熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李志剛，孫麗萍，劉嘉新

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)一般采用分散式局部測量、集中監(jiān)視控制的方式。整個(gè)系統(tǒng)由調(diào)度中心、通信網(wǎng)絡(luò)和前端采集控制系統(tǒng)（由若干個(gè)分散的遠(yuǎn)程測控終端RTU和各類現(xiàn)場儀表及傳感器組成）三部分組成。調(diào)度中心是整個(gè)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)監(jiān)視、控制和管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;通信網(wǎng)絡(luò)用來實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心與遠(yuǎn)程測控終端的數(shù)據(jù)傳輸;前端采集控制系統(tǒng)主要是要完成單個(gè)站點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集、對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

1.1 調(diào)度中心的組成

調(diào)度中心由硬件和軟件兩部分組成。

（1）硬件包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師操作站、操作員操作站、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和硬件防火墻（最好具備VPN匯聚功能）等。一般來說，一個(gè)調(diào)試中心至少需要兩臺計(jì)算機(jī)，一臺做為工程師站，主要負(fù)責(zé)整個(gè)換熱站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、指令下發(fā)、設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警記錄及輸出各類報(bào)表等功能;另一臺做為操作員站，可用來做WEB發(fā)布，視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)備份等。其中工程師站的數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的個(gè)數(shù)要求能夠滿足整個(gè)熱網(wǎng)工程需求，而操作員站的數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的個(gè)數(shù)只要能夠滿足其基本功能及可。操作員站可以將工程師站的數(shù)據(jù)庫做為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫來使用。

（2）軟件采用Tianx RW V2.0組態(tài)軟件，Tianx RW V2.0從設(shè)計(jì)之初就一直致力于滿足供熱企業(yè)的各項(xiàng)需求，利用單一而完整的系統(tǒng)來進(jìn)行完成各級規(guī)模、不同復(fù)雜度熱網(wǎng)控制的需求，并保持系統(tǒng)的高性能和高可靠性。Tianx RW V2.0是一個(gè)完全專業(yè)化的熱網(wǎng)自動化軟件平臺，可以通過可靠、靈活和高性能的系統(tǒng)特性大幅地提升客戶的投資回報(bào)率。簡單易用的操作流程和強(qiáng)大的功能能夠使供熱企業(yè)快速地完成各種熱網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的操作與分析。Tianx RW V2.0還包含了各種熱網(wǎng)運(yùn)行趨勢、報(bào)表、工況分析和熱網(wǎng)控制分析等功能。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)的組成

通信網(wǎng)絡(luò)調(diào)試中心網(wǎng)絡(luò)與各換熱子站控制系統(tǒng)之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，通訊網(wǎng)絡(luò)的組建要根據(jù)供熱工程實(shí)施地的實(shí)際情況而定，主要從其組建成本、通訊速率、傳輸?shù)姆€(wěn)定性、日后的可維護(hù)性施工難度，以及運(yùn)行成本等幾個(gè)方面來考慮。網(wǎng)絡(luò)方式一般有三種，VPN網(wǎng)絡(luò)、專網(wǎng)方式和無線方式（GPRS/3G/無線基站）。

（1）VPN（虛擬局域網(wǎng)）方式。當(dāng)子站之間距離比較遠(yuǎn)、熱網(wǎng)規(guī)模較大的情況下，一家網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商不可能完成整網(wǎng)的通訊連接時(shí)，可以借助Internet公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，這是一種較為復(fù)雜的通信方式。調(diào)度中心要處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)、需要足夠的帶寬來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞?，所以在大多?shù)情況下采用固定IP的光纖接口，各個(gè)換熱站可以采用ADSL撥號上網(wǎng)方式（只需要保證各站的通訊設(shè)備能夠連上Internet公網(wǎng)及可）。通過所配置的具有VPN數(shù)據(jù)匯聚功能的路由器，將數(shù)據(jù)匯聚至調(diào)度中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。這種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)是借助借助Internet公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，各個(gè)站點(diǎn)的通訊不會產(chǎn)生相互影響，只要確保調(diào)度中心和各個(gè)換熱站能夠獨(dú)立可靠地接入公網(wǎng)，就能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞?。但是需要向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（可能不止一家）繳納一定的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營費(fèi)，各地區(qū)不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商之間的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)可能會小有差異。通訊運(yùn)營成本雖然不高，但有一定的網(wǎng)絡(luò)硬件的前期投入。

（2）專網(wǎng)方式。通過租用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（電信、網(wǎng)通、聯(lián)通和中國移動等）的網(wǎng)絡(luò)所能組成的通訊網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)其間，由運(yùn)營商在其機(jī)房出口將換熱站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VPN規(guī)劃，組成專網(wǎng)。此種網(wǎng)絡(luò)安全性較高，速度很快。相對投資成本跟據(jù)不同運(yùn)營商、不同地點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用會有較大的差異，價(jià)格趨于ADSL寬帶或光纖介入之間。但這種組網(wǎng)方式只能在一家網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的工程范圍之內(nèi)，較難實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。

（3）無線方式。無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，省去了通信電纜的鋪設(shè)，方便系統(tǒng)的組建，穩(wěn)定性與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比略顯不夠成熟。一般在新建設(shè)換熱站，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商固定網(wǎng)絡(luò)沒有進(jìn)入換熱站時(shí)可考慮無線傳輸做為臨時(shí)解決通訊問題的方案。

無線網(wǎng)絡(luò)通訊試一般包括GPRS（2G）、3G和無線基站三種。

GPRS是General Packet Radio Service的簡稱，經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術(shù)之間。傳輸速率可提升至56Kbps甚至114Kbps。由于通訊速率不強(qiáng)，只能用于控制較少、監(jiān)視數(shù)據(jù)較多的項(xiàng)目當(dāng)中。優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用非常的低。

3G（3rd－generation）是第三代移動通信技術(shù)的簡稱，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息（電子郵件和視頻等）。代表特征是可以提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠完全滿足熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的需求。缺點(diǎn)是運(yùn)營費(fèi)用極高。

無線基站。無線基站實(shí)際上是無線電臺站的一種形式，使用專業(yè)無線電設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊，占用一定的無線頻段。通過無線基站控制器控制幾臺或是十幾臺電臺信號收發(fā)裝置。此種通訊方式的優(yōu)點(diǎn)是沒有網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)用。缺點(diǎn)是前期投入資金比較大，各個(gè)分信號信號點(diǎn)之間若出現(xiàn)新的建筑就會阻斷信號的傳遞。

1.3 前端采集控制系統(tǒng)的組成

前端采集控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

（1）前端采集控制系統(tǒng)的硬件由PLC、現(xiàn)場儀表、通訊接口、觸摸式人機(jī)接口HMI，以及相關(guān)電氣設(shè)備組成。其核心部件PLC可以采用施耐德Modicon M340系列。該系列PLC具有功能強(qiáng)勁、維護(hù)便捷、操作簡便、外形精巧和穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。采用工業(yè)級Intel芯片組，外形體積小，性能價(jià)格比高，兼容性強(qiáng)，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，便于升級、安裝，系統(tǒng)組態(tài)簡便。觸摸屏采用施耐德公司的XBTG系列觸屏，具有可靠性高，使用壽命長，操作簡單的特點(diǎn)。

（2）PLC軟件采用Unity Pro。該軟件支持五種標(biāo)準(zhǔn)IEC 6－1131組態(tài)語言——功能塊（用來組態(tài)模擬控制回路）、梯形圖（用來組態(tài)邏輯控制）、順序流程圖（用來組態(tài)順序控制）、指令表以及結(jié)構(gòu)文本（用于用戶自行編程和開發(fā)軟件）。觸摸屏軟件采用Vijeo Designer，該系統(tǒng)具有豐富強(qiáng)大的圖庫，控件配置簡便，可以完成離線仿真、在線測試等功能。并且可以完成兩個(gè)通訊端口同時(shí)通訊，支持USB編程。

2 系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn)手段

2.1 調(diào)度中心的功能及實(shí)施方案

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控:對全網(wǎng)換熱站關(guān)建數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測（溫度、壓力、流量、液位、失水量、電量、熱量、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵頻率電流等），運(yùn)行人員直觀全面的了解各換熱站運(yùn)行情況，并可完成對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打印、導(dǎo)出至EXCEL功能，方便各部門對相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)用。

（2）溫壓模型監(jiān)視:用戶可以根據(jù)此功能提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，來分析相應(yīng)的熱網(wǎng)工況，及時(shí)對整個(gè)熱網(wǎng)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，這對于當(dāng)前的熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的。用戶可以根據(jù)二次網(wǎng)供、回水溫度來調(diào)節(jié)管網(wǎng)的熱平衡，根據(jù)一次網(wǎng)的供、回水壓力來調(diào)節(jié)管網(wǎng)的水平衡。

（3）專家級報(bào)表:對于采集來的數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量、液位、失水量、電量、熱量、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵頻率電流等，形成專家級數(shù)據(jù)報(bào)表，可以使歷史數(shù)據(jù)的查詢變得更加自如。

（4）分站控制功能:以動態(tài)的方式對換熱站的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同步獲取各子站數(shù)據(jù)，并依據(jù)獲取的溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)，采用動畫模擬的方式，直觀反映整個(gè)單個(gè)換熱站的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。在該窗口點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)，如電調(diào)閥、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和電磁閥等，就可以對這些設(shè)備進(jìn)行單體控制。

（5）熱源數(shù)據(jù):熱源數(shù)據(jù)是熱網(wǎng)監(jiān)控不可分割的一部分，熱網(wǎng)的綜合調(diào)節(jié)也需要對熱源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析。該系統(tǒng)可以通過 OPC、DDE或ACCESS等接口與熱源控制系統(tǒng)（DCS或是其他SCADA系統(tǒng)等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（6）熱網(wǎng)數(shù)據(jù)分析評估:對每個(gè)站點(diǎn)的量、電、熱指標(biāo)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，各項(xiàng)指標(biāo)可以清晰地棒圖上顯示出來。該功能同時(shí)可為熱力公司內(nèi)部成本考核提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 前端采集控制系統(tǒng)的功能及實(shí)施方案

（1）參數(shù)測量:主要完成管網(wǎng)現(xiàn)場過程的模擬量（如溫度、壓力、流量和熱量等）、狀態(tài)量（如泵的狀態(tài)、水位高和低狀態(tài)等）及脈沖量的測量、并完成相應(yīng)的物理量的上下限比較、PID運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等。

（2）資料存儲:控制器按一定的時(shí)間間隔采集被測參數(shù)。一般情況下這些參數(shù)通過用戶專用通訊線路傳輸?shù)酵饩W(wǎng)監(jiān)控中心的服務(wù)器中。為防止監(jiān)控中心的故障或停電，控制器必須具備一定的斷電數(shù)據(jù)存儲能力?？梢栽跀嚯娀蚴枪收系那闆r下，將之前設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行數(shù)據(jù)，存貯在控制器的SF卡或是FLASH卡當(dāng)中?；謴?fù)供電或是故障解除后，控制器可按照之前設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)自動運(yùn)行。

（3）通訊功能:控制器具有通訊功能，并且采用開放的通訊協(xié)議，具有10BaseT通訊口（應(yīng)有國際標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口），支持TCP/IP協(xié)議，控制器能將現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時(shí)傳送到熱網(wǎng)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行分析處理。

（4）診斷自恢復(fù)功能:控制器上電后可自動對關(guān)鍵部位進(jìn)行自檢，并將故障資料上傳給監(jiān)控中心，繼續(xù)運(yùn)行，不會出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

（5）日歷、時(shí)鐘功能:PLC設(shè)有日歷和時(shí)鐘（年、月、日、分、秒），并可接受監(jiān)控中心對時(shí)命令，使整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間保持一致。

（6）保護(hù)功能:控制器所有內(nèi)存都應(yīng)有后備電池或者能不需要電池而無限期保存資料。

（7）顯示操作功能:控制器應(yīng)配備中英文顯示液晶觸摸屏，帶操作單元，安裝在儀表箱面板上。

（8）控制調(diào)節(jié)功能:控制器除能在就地進(jìn)行自動控制和調(diào)節(jié)外，還能在監(jiān)控中心的命令下和允許的范圍內(nèi)，對換熱站和其它現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

（9）組態(tài)功能:PLC的站名、站號、物理量轉(zhuǎn)換公式、參數(shù)采樣頻率、限值均可在監(jiān)控中心和現(xiàn)場進(jìn)行組態(tài)?？刂破鲬?yīng)使用不依賴于電源的內(nèi)存存儲組態(tài)信息，并將組態(tài)信息上傳到監(jiān)控中心。

（10）控制器根據(jù)檢測的信號，水壓、溫度超限報(bào)警，應(yīng)具備人工/自動轉(zhuǎn)換功能。

（11）控制器將測量主要工程參數(shù)，如一次網(wǎng)瞬時(shí)和累積流量、熱量、壓力和溫度等，測量結(jié)果將傳送到監(jiān)控中心。

（12）控制器還應(yīng)當(dāng)具有接收溫度控制曲線的功能，該曲線一般由熱網(wǎng)運(yùn)行操作人員根據(jù)室外溫度的變化，通過觸摸屏等人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定，可以設(shè)定多條運(yùn)行曲線，并可按時(shí)段或是某些特殊觸發(fā)條件，以及人工進(jìn)行曲線之間的切換。曲線也可以由調(diào)度中心的調(diào)度人員事先在上位系統(tǒng)當(dāng)中編制，并存貯于上位機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中。曲線當(dāng)中的各項(xiàng)可以隨時(shí)進(jìn)行修改。

（13）每個(gè)工程的補(bǔ)水壓力控制方式都會有所不同，有的需要檢測二次網(wǎng)回水壓力、通過設(shè)定二次網(wǎng)回水壓力設(shè)定值，來自動調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵控制變頻器的輸出，從而完成系統(tǒng)的自動補(bǔ)水功能。也有的工程通過檢測補(bǔ)水壓力管道的壓力，或者是二次網(wǎng)聯(lián)通管網(wǎng)的壓力來控制系統(tǒng)的補(bǔ)水。

（14）除了補(bǔ)水泵以外，二次網(wǎng)的另一個(gè)主要的設(shè)備就是循環(huán)泵，循環(huán)泵的控制一般分二種，一種方式是自動二次網(wǎng)供回水壓力差控制方式，就是通過設(shè)定二次網(wǎng)回水的壓力值來改變循環(huán)水泵控制變頻器的輸出，壓差值設(shè)定的越大，循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速就越高。第二種方式是手動方式，直接手動輸入循環(huán)水泵控制變頻器的輸出頻率，來控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速。

（15）控制器應(yīng)當(dāng)能夠以自動和手動兩種控制方式控制一網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥來，直接調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的供水流量，間接地控制二次網(wǎng)的供水溫度。當(dāng)循環(huán)泵發(fā)生故障或是斷電停止運(yùn)行時(shí)，控制器應(yīng)該能自動減小調(diào)節(jié)閥的開度，使其保持在預(yù)先設(shè)定好的設(shè)定值上，可以有效防止換熱器汽化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（16）如果二次網(wǎng)的回水壓力低于人為的設(shè)定值，控制器需自動停止循環(huán)泵的運(yùn)行，防止管道中缺少，導(dǎo)致水泵汽化現(xiàn)象的發(fā)生。并將信號傳遞給調(diào)度中心，使調(diào)度人員第一時(shí)間進(jìn)行故障處理。

（17）能接受監(jiān)控中心參數(shù)修改更新指令，并保存更改歷史記錄。

（18）控制器還應(yīng)當(dāng)具有水箱液位監(jiān)視及連鎖功能，如軟水箱低停補(bǔ)水泵、生水箱低停生水泵等功能。

3 集中供熱系統(tǒng)的控制策略說明

目前幾種最常用的控制策略。

3.1 供熱量平衡策略

當(dāng)供熱管網(wǎng)以穩(wěn)定的狀態(tài)運(yùn)行在正常工況時(shí)，如果忽略由于管道內(nèi)壁粗糙度、管道長度，以及管道附件（如彎頭，三通，閥門等）等產(chǎn)生的阻力，則管網(wǎng)的供熱量應(yīng)大致等于最終熱用戶的熱負(fù)荷，也就是熱用戶的所有采暖設(shè)備的散熱量。

假設(shè)供暖熱用戶的熱負(fù)荷為Q1，則

式中:q為供熱建筑的供熱指標(biāo)，一般為常數(shù)不同建筑類型的建筑，其供熱指標(biāo)也有所不同;V為供熱建筑的外部體積;tn為建筑室內(nèi)溫度;tw為室外溫度。

假設(shè)供暖熱用戶的所有采暖設(shè)備的散熱量為Q2，則

式中:K為散熱器的傳導(dǎo)系數(shù);F為散熱器的散熱面積;為散熱器熱煤平均溫度;t為散熱器g供溫;th為散熱器回溫。

Q1=Q2，即供暖熱用戶的熱負(fù)荷基本與供暖熱用戶的所有采暖設(shè)備的散熱量一致，是供熱調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)，從公式 （1）中很容易可以看出，系數(shù)q和V在一般情況下變化很小，可以認(rèn)為是常數(shù)。我們要把室內(nèi)溫度控制在一定的范圍以內(nèi)時(shí)，只要控制tw這一個(gè)參數(shù)及可，也就是說，室外溫度tw是公式 （1）當(dāng)中唯一的變量。只要掌握室外溫度對室內(nèi)溫度的影響，找出合適的控制方式，就可以很好的控制室內(nèi)溫度了。

實(shí)際工程運(yùn)行當(dāng)中，其他氣象條件，如日照時(shí)間、風(fēng)速及氣流方向等，也會對室外溫度參數(shù)tw產(chǎn)生一定的影響，但是由于影響不大，在理論研究時(shí)，可暫且忽略不計(jì)。

目前常用的控制策略有供水溫度調(diào)節(jié);回水溫度調(diào)節(jié);供回水平均溫度調(diào)節(jié);供熱量調(diào)節(jié)四種調(diào)節(jié)方式。

3.2 供水溫度tg策略

調(diào)節(jié)的依據(jù)為:

式中:tg為管網(wǎng)供水溫度;tn為室內(nèi)溫度;tw為室外溫度;為相對流量比，等于管網(wǎng)實(shí)際流量G與管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量G′的比值，即為散熱器的散熱指數(shù)，為一常數(shù)，普通散熱器的散熱指數(shù)一般為0.14～0.37。

當(dāng)室外溫度tw在某一時(shí)間段為一定值時(shí)，相對流量比是定值，所以可以推斷出，二次網(wǎng)供水溫度tg也是一個(gè)定值。

二次網(wǎng)供水溫度控制策略的最大的優(yōu)點(diǎn)是控制響應(yīng)速度快、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。但由于供水溫度不能夠完全反映熱用戶的室內(nèi)供熱情況，可能會在控制上產(chǎn)生一定的誤差，需要運(yùn)行人員有較高的管網(wǎng)調(diào)控工藝水平。此種控制方式仍然是目前工程當(dāng)中最常采用的控制策略。

從上面的分析能夠得出這樣的結(jié)論，在某段時(shí)間內(nèi)，二次供水溫度和室外溫度在數(shù)學(xué)上有唯一的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示，根據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系，就可以自行設(shè)定溫度控制曲線了。

圖1 溫度控制曲線Fig.1 Temperature control curve

3.3 回水溫度th策略

調(diào)節(jié)的依據(jù)為:

式中:th為管網(wǎng)供水溫度;tn為熱用戶室內(nèi)溫度;tw為室外溫度;為相對流量比，等于管網(wǎng)實(shí)際流量G與管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量G′的比值，即=G/G′;β 為散熱器的散熱指數(shù)，為一常數(shù)，普通散熱器的散熱指數(shù)一般為0.1 4～0.37。

理論分析的過程和供水溫度相類似，也可以繪制出類似的對應(yīng)曲線。

在一段時(shí)間內(nèi)的室外溫度和供水溫度在理論上有唯一的對應(yīng)關(guān)系，回水溫度也可以反映出某一個(gè)支路的供熱品質(zhì)的好壞。

（1）優(yōu)點(diǎn):回水溫度是最直接的控制手段，也是所需要的結(jié)果，一般在二級網(wǎng)水力工況不失衡的情況下，當(dāng)網(wǎng)路的回水溫度滿足控制指標(biāo)時(shí)，基本可以保證供熱品質(zhì)了。所以說回水溫度的控制好壞也是控制效果的最終體現(xiàn)。

（2）缺點(diǎn):當(dāng)供熱半徑較長時(shí)，回水溫度的響應(yīng)時(shí)間會很長，具有嚴(yán)重的滯后性，控制算法復(fù)雜，難以掌握，控制效果有時(shí)不太理想;另外當(dāng)支路較多時(shí)，或支路的負(fù)荷類型不同時(shí)，用回水溫度作為控制指標(biāo)也難以作到很科學(xué)。

3.4 供、回水平均溫度（tg+th）策略

根據(jù)能量衡定理及穩(wěn)態(tài)下的熱量平衡方程可以得到如下結(jié)論:散熱器向房間的傳熱量應(yīng)與其向室外的傳熱量相同，即滿足以下公式:

式中:q為供熱建筑的供熱指標(biāo)，一般為常數(shù)不同建筑類型的建筑，其供熱指標(biāo)也有所不同;V為供熱建筑的外部體積;tn為建筑室內(nèi)溫度;tw為室外溫度。K為散熱器的傳熱系數(shù);F為散熱器的散熱面積;為散熱器熱煤平均溫度;t為散熱器g供溫;th為散熱器回溫。

由上述公式及分析解出建筑室內(nèi)溫度tn:

也就是說，當(dāng)管道運(yùn)行在穩(wěn)定工況下進(jìn)，室內(nèi)溫度的控制受供、回水溫度和室外溫度的共同影響，其系數(shù)由熱用戶建筑的綜合傳熱系數(shù)和散熱器的傳熱系數(shù)的比值決定。如果在熱用戶建筑的綜合傳熱系數(shù)和散熱器的傳熱系數(shù)的比值相差不大的的情況下，各換熱站的供、回溫度平均值基本上就能夠反映該換熱站所供用戶的室內(nèi)平均溫度。如果將各個(gè)換力站的二次網(wǎng)供、回水平均溫度調(diào)為一致，則可以近似地認(rèn)為其各熱用戶的室內(nèi)溫溫度是相同的。

（1）優(yōu)點(diǎn):不管是質(zhì)調(diào)節(jié)還是量調(diào)節(jié)，對控制指標(biāo)沒有影響。即二級網(wǎng)流量的變化不會影響到供、回水平均溫度的設(shè)定值，對管網(wǎng)運(yùn)行人員的工藝水平相對要求就可以降低一些。

（2）缺點(diǎn):此種控制策略在使用時(shí)，其供熱范圍內(nèi)的建筑物的綜合傳熱系數(shù)最好與其散熱器的傳熱系數(shù)約相當(dāng)，才能夠發(fā)揮此種控制策略的最大優(yōu)點(diǎn)。但由于各種原因，這兩個(gè)系數(shù)很難一致，所以導(dǎo)致供回水平均溫度目標(biāo)值不是很準(zhǔn)確，如果供熱半徑過長的話，供回水平均溫度的調(diào)節(jié)周期太長，容易超調(diào)或者滯后。

3.5 供熱量Q策略

如果能夠準(zhǔn)確掌握各個(gè)換熱站的熱量的精確數(shù)據(jù)，再通過結(jié)合長斯的運(yùn)行數(shù)據(jù)，依托調(diào)度人員的豐富經(jīng)驗(yàn)，再加之上位系統(tǒng)當(dāng)中集成的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的相關(guān)功能，就可能近似地模擬出室外溫度變化與換熱站供熱量的關(guān)系曲線。因?yàn)榘凑兆龅桨葱枨蠊?，都是最合理、最?shí)際，也是最經(jīng)濟(jì)的控制策略。

對于有供有回的管線，其供熱量的公式為:Q=G供H供－G回H回－ （G供－G回）H自，

式中:G供為一網(wǎng)供水流量;G回為一網(wǎng)回水流量;H供為供水熱焓;H回為回水熱焓。

H自為補(bǔ)水的自然熱焓。忽略一網(wǎng)在站內(nèi)的失水，可以認(rèn)為G供=G回=G。

這樣供熱量的公式為:Q=G（H供－H回）。

由上述公式可以看出，供熱量Q是流量G和熱焓H的函數(shù)，而熱焓H又是壓力和溫度的函數(shù)。所以在調(diào)節(jié)供熱量Q的同時(shí)，一網(wǎng)的流量、壓力和溫度都隨之變化。

因此在調(diào)整一級網(wǎng)的電動調(diào)節(jié)門的同時(shí)，既要合理的控制供熱量，又要防止熱網(wǎng)水力失調(diào)。

由于各熱力站的熱用戶情況、建筑物結(jié)構(gòu)和地理位置等的不同，會造成其單位面積耗熱量 （W/m2）的差異。但由于各換熱熱站所供的負(fù)荷面積輕易不會發(fā)生改變，并且各建筑物的負(fù)荷主要由室外環(huán)境溫度所決定。所以，由外部氣象環(huán)境的變化所引起的各個(gè)換熱站的熱負(fù)荷的變化是同步的，要么同時(shí)需求增大，要么需求同時(shí)降低，但是各個(gè)換熱站之間的熱負(fù)荷的比值是基本不變的。因此，只要前期將系統(tǒng)網(wǎng)管調(diào)節(jié)的完善一些，運(yùn)行期間就基本能夠保持住整體管網(wǎng)的平衡。而且此種控制策略可以使各個(gè)換熱站的調(diào)節(jié)閥動作的頻率較低，這更有得于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

積累了大量的原始運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且對各換熱站的熱用戶情況十分熟悉，這樣可以很容易的擬合出曲線，如圖2所示。

圖2 供熱量曲線Fig.2 Heating load curve

由上圖可知，熱用戶的熱負(fù)荷需求隨室外溫度的變化而變化，如果能根據(jù)室外溫度的變化及時(shí)的調(diào)整供熱量，使其剛好滿足用戶的室內(nèi)溫度需求，這樣將節(jié)約大量的熱能。

（1）優(yōu)點(diǎn):以供熱量來指導(dǎo)換熱站運(yùn)行，一是達(dá)到節(jié)能的目的，二是可以直觀的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直接對換熱站的運(yùn)行情況實(shí)施考核。

（2）缺點(diǎn):供熱量的指標(biāo)和建筑類型有直接的關(guān)系，不能所有建筑物一概而論;再有就是有時(shí)供熱面積的核算不是很準(zhǔn)確，造成單位供熱量測算不準(zhǔn);從自控角度講，調(diào)整供熱量的話，會造成流量壓力溫度同時(shí)變化，可能影響到熱力工況及水力工況，難以掌握。

3.6 分布式變頻控制策略

取消管網(wǎng)中的調(diào)節(jié)設(shè)備，在管網(wǎng)的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置安裝可調(diào)速的水泵，以滿足其后的水力工況要求。如果控制管網(wǎng)中適當(dāng)節(jié)點(diǎn)的壓差，該點(diǎn)稱之為壓差控制點(diǎn)，對于主循環(huán)泵的選擇，只要能夠滿足流量和熱源到壓差控制點(diǎn)的阻力即可，這樣可大大降低主循環(huán)泵的揚(yáng)程，使主循環(huán)泵電機(jī)功率下降;壓差控制點(diǎn)之后的每個(gè)用戶設(shè)置相應(yīng)的分布變頻泵，成為分布式變頻控制系統(tǒng)。取消原來用于支線平衡閥門或電動調(diào)節(jié)閥，從而減少了閥門節(jié)流的能量損失。水泵采用變頻器調(diào)速，主循環(huán)泵可大大降低電能消耗。圖3為分布式變頻控制系統(tǒng)模式水力圖。

（1）優(yōu)點(diǎn):節(jié)約電能可觀，系統(tǒng)整體壓力水平較低，系統(tǒng)更加安全。水力工況更好，基本解決整網(wǎng)熱力平衡問題

（2）缺點(diǎn):一次性投資較大，管理復(fù)雜，泵選型需要精確，對熱網(wǎng)自動化控制水平要求較高

圖3 分布式變頻控制系統(tǒng)模式水力圖Fig.3 Distributed monitoring and control curve

4 結(jié)論

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)本身就是一個(gè)大型的復(fù)雜性系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)能力的好壞不僅取決于管網(wǎng)自身的設(shè)計(jì)及特性，還取決于自動控制水平的參與程度，以及所有相關(guān)人員的綜合素質(zhì)，要做到完全精準(zhǔn)的控制，本身就是一件非常困難的事情。別外室外氣象條件的變化也是千變?nèi)f化，也會對供熱系統(tǒng)本身產(chǎn)生一定的影響。加之供熱系統(tǒng)是一個(gè)慢性較強(qiáng)的系統(tǒng)，不可能過于頻繁地進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則會適得其反。所以一個(gè)好的供熱系統(tǒng)一定要有一個(gè)盡可能準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測功能，更應(yīng)該把以上綜合因素綜合考慮進(jìn)來，并給出及時(shí)、有效的解決方案。

由于本人水平和時(shí)間的限制，對于此系統(tǒng)當(dāng)中的許多細(xì)節(jié)，如上位機(jī)系統(tǒng)及PLC代碼編程、現(xiàn)場各類儀表選型、上位機(jī)與下位系統(tǒng)通訊故障處理，以及其他可能在工程應(yīng)用當(dāng)中出現(xiàn)的問題未做進(jìn)一步的研究和討論。隨著人們熱網(wǎng)工藝水平的不斷提高、科技的不斷發(fā)展，未來的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)必將會向通用化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化的方向穩(wěn)步發(fā)展。

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