基于局域網(wǎng)的換熱站蒸汽熱量計(jì)量原理與運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李明明++咸夫正++李飛++石文彬

摘要：本文主要介紹了基于校園局域網(wǎng)的換熱站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集器采集傳感器數(shù)據(jù)，通過485總線和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心的上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，處理，顯示。首先詳細(xì)介紹了換熱站中蒸汽熱量的計(jì)量原理與數(shù)學(xué)模型，以及其他運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)原理方法。然后介紹說明換熱站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示意圖和系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)圖。最后講解了上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的主要模塊和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能。

關(guān)鍵詞：換熱站 在線監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān) 過熱蒸汽 飽和蒸汽

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0167-03

1 引言

近年來，隨著國(guó)家能源緊張和各種節(jié)能環(huán)保政策的相繼出臺(tái)，城市集中供熱系統(tǒng)在北方許多中小城市得到迅速發(fā)展。目前對(duì)于很多校園內(nèi)的換熱站集中供暖的概算熱指標(biāo)一般都是偏大的。有部分原因是換熱站的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制仍然是依靠人工監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)完成[1]，缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段。隨著換熱站的信息化建設(shè)，換熱站監(jiān)測(cè)已經(jīng)從以前的粗放式管理開始向信息化管理過渡。

基于TCP/IP協(xié)議校園局域網(wǎng)的換熱站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)換熱站的熱量、溫度、壓力、流量、電能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱過程的有效遙測(cè)。對(duì)于換熱站的運(yùn)行工況，不利工況點(diǎn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全面的了解，并可根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行供熱規(guī)劃和科學(xué)調(diào)配，為熱力部門提供準(zhǔn)確、有效的重要數(shù)據(jù)。

2 蒸汽熱量計(jì)量原理及其他運(yùn)行參數(shù)計(jì)量

2.1 蒸汽熱量計(jì)量原理

蒸汽在運(yùn)行過程中由于工況參數(shù)的變化，會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化，飽和蒸汽和過熱蒸汽的密度分別有著不同的數(shù)學(xué)描述模型，蒸汽熱量計(jì)量是一個(gè)非常的復(fù)雜的計(jì)量過程，在這里詳細(xì)介紹蒸汽熱量計(jì)量的理論基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)方法。以下是所要進(jìn)行的數(shù)學(xué)模型分析：

所有公式中，表示蒸汽密度，單位；表示蒸汽壓力，單位；表示蒸汽溫度℃；表示蒸汽熱量，單位；表示蒸汽質(zhì)量流量，單位；表示蒸汽焓值，單位；表示蒸汽的體積流量，單位。

式（1）是我們采用蒸汽性質(zhì)的專用手冊(cè)中給出的飽和蒸汽密度的擬合公式[2]，在0.1MPa～5.0MPa壓力情況下的相對(duì)誤差<0.5%。

式（2）采用的是最小二乘法擬合出來的過熱蒸汽密度公式。它是溫度與壓力兩種參數(shù)同時(shí)補(bǔ)償?shù)拿芏扔?jì)算公式[3]，基本涵蓋了工業(yè)蒸汽范圍，且計(jì)算精度較高。

蒸汽的熱量可以按式（3）熱力學(xué)公式計(jì)算。蒸汽的質(zhì)量流量可以按式（4）計(jì)算。

由以上分析可知只要得到蒸汽的質(zhì)量流量和其焓值就可以利用公式進(jìn)行熱量的計(jì)算。這里蒸汽的焓值與蒸汽壓力和溫度有關(guān)系[4]，蒸汽焓值采用式（5）計(jì)算，上式按文獻(xiàn)以最小二乘法原理計(jì)算得到的，最大誤差為0.14%（在=0.4，=160℃時(shí)誤差最大）。

如果已知蒸汽壓力，可以通過查表，獲得該壓力下的飽和蒸汽溫度，若蒸汽溫度大于飽和溫度，可以說明此蒸汽是過熱的，若溫度與飽和相等，就是飽和的。根據(jù)蒸汽的狀態(tài)，分別建立蒸汽流量的數(shù)學(xué)模型，無論哪種狀態(tài)，對(duì)于蒸汽的熱量都有式（6）這樣的模型形式。

在儀器中我們使用PT1000測(cè)量溫度，使用渦街流量計(jì)測(cè)量體積流量，使用壓阻式壓力傳感器測(cè)量壓力。

2.2 電能計(jì)量、水量計(jì)量、溫度計(jì)量、壓力計(jì)量

為了便于計(jì)量整個(gè)換熱站的電能消耗，我們使用三相電能計(jì)量表，然后用該電能表留有的RS485通信接口，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與水電暖辦公室監(jiān)控中心的上位機(jī)通信，將電能消耗數(shù)據(jù)上傳。

在計(jì)量整個(gè)換熱站的水流量中，我們使用了一個(gè)電磁閥流量計(jì)，用于測(cè)量補(bǔ)水泵處的水流量的計(jì)量，一次側(cè)的蒸汽流量、回水流量由熱量計(jì)讀取，二次的進(jìn)水、回水流量同樣由熱量計(jì)讀取。

為了便于計(jì)量整個(gè)換熱站的溫度，現(xiàn)場(chǎng)使用了六個(gè)溫度傳感器，包括五個(gè)測(cè)量水溫度、蒸汽溫度，一個(gè)測(cè)量換熱站現(xiàn)場(chǎng)溫度，我們還使用了一個(gè)溫度采集器，采集存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，之后通過485網(wǎng)與局域網(wǎng)上傳至上位機(jī)。

在計(jì)量整個(gè)換熱站的水蒸氣壓力和水壓中，我們使用了五個(gè)壓力傳感器，和一個(gè)壓力采集器，采集存儲(chǔ)壓力數(shù)據(jù)。之后通過485網(wǎng)與局域網(wǎng)上傳至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

該換熱站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開發(fā)的機(jī)[5]，主要包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分主要由現(xiàn)場(chǎng)傳感器、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳輸設(shè)備和終端數(shù)據(jù)處理顯示設(shè)備四大部分組成。軟件部分包括兩大功能模塊：數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行程序和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖2所示是換熱站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)示意圖?，F(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)控的主要參數(shù)有設(shè)備運(yùn)行所消耗的電能量；換熱器兩側(cè)的熱量消耗；兩側(cè)兩對(duì)進(jìn)水（或蒸汽）回水的壓力、溫度、流量；補(bǔ)水箱的壓力、溫度、流量；還有換熱站現(xiàn)場(chǎng)的溫度。其中電能消耗包括控制循環(huán)泵的變頻器和五個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。循環(huán)泵和補(bǔ)水泵主要是由變頻器根據(jù)設(shè)定定點(diǎn)壓力變頻控制的。

4 下位機(jī)程序與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 部分下位機(jī)程序流程圖

基于局域網(wǎng)的換熱站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中涉及的軟件設(shè)計(jì)主要包括：現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)各采集器的運(yùn)行監(jiān)測(cè)采集通信程序和上位機(jī)的中央監(jiān)測(cè)機(jī)的管理軟件。

中央監(jiān)測(cè)機(jī)軟件是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，按照模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)的具有面向?qū)ο?、分布式、多線程、安全性和可靠性高的特點(diǎn)[6]。

4.2 中央監(jiān)測(cè)軟件分為三個(gè)部分

用戶接口服務(wù)程序、數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)庫管理程序。

4.2.1 用戶接口服務(wù)程序

用戶接口服務(wù)程序也稱為前臺(tái)程序?；竟δ苁窃谄聊簧巷@示各種圖形和數(shù)據(jù)，同時(shí)與用戶進(jìn)行各種信息交換，執(zhí)行用戶發(fā)出的各種指令。

4.2.2 數(shù)據(jù)通訊和處理程序endprint

本系統(tǒng)的換熱站現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)的通訊程序是采用C語言編寫的，由于數(shù)據(jù)的格式與上位機(jī)的不同，因此中央控制程序必須對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過校驗(yàn)，得到正確數(shù)據(jù)。

4.2.3 用數(shù)據(jù)庫管理程序

數(shù)據(jù)庫管理程序用來對(duì)測(cè)量參數(shù)和分析統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)庫選用SQL SERVER2000大型數(shù)據(jù)庫，它能夠保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，完成各種調(diào)用與顯示。

5 系統(tǒng)主要功能

基于局域網(wǎng)的換熱站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能模塊主要包括以下模塊。

5.1 總監(jiān)測(cè)界面

總監(jiān)測(cè)界面中間是供熱站供熱工藝流程圖，包括各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的直接顯示；界面的下方是四個(gè)主要溫度的曲線顯示圖；界面左側(cè)是一些控制按鈕。按鈕包括換熱站號(hào)的切換、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、換熱站數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表、返回。當(dāng)用戶點(diǎn)擊某一連接按鈕時(shí)，將進(jìn)入相應(yīng)的功能界面?？偙O(jiān)測(cè)界面的右下方是換熱站相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值顯示。總監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

5.2 監(jiān)控界面的參數(shù)設(shè)置

該模塊可對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如監(jiān)測(cè)周期，報(bào)警值，保存數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度等。

5.3 其他功能模塊

可以調(diào)取各種歷史數(shù)據(jù)，便于分析歷史運(yùn)行狀況。其中現(xiàn)場(chǎng)供熱工藝流程圖可以直觀形象的顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)置可以讓監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。換熱站站號(hào)切換功能，便于整個(gè)校園的換熱站之間的監(jiān)測(cè)界面切換，以達(dá)到更好的高效、便捷地監(jiān)測(cè)效果。

6 結(jié)語

本套換熱站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到換熱站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助監(jiān)測(cè)管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況。為換熱站的安全、高效運(yùn)行提供參數(shù)數(shù)據(jù)依據(jù)，從而保證整個(gè)供熱系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。雖然該系統(tǒng)是針對(duì)校園供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但對(duì)于其他集中供熱系統(tǒng)具有積極的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吳清收，王燕霞.換熱站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008（6），25-27.

[2]節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè).北京化工大學(xué)出版社，1995年.

[3]蒸汽熱量計(jì)量手冊(cè).北京化工大學(xué)出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行業(yè)蒸汽熱量計(jì)量?jī)x的研究.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]連國(guó)鈞.動(dòng)力控制工程[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[6]劉曉華.精通JAVA核心技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.endprint

本系統(tǒng)的換熱站現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)的通訊程序是采用C語言編寫的，由于數(shù)據(jù)的格式與上位機(jī)的不同，因此中央控制程序必須對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過校驗(yàn)，得到正確數(shù)據(jù)。

4.2.3 用數(shù)據(jù)庫管理程序

數(shù)據(jù)庫管理程序用來對(duì)測(cè)量參數(shù)和分析統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)庫選用SQL SERVER2000大型數(shù)據(jù)庫，它能夠保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，完成各種調(diào)用與顯示。

5 系統(tǒng)主要功能

基于局域網(wǎng)的換熱站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能模塊主要包括以下模塊。

5.1 總監(jiān)測(cè)界面

總監(jiān)測(cè)界面中間是供熱站供熱工藝流程圖，包括各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的直接顯示；界面的下方是四個(gè)主要溫度的曲線顯示圖；界面左側(cè)是一些控制按鈕。按鈕包括換熱站號(hào)的切換、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、換熱站數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表、返回。當(dāng)用戶點(diǎn)擊某一連接按鈕時(shí)，將進(jìn)入相應(yīng)的功能界面。總監(jiān)測(cè)界面的右下方是換熱站相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值顯示?？偙O(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

5.2 監(jiān)控界面的參數(shù)設(shè)置

該模塊可對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如監(jiān)測(cè)周期，報(bào)警值，保存數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度等。

5.3 其他功能模塊

可以調(diào)取各種歷史數(shù)據(jù)，便于分析歷史運(yùn)行狀況。其中現(xiàn)場(chǎng)供熱工藝流程圖可以直觀形象的顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)置可以讓監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。換熱站站號(hào)切換功能，便于整個(gè)校園的換熱站之間的監(jiān)測(cè)界面切換，以達(dá)到更好的高效、便捷地監(jiān)測(cè)效果。

6 結(jié)語

本套換熱站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到換熱站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助監(jiān)測(cè)管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況。為換熱站的安全、高效運(yùn)行提供參數(shù)數(shù)據(jù)依據(jù)，從而保證整個(gè)供熱系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。雖然該系統(tǒng)是針對(duì)校園供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但對(duì)于其他集中供熱系統(tǒng)具有積極的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吳清收，王燕霞.換熱站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008（6），25-27.

[2]節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè).北京化工大學(xué)出版社，1995年.

[3]蒸汽熱量計(jì)量手冊(cè).北京化工大學(xué)出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行業(yè)蒸汽熱量計(jì)量?jī)x的研究.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]連國(guó)鈞.動(dòng)力控制工程[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[6]劉曉華.精通JAVA核心技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.endprint

本系統(tǒng)的換熱站現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)的通訊程序是采用C語言編寫的，由于數(shù)據(jù)的格式與上位機(jī)的不同，因此中央控制程序必須對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過校驗(yàn)，得到正確數(shù)據(jù)。

4.2.3 用數(shù)據(jù)庫管理程序

數(shù)據(jù)庫管理程序用來對(duì)測(cè)量參數(shù)和分析統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)庫選用SQL SERVER2000大型數(shù)據(jù)庫，它能夠保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，完成各種調(diào)用與顯示。

5 系統(tǒng)主要功能

基于局域網(wǎng)的換熱站運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能模塊主要包括以下模塊。

5.1 總監(jiān)測(cè)界面

總監(jiān)測(cè)界面中間是供熱站供熱工藝流程圖，包括各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的直接顯示；界面的下方是四個(gè)主要溫度的曲線顯示圖；界面左側(cè)是一些控制按鈕。按鈕包括換熱站號(hào)的切換、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、換熱站數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表、返回。當(dāng)用戶點(diǎn)擊某一連接按鈕時(shí)，將進(jìn)入相應(yīng)的功能界面。總監(jiān)測(cè)界面的右下方是換熱站相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值顯示?？偙O(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

5.2 監(jiān)控界面的參數(shù)設(shè)置

該模塊可對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如監(jiān)測(cè)周期，報(bào)警值，保存數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度等。

5.3 其他功能模塊

可以調(diào)取各種歷史數(shù)據(jù)，便于分析歷史運(yùn)行狀況。其中現(xiàn)場(chǎng)供熱工藝流程圖可以直觀形象的顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)置可以讓監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。換熱站站號(hào)切換功能，便于整個(gè)校園的換熱站之間的監(jiān)測(cè)界面切換，以達(dá)到更好的高效、便捷地監(jiān)測(cè)效果。

6 結(jié)語

本套換熱站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到換熱站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助監(jiān)測(cè)管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況。為換熱站的安全、高效運(yùn)行提供參數(shù)數(shù)據(jù)依據(jù)，從而保證整個(gè)供熱系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。雖然該系統(tǒng)是針對(duì)校園供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但對(duì)于其他集中供熱系統(tǒng)具有積極的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吳清收，王燕霞.換熱站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008（6），25-27.

[2]節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè).北京化工大學(xué)出版社，1995年.

[3]蒸汽熱量計(jì)量手冊(cè).北京化工大學(xué)出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行業(yè)蒸汽熱量計(jì)量?jī)x的研究.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]連國(guó)鈞.動(dòng)力控制工程[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[6]劉曉華.精通JAVA核心技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.endprint