熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)

陳青峰 童 靈 傅銘峰

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)

陳青峰 童 靈 傅銘峰

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

以現(xiàn)階段中國北方集中供熱系統(tǒng)存在的問題為出發(fā)點，提出了集中監(jiān)控、熱力站內(nèi)自控、通信支撐、監(jiān)控中心構(gòu)建及節(jié)能優(yōu)化算法實現(xiàn)等解決方案。

自動控制 熱力站 DCS 集中監(jiān)控 節(jié)能優(yōu)化

中國的北方地區(qū)(秦嶺、淮河以北)地處寒溫和溫濕帶，需通過取暖度過寒冷漫長的冬季。目前，中國北方城鎮(zhèn)建筑近60%采用不同規(guī)模的集中供熱系統(tǒng)供熱。

歐洲各國在推進(jìn)供熱系統(tǒng)的節(jié)能過程中，一直是堅持按整套系統(tǒng)綜合考慮的，也就是在以信息化帶動工業(yè)化的時代背景下，通過提高系統(tǒng)整體運行的能效指標(biāo)實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的整體節(jié)能。

現(xiàn)有中國大部分的集中供熱系統(tǒng)并未采取集中監(jiān)控的方式，而是在熱力站內(nèi)配備管理人員(站長)，負(fù)責(zé)儀器和設(shè)備的調(diào)節(jié)。為此，浙江中控自動化儀表有限公司提出并設(shè)計了一套熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)，通過自動化技術(shù)、集中監(jiān)控技術(shù)和節(jié)能優(yōu)化算法，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的整體優(yōu)化和節(jié)能增效。

1 系統(tǒng)構(gòu)成①

筆者闡述的是一套具有無人值守、供熱優(yōu)化及節(jié)能降耗等特點的熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)(圖1)，系統(tǒng)整體分為現(xiàn)場層、控制層、通信層和管理層，其中，管理層又可分為熱力站監(jiān)控中心和供熱優(yōu)化算法，具體如下：

a. 現(xiàn)場層。包含調(diào)壓閥、泵、壓力變送器、溫度傳感器及流量計等一次儀表，還包含熱量表、電量表等計量儀表，也可部署視頻監(jiān)控攝像機(jī)等。

b. 控制層。通過可組態(tài)的控制器，實現(xiàn)站內(nèi)的循環(huán)、補(bǔ)水、供溫的自動/手動調(diào)節(jié)，也可接收來自監(jiān)控中心的控制信號，用于遠(yuǎn)程操控。在本系統(tǒng)中，選用了可便捷組態(tài)的HRC6000熱力站控制器作為站內(nèi)自控系統(tǒng)的核心。

c. 通信層。包含有線(ADSL+VPN)和無線(4G)兩種方式，是整套系統(tǒng)互聯(lián)互通的關(guān)鍵。

d. 熱力站監(jiān)控中心。包括數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器和中心管理服務(wù)器，并部署有相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。

e. 供熱優(yōu)化算法。使用熱網(wǎng)平衡優(yōu)化算法，與熱力站集中監(jiān)控?zé)o縫鏈接，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)、整體優(yōu)化和節(jié)能運行。

圖1 熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)簡圖

2 熱力站控制系統(tǒng)

熱力站分布在城市各處，它通過換熱器將一次管網(wǎng)中的高溫?zé)崴D(zhuǎn)換成進(jìn)入住戶房間散熱器的低溫?zé)崴?。同時，熱力站內(nèi)設(shè)有獨立的增壓系統(tǒng)(循環(huán)泵)和補(bǔ)水系統(tǒng)(補(bǔ)水泵和補(bǔ)水水箱)，用于調(diào)節(jié)二次管網(wǎng)的水壓和水量[1]。熱力站工藝流程如圖2所示。

圖2 熱力站工藝流程

選用HRC6000熱力站控制器(圖3)作為熱力站控制系統(tǒng)的站內(nèi)控制設(shè)備，該款控制器是面向供熱領(lǐng)域的一體化控制設(shè)備，擁有行業(yè)集成、運行穩(wěn)定、組態(tài)便捷及貼近實用等特點。

圖3 熱力站控制器構(gòu)成模塊

HRC6000熱力站控制器采用32位微處理器和7英寸TFT彩色觸摸式液晶顯示屏，內(nèi)置64MB NAND FLASH作為歷史數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，擁有16路模擬量萬能輸入和16路電流輸入、28路開關(guān)量輸入、4路脈沖量輸入、32路開關(guān)量輸出、100mA配電輸出，擁有RS485和RJ45以太網(wǎng)通信接口，同時，前方面板防護(hù)等級符合IP65的要求，可滿足熱力站內(nèi)的使用需求。

HRC6000熱力站控制器在軟件設(shè)計上充分考慮熱力站的運行特點，將復(fù)雜的控制邏輯抽取成行業(yè)集成算法，包括：加泵減泵邏輯算法、泵低頻保護(hù)算法及氣候補(bǔ)償算法等，并配合業(yè)務(wù)引導(dǎo)式組態(tài)軟件，實現(xiàn)熱力站自控邏輯的便捷組態(tài)。由于HRC6000熱力站控制器對復(fù)雜邏輯的封裝，使得工程人員即使不能掌握復(fù)雜的組態(tài)編程，也可借助“業(yè)務(wù)引導(dǎo)式”組態(tài)軟件，通過功能勾選等方式完成組態(tài)功能設(shè)置。業(yè)務(wù)引導(dǎo)式組態(tài)軟件如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)引導(dǎo)式組態(tài)設(shè)置界面

HRC6000熱力站控制器可實現(xiàn)的主要功能如下：

a. 自動控制功能，包括循環(huán)自控、補(bǔ)水自控及調(diào)節(jié)閥/增壓泵自控等；

b. 保護(hù)功能，包括超溫保護(hù)、超壓保護(hù)、失壓保護(hù)、上下限保護(hù)、延時啟泵保護(hù)、補(bǔ)水低頻運行保護(hù)及防汽化保護(hù)等；

c. 切換功能，包括時間控制、輪換控制及檢修控制等；

d. 聯(lián)鎖功能，包括失壓聯(lián)鎖、斷電聯(lián)鎖、自動泄壓聯(lián)鎖、泵閥聯(lián)鎖、補(bǔ)水聯(lián)鎖及水箱液位聯(lián)鎖等；

e. 程序控制功能，可制定節(jié)能模式，分時段運行供暖控制程序；

f. 報警功能，包括主動力電失電/缺相報警、泵故障報警、循環(huán)泵全停報警、站內(nèi)非法闖入報警、控制柜的柜門開啟、物理量過高或過低報警；

g. 其他功能，包括現(xiàn)場設(shè)備間的交互控制、站內(nèi)數(shù)據(jù)(電量、水量、熱量)的采集和結(jié)算、就地控制及遠(yuǎn)程控制等。

3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

由于熱力站分散在城市各處，在熱源、熱力站和熱力管網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)控中心之間，需要有一套穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來支持廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對各運行系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、調(diào)度和管理。通信網(wǎng)絡(luò)分為有線和無線兩套解決方案，可采取有線、無線共存的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 有線/無線通信網(wǎng)的架構(gòu)簡圖

有線通信網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控中心需要一個固定IP地址(或固定域名)，各站點通過通信運營商網(wǎng)絡(luò)平臺(如ADSL)，并借助擁有VPN功能的路由器，使各個子站通過VPN隧道協(xié)議連入監(jiān)控中心，從而使監(jiān)控中心與各熱力站之間構(gòu)成一套穩(wěn)定的實時通信專網(wǎng)。

無線通信網(wǎng)絡(luò)。對于部分通過有線方式接入困難的熱力站，可使用無線通信網(wǎng)絡(luò)，與有線方式類似，監(jiān)控中心也需要一個固定IP地址(或固定域名)，并借助運營商的移動通信網(wǎng)絡(luò)(一般使用4G網(wǎng)絡(luò))，使用無線終端自帶的VPN功能，構(gòu)建一套穩(wěn)定的實時通信專網(wǎng)。

4 熱力站監(jiān)控中心

監(jiān)控中心即為中心控制站(圖6)，主要由監(jiān)控服務(wù)器、中心服務(wù)器、操作員工作站、工程師站、防火墻、通信網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)交換機(jī)、液晶電視墻、打印機(jī)及UPS電源等硬件設(shè)備所組成。其核心作用是通過集中監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理全系統(tǒng)的運行狀態(tài)、總供熱量及總循環(huán)流量等參數(shù)，并擁有遠(yuǎn)程操控?zé)崃φ緝?nèi)設(shè)備運行的功能。

在數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器和中心管理服務(wù)器上，部署SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件和綜合運行管理平臺。SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)控、斷線續(xù)傳及流程圖監(jiān)控等功能，并支持有線和無線兩種通信連接方式。綜合運行管理平臺負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)查詢、對比分析、報警提醒、能耗考核、GIS地理信息平臺及優(yōu)化算法注入接口等功能。其中，能耗考核模塊通過耗能結(jié)算、供熱面積管理、能耗報表及能耗排名等功能，使各熱力站的能耗對比情況一目了然，從而為節(jié)能管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖6 監(jiān)控中心總體層次結(jié)構(gòu)

5 供熱優(yōu)化算法

基于熱力站控制系統(tǒng)、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、熱力站監(jiān)控中心三大模塊的構(gòu)建，使優(yōu)化算法注入節(jié)能控制系統(tǒng)成為可能，本節(jié)將對供熱優(yōu)化算法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

5.1使用集中監(jiān)控后的管理模式

使用集中監(jiān)控系統(tǒng)后，調(diào)度監(jiān)控中心采用的策略是中央監(jiān)測、現(xiàn)場控制。中央管理工作站主要負(fù)責(zé)檢測顯示熱網(wǎng)參數(shù)(必要時可直接切換成遠(yuǎn)程控制)和各站的協(xié)調(diào)，而每個熱力站獨立地工作。

各熱力站采取站內(nèi)無人值守的管理模式，由熱力站控制器完成站內(nèi)的控制操作；由監(jiān)控中心值班人員對熱力站遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；由機(jī)動巡檢維護(hù)人員對熱力站進(jìn)行故障排查，并由熱力站巡檢管理系統(tǒng)對機(jī)動巡檢人員的工作進(jìn)行考核。以此形成對熱力站的自動控制和管理。

5.2該模式存在的問題

在該管理模式中，將各個熱力站視為相互獨立的控制單元，由各站的控制器獨立地對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)整，而忽視了熱源(鍋爐)、網(wǎng)管遠(yuǎn)近分布和鄰近熱力站對本熱力站的影響，缺乏系統(tǒng)的全局性考慮。

熱力站系統(tǒng)是一套耦合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，當(dāng)操作人員手動控制某一閥門動作時，可能會對鄰近的熱力站、遠(yuǎn)端的熱力站的管網(wǎng)流量產(chǎn)生影響，而后通過回水對熱源產(chǎn)生影響，而諸多的耦合因素是操作人員無法估計的。

熱力站各自調(diào)節(jié)，缺乏全局性、系統(tǒng)性的計算，是熱力站控制系統(tǒng)的瓶頸，由此，設(shè)計和使用了一套熱網(wǎng)平衡優(yōu)化算法，并通過優(yōu)化算法注入接口，與集中監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)交互數(shù)據(jù)的對接，以此解決該管理模式存在的問題。

5.3熱網(wǎng)平衡優(yōu)化算法的實現(xiàn)

簡單地說，熱力站平衡算法就是考慮各熱力站、管路輸送時間、區(qū)域性優(yōu)化方案和其他諸多因素，通過熱源(鍋爐)的實時和歷史數(shù)據(jù)，由熱網(wǎng)平衡優(yōu)化算法計算出執(zhí)行要求，并將執(zhí)行要求發(fā)送至各熱力站內(nèi)的控制系統(tǒng)，從而達(dá)到整體節(jié)能的目的。

目前，熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)作用于各熱力機(jī)組相關(guān)的控制對象為：質(zhì)調(diào)節(jié)(二網(wǎng)溫度)和量調(diào)節(jié)(二網(wǎng)流量)。質(zhì)調(diào)節(jié)由二網(wǎng)供溫的設(shè)定值控制一網(wǎng)變頻或閥門開度控制，如圖7所示。量調(diào)節(jié)則由二網(wǎng)供回壓差的設(shè)定值控制二網(wǎng)循環(huán)泵系統(tǒng)，如圖8所示。

圖7 熱網(wǎng)平衡質(zhì)調(diào)節(jié)

圖8 熱網(wǎng)平衡量調(diào)節(jié)

平衡調(diào)節(jié)的相關(guān)策略如下：

a. 當(dāng)熱源充足時，各機(jī)組按配置的控制策略，執(zhí)行節(jié)能控制調(diào)節(jié)。當(dāng)熱源不足時，需要整體降負(fù)荷，以此達(dá)到平衡的目的。

b. 用戶可為每個機(jī)組設(shè)定“啟用流量控制”或“啟用二網(wǎng)溫控”，在不同的選擇情況下，組態(tài)界面也不相同。

c. 當(dāng)熱源不足時，按照優(yōu)先級進(jìn)行協(xié)調(diào)攤派，修正設(shè)定值。

d. 系統(tǒng)可為每個機(jī)組配置組策略，組策略為最高權(quán)限。

平衡調(diào)節(jié)的設(shè)定方式如下：

a. 周期性地向某一數(shù)據(jù)點下發(fā)某一數(shù)據(jù)值，并維持設(shè)定時間長度，維持時間結(jié)束后，可回歸原先值或保持當(dāng)前值；

b. 定時向某一數(shù)據(jù)點下發(fā)某一數(shù)據(jù)值，并維持設(shè)定時間長度，維持時間結(jié)束后，可回歸原先值或保持當(dāng)前值；

c. 檢查策略間是否存在沖突。

5.4節(jié)能效果

浙江中控自動化儀表公司將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于合肥熱電集團(tuán)、山東魚臺、黑龍江鐵力宇祥、山東日照建設(shè)熱力、張家口橋西、山西懷仁及河北威縣等熱力站無人值守和綜合運行系統(tǒng)，取得了良好的節(jié)能效果和用戶滿意度，主要體現(xiàn)在：

a. 通過現(xiàn)場無人值守的監(jiān)控管理，撤銷了站內(nèi)人力駐守，采取換熱站內(nèi)自控+中心站遠(yuǎn)程操控相結(jié)合的方式，既節(jié)省了管理成本，又提高了住戶滿意度；

b. 實時掌握站內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)和報警信息，有效調(diào)度機(jī)動隊伍的巡檢路線，使得站內(nèi)問題得到快速處理，從而保護(hù)站內(nèi)設(shè)備、保障供熱運行；

c. 通過熱網(wǎng)平衡算法中的質(zhì)調(diào)節(jié)，降低了熱能的無故散損，減少了總體供熱量，從而每個供熱季可為熱力公司節(jié)省10%～15%的燃料消耗；

d. 通過熱網(wǎng)平衡算法中的量調(diào)節(jié)，增大了二次網(wǎng)的運行溫差，避免了大流量小溫差的發(fā)生，從而為熱力公司節(jié)約20%以上的電能消耗。

6 結(jié)束語

筆者從目前中國的集中供熱現(xiàn)狀出發(fā)，提出并構(gòu)建了一套由熱力站控制系統(tǒng)、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、熱力站監(jiān)控中心三大模塊和供熱優(yōu)化算法組成的熱力站節(jié)能控制系統(tǒng)，并對熱網(wǎng)平衡優(yōu)化算法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)增強(qiáng)了供熱系統(tǒng)的自動化水平、提高了集中供熱綜合管理能力、節(jié)約了先前因操作不當(dāng)而損失的熱能。并利用熱網(wǎng)平衡優(yōu)化算法，節(jié)省了供熱系統(tǒng)的熱能和水泵運行的電能，使得熱力站能夠安全、穩(wěn)定、節(jié)能運行，提升了城市供熱系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1] 曹宏麟.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].山西建筑,2010,36(1):207～208.

Energy-savingControlSystemforHeatingSupplyStations

CHEN Qing-feng, TONG Ling, FU Ming-feng

(ZhejiangSUPCONInstrumentCo.,Ltd.,Hangzhou310052,China)

Starting with discussing the matters which bothering central heating system in North China, the schemes of centralized monitoring, auto-control over heating supply stations, communication support, establishing monitoring center and adopting energy-saving and optimization algorithms there were proposed.

auto-control, heating station, DCS, centralized monitoring, energy-saving and optimization

2016-04-07(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)07-0763-05