淺析集中供熱自動(dòng)化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制

石峰

【摘 要】我國的集中供熱和外國的集中供熱相比起來可能有很大的差別，尤其在熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)和控制這一領(lǐng)域，國外已經(jīng)達(dá)到了很先進(jìn)的自動(dòng)化水平，而我國自動(dòng)化控制的水平還處于一個(gè)起步的階段。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的自動(dòng)化技術(shù)在集中供熱的應(yīng)用中還處于一個(gè)比較緩慢的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。不過，伴隨著自動(dòng)化和測控技術(shù)在我國的快速發(fā)展， 相信越來越多的集中供熱企業(yè)的自動(dòng)化控制應(yīng)用技術(shù)將得到不斷的提高。

【關(guān)鍵詞】集中供熱；自動(dòng)化系統(tǒng)；協(xié)調(diào)與控制

前言：

隨著供熱負(fù)荷不斷增加，管網(wǎng)控制問題日漸突出，為了提高供熱系統(tǒng)的能源利用，就必須建立相匹配的控制系統(tǒng)。首先要從自動(dòng)化控制方面著手提高供熱技術(shù)水平，掌握供熱系統(tǒng)的運(yùn)行情況。其次是對熱力站內(nèi)供熱運(yùn)行的各種參數(shù)進(jìn)行采集，這樣有利于保證供熱系統(tǒng)安全，合理的運(yùn)行，并且可以根據(jù)運(yùn)行狀況選擇最好的運(yùn)行方式，維持供熱系統(tǒng)的供熱質(zhì)量和供熱公司的效益。

一、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用及位置

熱網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PC+PLC模式，以此實(shí)現(xiàn)對整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)的集中管理、分散控制。系統(tǒng)主工控機(jī)設(shè)在熱網(wǎng)控制中心。主要負(fù)責(zé)采集過程數(shù)據(jù)。并提供操作指導(dǎo)、設(shè)備控制、故障診斷、報(bào)警信息、事件報(bào)告、數(shù)據(jù)處理、趨勢顯示監(jiān)測系統(tǒng)由一個(gè)熱網(wǎng)控制中心及若干個(gè)PLC遠(yuǎn)程子站組成，負(fù)責(zé)各站內(nèi)數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)、系統(tǒng)報(bào)警、將檢測的數(shù)據(jù)傳送到熱網(wǎng)控制中心上位機(jī)等功能。熱網(wǎng)控制中心主要任務(wù)是負(fù)責(zé)供熱系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行，體現(xiàn)為：全熱網(wǎng)熱力平衡管理，包括對一次網(wǎng)的平衡管理與二次網(wǎng)的平衡管理：使熱源供熱量合理并隨氣象預(yù)報(bào)（包含風(fēng)、雪天影響等）進(jìn)行科學(xué)預(yù)測與規(guī)劃，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

二、系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

1、均勻性調(diào)節(jié)控制策略

集中供熱系統(tǒng)具有大慣性、長時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)，而且是一種存在耦合的多輸人、多輸出系統(tǒng)。直接實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)的單回路死循環(huán)控制是十分困難的，因此采用了均勻性控制策略。

（1）統(tǒng)一設(shè)定，單獨(dú)調(diào)整

均勻性調(diào)節(jié)的最終目標(biāo)是使用戶的室溫達(dá)到一致 為此，將二次網(wǎng)的供回水平均溫度作為被調(diào)量：為消除系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)，根據(jù)各熱力站二次側(cè)供回水平均溫度與全網(wǎng)平均值的偏差統(tǒng)一設(shè)定各熱力站的被調(diào)量，各熱力站再以此為設(shè)定值進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。

（2）限制幅度，逐漸調(diào)勻

由于系統(tǒng)的大慣性及傳輸延遲，因此不能連續(xù)調(diào)節(jié)，否則將引起系統(tǒng)振蕩。調(diào)節(jié)的時(shí)間間隔不能太短整個(gè)調(diào)節(jié)應(yīng)使各熱力站二次側(cè)供回水平均溫度逐漸趨于一致，每次閥門調(diào)節(jié)的幅度不能太大，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。

a各熱力站的獨(dú)立調(diào)節(jié)采用串級(jí)調(diào)節(jié)。

對應(yīng)統(tǒng)一設(shè)定的二次網(wǎng)供回水平均溫度，將獨(dú)立控制回路分為二次網(wǎng)供回水平均溫度控制回路與一次網(wǎng)流量控制回路，根據(jù)平均溫度的偏差確定一次網(wǎng)流量的設(shè)定值，然后調(diào)節(jié)閥門開度使流量達(dá)到設(shè)定值由于流量控制回路是一個(gè)快速響應(yīng)回路，因此采用這種串級(jí)調(diào)節(jié)可以較好地解除熱網(wǎng)慣性的不利影響。

b水力耦合的解除

國內(nèi)供熱系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性普遍較差，當(dāng)調(diào)節(jié)某一支路的閥門時(shí)，不僅本支路的流量隨之變化，相鄰支路的流量也同樣發(fā)生變化 對于一些穩(wěn)定性較差的支路，如果簡單地采用單回路死循環(huán)控制而不考慮這種穩(wěn)定性的狀況，就容易引發(fā)振蕩因此，必須在對各用戶水力穩(wěn)定性綜合評判的基礎(chǔ)上，確定具體的調(diào)節(jié)策略，對部分熱力站必須采取具體的解耦措施 這些解耦措施通過間連熱網(wǎng)全網(wǎng)優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)。

c參數(shù)辨識(shí)與專家系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中的測量數(shù)據(jù)，可以對系統(tǒng)中的一些重要水力參數(shù)與熱力參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)控制的專家系統(tǒng)，預(yù)測控制參數(shù)的變化趨勢，對有些環(huán)節(jié)采用前饋+反饋的方法控制，從而消除系統(tǒng)慣性的影響。

2、通過水力計(jì)算完成電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型

在集中供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是最重要的設(shè)備之一，由它們來控制各直供站的溫度。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型不僅會(huì)影響系統(tǒng)的投資，而且還會(huì)影響控制效果。針對供熱系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性問題，選擇修正等百分比特性的閥門 在選擇調(diào)節(jié)閥口徑時(shí)，考慮讓電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作在其調(diào)節(jié)性能較好的開度范圍內(nèi)，同時(shí)保證閥門不發(fā)生水擊或汽蝕 根據(jù)供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)流量進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算出各環(huán)路的剩余資用壓頭，從剩余資用壓頭中減去站內(nèi)預(yù)留資用壓頭，余下的剩余資用壓頭即為需用閥門消耗掉的壓頭。

3、采用先進(jìn)的調(diào)控軟件系統(tǒng)

（1）間連熱網(wǎng)全網(wǎng)優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件，主要功能：權(quán)限的管理、全網(wǎng)平衡、控制效果的評價(jià)、負(fù)荷預(yù)測、閥位自動(dòng)跟蹤、效果排行、控制方式選擇等。

（2）熱網(wǎng)專用水力計(jì)算軟件，主要功能：現(xiàn)有供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理：分配流量，計(jì)算水頭損失，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)水壓，生成壓力平面圖與流量平面圖；對現(xiàn)有/未來供熱管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及分析：分析系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀況：當(dāng)前調(diào)度方案的檢驗(yàn)；系統(tǒng)新增管網(wǎng)設(shè)施的規(guī)劃與設(shè)計(jì)：系統(tǒng)改擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)。

4、智能控制

集中供熱網(wǎng)由于熱工過程大多是強(qiáng)耦的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性隨著運(yùn)行工況的變化而大幅度變化，且各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性差異很大，許多環(huán)節(jié)還具有慣性、滯后、非線性和不確定性等特性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，使傳統(tǒng)控制理論的應(yīng)用受到限制。因此，可以選擇不依賴系統(tǒng)模型，同時(shí)又能隨著工業(yè)過程實(shí)際環(huán)境的改變進(jìn)行自主學(xué)習(xí)推理的智能控制。針對集中供熱工程中熱網(wǎng)分布不均勻、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高供熱效益，提出了專家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。針對供熱網(wǎng)中大時(shí)滯現(xiàn)象，提出了一種新的模糊控制器結(jié)構(gòu)。這種模糊控制器通過在線辨識(shí)廣義時(shí)滯，將時(shí)滯辨識(shí)的結(jié)果模糊化，決策出模糊規(guī)則組，填充主模糊規(guī)則表，達(dá)到自適應(yīng)的目的。以解決控制對象中由大時(shí)滯和時(shí)變引起的不易控制和參數(shù)調(diào)整困難的問題。

5、與其他系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)

系統(tǒng)選擇的上位軟件具有很好的開放性，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫并可通過DDE、OPC等方式靈活實(shí)現(xiàn)與其他軟件的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換 另外，上層通信網(wǎng)絡(luò)直接采用TCP/IP通信協(xié)議，在熱網(wǎng)監(jiān)控中心設(shè)置訪問控制權(quán)限后，可通過網(wǎng)絡(luò)、在輸入用戶名密碼后直接訪問監(jiān)控系統(tǒng)，并觀看監(jiān)控畫面。

三、系統(tǒng)功能

1、供熱參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測：實(shí)時(shí)采集及顯示熱力站一級(jí)網(wǎng)與二級(jí)網(wǎng)供回水溫度與壓力、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)庫管理及報(bào)表打?。簲?shù)據(jù)儲(chǔ)存、維護(hù)、轉(zhuǎn)換，并能方便查詢與顯示參數(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：根據(jù)實(shí)測參數(shù)統(tǒng)計(jì)各源、站及全網(wǎng)的能耗與水耗，為量化管理與收費(fèi)提供依據(jù)。

4、供熱系統(tǒng)自動(dòng)控制。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 在通信故障時(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)場控制單元對各熱力站內(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，中央監(jiān)控站根據(jù)用戶流量變化，按照末端用戶壓差調(diào)節(jié)首站的變頻泵轉(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，中央監(jiān)控站要根據(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。

5、故障診斷及報(bào)警：根據(jù)參數(shù)信息及時(shí)診斷各系統(tǒng)的故障并指導(dǎo)維護(hù)。

6、自動(dòng)對全網(wǎng)水力工況進(jìn)行分析，對首站及主調(diào)速水泵、各熱力站、峰荷鍋爐房供熱量進(jìn)行控制。

結(jié)束語：

總之，集中供熱系統(tǒng)具有設(shè)備多、熱參數(shù)多、信息傳遞滯后和系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性等特點(diǎn)，供熱企業(yè)要達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，集中控制供熱設(shè)備，就必須提高供熱系統(tǒng)電氣控制的自動(dòng)化程度。所以，加強(qiáng)集中供熱自動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，對提高集中供熱系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，有重大意義。

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