shè)計(jì)院（有限公司），山西太原 030006

0 引言

隨著城市化率的提高，我國(guó)的城市規(guī)模越來(lái)越大，污染嚴(yán)重，能源緊缺，人力成本逐年提高，我國(guó)的城市集中供熱事業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，廣大市民的消費(fèi)意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，既然電費(fèi)，水費(fèi)，煤氣費(fèi)等都可以實(shí)現(xiàn)“用多少交多少”，為啥熱費(fèi)采用按面積收費(fèi)。對(duì)于熱力公司來(lái)說(shuō)，在保證供熱設(shè)施安全的前提下，如何保證供熱的品質(zhì)，如何降低企業(yè)運(yùn)行的成本，這也是它們面臨的難題。

以上這些問(wèn)題促使自動(dòng)化技術(shù)在供熱行業(yè)有了極大的發(fā)展。

1 熱力工程的基本構(gòu)成

完整的城市供熱工程包括熱源廠(或熱電廠)，熱力交換站，用戶，管網(wǎng)四部分組成。這四部分在運(yùn)行中的狀況應(yīng)當(dāng)?shù)玫竭m時(shí)監(jiān)控并能及時(shí)做出調(diào)整。對(duì)應(yīng)暖通專業(yè)，自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)當(dāng)反應(yīng)出五部分的關(guān)系，這五部分是：熱源廠中控室，中央調(diào)度室，首站（熱源廠出來(lái)的第一個(gè)換熱站）控制室，換熱站控制室，用戶。

2 熱力工程中自動(dòng)化部分構(gòu)成的說(shuō)明

1）當(dāng)熱力公司擁有自己的熱源廠且僅有一座時(shí)，從管理的需求可將中央調(diào)度室設(shè)在熱源廠，首站（熱源廠出來(lái)的第一個(gè)換熱站）可不單獨(dú)設(shè)控制室,各個(gè)換熱站將自己的數(shù)據(jù)傳送到中央調(diào)度室，適時(shí)調(diào)整工況，而各個(gè)換熱站則主要根據(jù)用戶的需求調(diào)整設(shè)備,這是最簡(jiǎn)單的一種控制方法；

2）當(dāng)熱力公司擁有自己的熱源廠數(shù)目不止一座時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置單獨(dú)的中央調(diào)度室，每個(gè)熱源廠可包含各自的首站，其余同上；

3）當(dāng)熱力公司沒(méi)有自己的熱源廠,熱源來(lái)自熱電廠時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置單獨(dú)的中央調(diào)度室，因?yàn)殛P(guān)系到熱電廠的安全，首站一般設(shè)在熱電廠內(nèi)，這種情況下，中央調(diào)度室應(yīng)向電廠傳送數(shù)據(jù)，但不能控制熱電廠的設(shè)備（因關(guān)系到熱電廠的安全運(yùn)行），只能在熱電廠的許可下實(shí)現(xiàn)有限制條件的自控。其余同上；

4）當(dāng)熱電廠與其首站不在一起時(shí)，首站應(yīng)歸熱電廠控制，首先保證熱電廠的安全運(yùn)行，首站的數(shù)據(jù)應(yīng)傳達(dá)到中央調(diào)度室，但中央調(diào)度室不應(yīng)完全控制首站(為保證熱電廠安全運(yùn)行，首站還是應(yīng)以熱電廠控制為主)，其余同上。

3 控制原則的說(shuō)明

1）安全運(yùn)行。控制系統(tǒng)應(yīng)能保證在任何情況下的安全運(yùn)行；

2）按需供熱。每一個(gè)換熱站都要向自己的用戶提供所需的熱，每一個(gè)熱源廠(或熱電廠)都要提供各級(jí)換熱站所需的熱。而且所供熱的品質(zhì)及參數(shù)是用戶所需要的；

3）節(jié)能原則。熱是商品，應(yīng)努力減少成本，提高企業(yè)效益；

4）計(jì)量原則。熱是商品，應(yīng)能計(jì)量。同時(shí)，生產(chǎn)企業(yè)所消耗的水，電，煤，汽等應(yīng)能有效計(jì)量，以便成本核算。

4 控制方式

4.1 換熱站的控制

1）換熱站的控制方式

完全自動(dòng)化（無(wú)人職守）換熱站控制內(nèi)容應(yīng)包括如下方面：循環(huán)泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)，補(bǔ)水泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)，供水溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，電子巡更系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)。其大概的帶監(jiān)控的工藝流程圖如下：

圖1

換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主要由操作員站、交換機(jī)、打印機(jī)、可編程控制器、I/O模塊、通訊模塊、傳感器、執(zhí)行器等組成。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可按初始設(shè)定值或監(jiān)控中心的指令，獨(dú)立完成運(yùn)行參數(shù)、故障參數(shù)等各類參數(shù)的采集、存儲(chǔ)，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至中央調(diào)度室。

2）換熱站的控制(監(jiān)測(cè))對(duì)象

采集溫度、壓力、流量、閥門反饋、變頻器狀態(tài)數(shù)據(jù)等信號(hào)，并將這些信號(hào)處理后通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中央調(diào)度室，主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)如下：

一次網(wǎng)供水總管溫度、壓力；一次網(wǎng)回水總管溫度、壓力；二次網(wǎng)供水總管溫度、壓力；二次網(wǎng)回水總管溫度、壓力；室外環(huán)境溫度；二次網(wǎng)補(bǔ)水流量（累積、瞬時(shí)）；供水流量（累積、瞬時(shí)）；補(bǔ)水箱液位；循環(huán)、補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)；電動(dòng)閥開度反饋。

其中以下要具備實(shí)時(shí)功能：當(dāng)熱力站運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常，如溫度過(guò)高、壓力過(guò)低等，系統(tǒng)生成報(bào)警提示，提示操作員及時(shí)處理，保證供熱生產(chǎn)安全高效運(yùn)行；

軟水箱水位上下限報(bào)警（光報(bào)）；二次網(wǎng)進(jìn)口壓力上下限報(bào)警（光報(bào)）；二次網(wǎng)出口溫度上限報(bào)警（光報(bào)）；二次網(wǎng)進(jìn)口壓力下下限報(bào)警（聲光報(bào)警）；軟水箱水位下限報(bào)警（聲光報(bào)警）；循環(huán)泵、補(bǔ)水泵故障報(bào)警（聲光報(bào)警）

3）換熱站的控制目標(biāo)

換熱站控制算法根據(jù)室外溫度情況，自動(dòng)控制一次水流量、循環(huán)水流量、補(bǔ)水量。并監(jiān)控所有的參數(shù)。換熱站自動(dòng)控制可以根據(jù)設(shè)定好的溫度控制曲線，或者設(shè)定的控制參數(shù)要求，進(jìn)行自動(dòng)平衡控制。

4.2 鍋爐房的控制

1）鍋爐房的控制方式

鍋爐的燃燒過(guò)程應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)，超溫，超壓時(shí)應(yīng)有報(bào)警保護(hù)措施，循環(huán)水泵應(yīng)能適時(shí)調(diào)整并反映出自身工況，補(bǔ)水泵應(yīng)能保證任何時(shí)候都不缺水，燃用煤粉，油或氣體的鍋爐應(yīng)設(shè)置點(diǎn)火程序控制及熄火裝置。煤粉爐的制粉系統(tǒng)各設(shè)備之間應(yīng)設(shè)置電氣連鎖裝置,連續(xù)機(jī)械化運(yùn)煤系統(tǒng)，除灰渣系統(tǒng)中，各設(shè)備之間均應(yīng)設(shè)置電氣連鎖裝置，并在正常使用時(shí)能按順序停車，且其延時(shí)時(shí)間應(yīng)能達(dá)到空載再啟動(dòng)。鍋爐控制系統(tǒng)的供電應(yīng)設(shè)置不間斷電源電源。

2）鍋爐房的控制（監(jiān)測(cè)）對(duì)象

出水溫度、壓力；回水溫度、壓力；爐膛溫度；爐膛負(fù)壓；省煤器前、后煙溫；省煤器前、后煙壓；空預(yù)器后煙溫；空預(yù)器后煙壓；排煙溫度；鼓風(fēng)風(fēng)壓；鍋爐出水流量；引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排機(jī)故障報(bào)警（聲光報(bào)警）；熱水爐出水壓力上限報(bào)警（光報(bào)）；鍋爐出水壓力上上限報(bào)警（聲光報(bào)警）；熱水爐回水壓力下限報(bào)警（光報(bào)）；鍋爐回水壓力下下限報(bào)警（聲光報(bào)警）；鍋爐出水溫度上下限報(bào)警（光報(bào)）；鍋爐出水溫度上上限報(bào)警聯(lián)鎖停爐（聲光報(bào)警）；爐膛溫度上下限報(bào)警（光報(bào)）；鍋爐爐膛溫度上上限報(bào)警聯(lián)鎖停爐（聲光報(bào)警）；循環(huán)中斷報(bào)警聯(lián)鎖停爐（聲光報(bào)警）；爐膛負(fù)壓上下限報(bào)警（光報(bào)）

3）鍋爐房的控制目標(biāo)

鍋爐房控制算法根據(jù)室外溫度情況/實(shí)際的熱負(fù)荷的多少，自動(dòng)控制燃燒系統(tǒng)，補(bǔ)水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)，煤渣系統(tǒng)并監(jiān)控所有的參數(shù)。鍋爐房自動(dòng)控制可以根據(jù)設(shè)定好的溫度,壓力，流量，時(shí)間等控制曲線，或者設(shè)定的控制參數(shù)要求，進(jìn)行自動(dòng)平衡控制。

4.3 中央調(diào)度室的控制

1）中央調(diào)度室的控制目標(biāo)

作為熱力能源管控平臺(tái)，匯總了每個(gè)鍋爐房換熱站的數(shù)據(jù)，平臺(tái)計(jì)算系統(tǒng)能效并分析，對(duì)鍋爐房或換熱站提出優(yōu)化運(yùn)行建議，指導(dǎo)合理運(yùn)行，按需供熱。并積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘?qū)ο到y(tǒng)或換熱站進(jìn)行橫向、縱向的比較、排序?？偨Y(jié)系統(tǒng)在設(shè)備的不同使用時(shí)期、不同天氣條件下的運(yùn)行規(guī)律，形成每個(gè)項(xiàng)目的專家數(shù)據(jù)庫(kù)，在標(biāo)準(zhǔn)的控制邏輯基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化，提高供熱質(zhì)量，降低運(yùn)行成本。其大概的框圖如圖2。

2）中央調(diào)度室的組成及功能

熱網(wǎng)監(jiān)控中心是整個(gè)熱網(wǎng)調(diào)度和控制的中樞系統(tǒng)，它的功能、性能對(duì)熱網(wǎng)工作熱質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用。熱網(wǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)主要由服務(wù)器、工程師站、操作員站、大屏幕、UPS、工業(yè)交換機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備組成。

微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

1）供熱參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)采集及顯示換熱站一次網(wǎng)和二次網(wǎng)供回水溫度和壓力、流量、熱量、閥門開度、水泵開啟狀態(tài)、循環(huán)泵變頻、補(bǔ)水泵變頻、液位等參數(shù)。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)管理及報(bào)表打印功能

包括數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、維護(hù)、轉(zhuǎn)換并能方便查詢和顯示參數(shù)變化曲線。根據(jù)需要隨時(shí)打印工況報(bào)表等。

3）能耗、水耗統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能

根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)各源、站及全網(wǎng)的能耗和水耗，為量化管理和收費(fèi)提供依據(jù)。

圖2

4）系統(tǒng)特性參數(shù)實(shí)時(shí)辯識(shí)功能

充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)辨識(shí)出熱網(wǎng)中各管段阻力特性和熱交換器特性等參數(shù)，掌握水力和熱力工況。

5）水壓圖計(jì)算和顯示功能

計(jì)算并顯示從熱源至用戶的水壓圖。

6）供熱系統(tǒng)自動(dòng)控制功能

在正常的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，整個(gè)供熱管網(wǎng)應(yīng)進(jìn)行均勻性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)熱量的均勻分配，在通訊故障時(shí)各熱力站自成系統(tǒng)，根據(jù)熱用戶的熱需求（主要是根據(jù)二級(jí)網(wǎng)供回水溫度、室外溫度保證室內(nèi)的舒適溫度），現(xiàn)場(chǎng)控制單元對(duì)各熱力站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)控制，保證熱量供應(yīng)。在量調(diào)節(jié)階段，各換熱站根據(jù)用戶流量變化，按照末端用戶壓差調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，保證不利點(diǎn)有足夠的資用壓頭。在質(zhì)調(diào)節(jié)階段，換熱站要根據(jù)用戶熱需要，協(xié)調(diào)供熱量，從而使供熱與熱需求相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

7）監(jiān)控功能

每個(gè)換熱站/鍋爐房設(shè)置一定數(shù)量的攝像頭，用于監(jiān)視人員值班、設(shè)備運(yùn)行狀況。

8）報(bào)警及故障診斷功能

（1）報(bào)警功能

在熱力站設(shè)聲響報(bào)警，在調(diào)度中心設(shè)聲光報(bào)警。報(bào)警信號(hào)是最優(yōu)先的通訊數(shù)據(jù)，熱力站報(bào)警發(fā)生時(shí)應(yīng)立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊上傳至調(diào)度中心。

報(bào)警項(xiàng)目包括：

供電中斷報(bào)警功能；二次側(cè)供水壓力高；二次側(cè)回水壓力低；鍋爐房/換熱器一次側(cè)回水溫度高；鍋爐房/換熱器二次側(cè)供水溫度高；軟水箱水位高；軟水箱水位低；測(cè)控系統(tǒng)故障；變頻器故障。

（2）自動(dòng)診斷功能

供電中斷報(bào)警及臨時(shí)供電功能；通訊網(wǎng)絡(luò)故障報(bào)警功能；壓力、溫度、流量傳感器故障；各熱力站水泵、電動(dòng)閥等設(shè)備的故障；各種故障應(yīng)能及時(shí)在屏幕上顯示，并打印記錄。

3）對(duì)軟件編制的要求

供熱工程往往分好幾期,每期所供的面積各不相同，室外的天氣情況時(shí)常處于變化之中，公共建筑及企業(yè)白天上班（分戶計(jì)量時(shí)，時(shí)常晚上關(guān)閉供熱設(shè)施），居民住宅晚上才用電（分戶計(jì)量時(shí)，時(shí)常白天關(guān)閉供熱設(shè)施）,各種參數(shù)日夜差距太大，各種用電設(shè)備時(shí)常處在大馬拉小車的狀態(tài)之中，因?yàn)橛?jì)量問(wèn)題，供熱企業(yè)與用戶意見(jiàn)不一致，單機(jī)試車與聯(lián)動(dòng)運(yùn)行工況并存，新建筑（采用分戶計(jì)量），老建筑（按面積收費(fèi)）并存，因此，對(duì)軟件的要求較高，特別注意以下問(wèn)題：

軟件要有較強(qiáng)的適應(yīng)性，任何情況下都能做到安全第一。軟件要有試驗(yàn)版，擴(kuò)展版，使用版。以應(yīng)對(duì)不同的情況。企業(yè)應(yīng)有適時(shí)介入修正的功能。熱用戶的參與功能。經(jīng)濟(jì)考核功能。

綜上所述，我們認(rèn)為，隨著供熱行業(yè)的發(fā)展，以無(wú)人值守為代表的精細(xì)化管理將是所有熱力企業(yè)的必經(jīng)之路，熱力能源管控平臺(tái)及控制系統(tǒng)將成為熱力企業(yè)的有力工具和保障。通過(guò)實(shí)踐證實(shí)，熱力能源管控平臺(tái)及控制系統(tǒng)實(shí)際效果良好，將為提高供熱行業(yè)管理水平發(fā)揮重要作用，熱網(wǎng)系統(tǒng)控制方式的研究及探索將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

[1]鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范,(GB50041-2008).中國(guó)計(jì)劃出版社.

[2]民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ16-2008).中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3]三劍綜合技術(shù)有限公司產(chǎn)品樣本.