淺談自動化控制系統(tǒng)在熱力站的應(yīng)用

李碩輝，王海群

（1.曹妃甸熱力公司；2.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063000）

在我國多數(shù)熱力站的供熱管網(wǎng)存在失水率高、熱損耗大、滲水等一系列問題，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制程度不高，調(diào)節(jié)水平相對落后。控制中仍然采用人工調(diào)節(jié)閥門、人工補(bǔ)水的方式，自動化水平不高，二次管網(wǎng)水壓力差變化較大，系統(tǒng)運(yùn)行存在很大的浪費(fèi)。在熱力站內(nèi)，對用戶供熱系統(tǒng)溫度進(jìn)行自動監(jiān)測和控制，能很好地保證用戶室溫在設(shè)定范圍內(nèi)波動，不僅節(jié)省了大量的人力和物力，還提高了自動化程度及控制的精度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，集中供熱行業(yè)為進(jìn)一步改善供熱效果，提高供熱能效，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動監(jiān)控是發(fā)展的必然趨勢。

1 集中供熱發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀

人們在社會生產(chǎn)和日常生活中都需要使用大量的熱能，將自然界的能量直接或間接地轉(zhuǎn)化為熱能，以滿足人們的需要。眾所周知，供熱就是用人工方法向室內(nèi)供給熱量，保持一定的室內(nèi)溫度，以創(chuàng)造適宜的生活或工作條件。集中供熱是由熱源、熱網(wǎng)、熱力站和多種形式的熱用戶所組成。熱源通過熱力管網(wǎng)把熱媒輸送到城市各個地區(qū)的熱力站，在此借助于換熱機(jī)組這一重要設(shè)備，經(jīng)過充分的熱交換，將滿足供暖溫度要求的熱水供應(yīng)到多種形式的熱用戶處。集中供熱最早出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，當(dāng)時西方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步催生了小規(guī)模的集中供熱系統(tǒng)。20世紀(jì)初，一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家在熱電廠設(shè)計(jì)中，開始逐漸采用熱電聯(lián)產(chǎn)的方式，為生產(chǎn)和生活用熱提供能源，并逐漸實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化控制。尤其是二次大戰(zhàn)以后，城鎮(zhèn)集中供熱得到很大的發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)的方式得到了大力推廣，能源使用得到了解決，提高了人民的生活水平，保證了生產(chǎn)用熱的要求。

我國的集中供熱事業(yè)起步較晚，目前還處于發(fā)展初期，存在著能耗高、管理水平低等問題。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，集中供熱系統(tǒng)開始不斷引入新的科技，在技術(shù)水平和管理水平方面均取得很大進(jìn)展，但是與國際化水平相對比而言，技術(shù)水平仍然偏低。在我國多數(shù)熱力站供熱管網(wǎng)多存在失水率高、熱損耗大、滲水等一系列問題，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制程度不高，調(diào)節(jié)水平非常落后。在北方不同城市中均設(shè)置了很多熱源，各個熱源能夠相互連接，但是在控制中仍然采用定速循環(huán)、補(bǔ)水的方式，自動化水平不高，而且在設(shè)計(jì)中沒有考慮到監(jiān)測設(shè)計(jì)，因此很多熱源想要實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)將非常困難，系統(tǒng)運(yùn)行存在極大的浪費(fèi)。在供熱管網(wǎng)運(yùn)行中引入新技術(shù)和新設(shè)備，不僅能夠提高熱力站的自動化控制水平，同時也能夠節(jié)約能源，滿足市場大眾的不同需求?？紤]到我國的能源形勢非常嚴(yán)峻，熱力站實(shí)施自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)也能夠節(jié)約能源，有利于實(shí)現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此在供熱系統(tǒng)熱力站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)中，主要任務(wù)就是不斷提高自動化水平，滿足用戶的不同需求，降低能耗。

2 國內(nèi)外的研究動向及發(fā)展

在國外，熱力站的控制水平比較高，部分國家的集中供暖方面發(fā)展很快，如德國、日本、瑞典、美國等國家，在集中供暖設(shè)備、供暖技術(shù)、控制技術(shù)以及管理水平等方面都取得很大進(jìn)展，這些國家基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測和控制集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行。在集中供熱系統(tǒng)中，自動化技術(shù)是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要條件，監(jiān)測內(nèi)容包括熱量、溫度、報警燈、壓力等指標(biāo)。監(jiān)測和控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在很多方面，熱力站在調(diào)節(jié)供回水溫度中需要根據(jù)室外溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，熱力站運(yùn)動參數(shù)等的監(jiān)測在總控制室就能夠?qū)崿F(xiàn)，變頻泵能夠通過不利點(diǎn)用戶壓差進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變流量控制。美國、日本、俄羅斯、德國等均已實(shí)現(xiàn)了熱力站的遠(yuǎn)程控制及無人值守。

我國早期在建立城市集中供熱系統(tǒng)中，受到當(dāng)時技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等條件的影響，全部采用手工控制的方式，而且這種控制模式到現(xiàn)在仍然在運(yùn)行，運(yùn)行人員在控制中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，不僅容易造成資源的浪費(fèi)，而且工作量很大，但是控制效果往往不盡人意。近些年隨著環(huán)境的不斷惡化，手工控制缺陷逐漸涌現(xiàn)，已經(jīng)不再適合市場的需求，開發(fā)自動化控制勢在必行。

適應(yīng)市場要求，有些生產(chǎn)換熱器的企業(yè)開始研究節(jié)能型換熱機(jī)組，這種換熱機(jī)組是通過自力式溫度控制閥的感溫器，測量二次側(cè)的供水溫度，控制一次側(cè)閥們的開度，利用電接點(diǎn)壓力表實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)水泵的自動控制。這種控制方式比手動控制的熱力站有了進(jìn)步，對溫度控制能力有所提高，但供水的溫度還是由運(yùn)行人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定，再加上自力式溫度控制閥是仿制國外的，控制精度也很不理想，因此這一代產(chǎn)品與手動控制方式并沒有本質(zhì)的區(qū)別。另外靠電接點(diǎn)壓力控制補(bǔ)水泵，系統(tǒng)很不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)回水超壓事故。最近幾年，隨著集中供熱的快速發(fā)展，有很多公司加入到換熱機(jī)組的生產(chǎn)行列，使熱力站的控制技術(shù)有所進(jìn)步，但與國外的先進(jìn)水平相比還有一定差距。由于熱力站在運(yùn)行中，存在熱工過程時滯時間長、非線性變化等因素，在現(xiàn)實(shí)中想要建立線性數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)控制，難度很大，采用模糊控制將會取得較好的控制效果。

3 集中供熱系統(tǒng)自動控制技術(shù)的優(yōu)勢

目前，我國集中供熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中基本采用的方式比較一致，城市中分布多個熱源，規(guī)模很大，在控制部分，主要是利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)測熱能供應(yīng)的情況，隨著集中供熱系統(tǒng)的應(yīng)用，熱效率得到提高，也取得很大的節(jié)能效果。但是在集中供熱的樞紐——熱力站，絕大多數(shù)熱力站控制系統(tǒng)的自動化水平很低，仍然采用人工調(diào)節(jié)的方式，而且運(yùn)行穩(wěn)定性不高，容易造成極大的浪費(fèi)。我國采暖能耗高的主要原因除了采暖建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量大外，采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行的不合理，不能夠?qū)崿F(xiàn)按需供熱也是一個重要原因。為努力貫徹我國節(jié)能減排政策，集中供暖系統(tǒng)有必要改進(jìn)建筑采暖能耗大、質(zhì)量差等問題，積極改進(jìn)建筑設(shè)計(jì)和采暖設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)問題，有效控制集中供暖的能耗問題。

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的逐漸加快，供熱問題已經(jīng)成為非常關(guān)注的問題之一，同時集中供熱的情況也會影響到我國居民的生活與工作?，F(xiàn)階段集中供熱系統(tǒng)存在的主要弊端就是耗能比較大，污染也非常嚴(yán)重，并且其中還存在著管理和自動化水平較低的現(xiàn)象。這些情況都將嚴(yán)重影響我國供熱系統(tǒng)的發(fā)展，以及居民的生活情況。因此我國逐漸開始把自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用在集中供熱的工作中，這一點(diǎn)對于整個系統(tǒng)的實(shí)施和發(fā)展都有著非常重要的影響。但大規(guī)模安裝自控設(shè)備和部件需要增加投入，目前熱力站的自動控制還處于相對落后的狀態(tài)。

為改變這種落后的控制情況，提高熱力站的運(yùn)行效率，提高供暖舒適性，使有限的資源供熱能力最大化，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的科學(xué)管理，提高熱力站的控制水平已是當(dāng)務(wù)之急。與傳統(tǒng)的人工控制相對比而言，自動控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）自動化控制系統(tǒng)的控制精度高：實(shí)施自動化控制設(shè)備，能夠?qū)崟r在線監(jiān)控自動化裝置的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的變化，同時能夠降低其他因素對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，保證系統(tǒng)在最優(yōu)工況下運(yùn)行，同時也能夠相應(yīng)的延長設(shè)備的使用壽命，提高能源利用率。

（2）自動化控制系統(tǒng)提高勞動生產(chǎn)率，減低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，采用自動化系統(tǒng)控制，能夠保證系統(tǒng)在最優(yōu)條件下運(yùn)行，降低運(yùn)行成本和能耗，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）自動化控制系統(tǒng)減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件：熱力站控制系統(tǒng)實(shí)施自動化控制之后，與原來生產(chǎn)環(huán)境相對比而言，操作人員僅僅需要觀察自動化儀表的預(yù)定狀況，必要條件下調(diào)節(jié)參數(shù)變化，能夠大大降低操作人員的操作強(qiáng)度，改善勞動條件。

（4）自動化控制系統(tǒng)保證安全生產(chǎn)，在熱力站控制系統(tǒng)運(yùn)行中，關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化了很多，為保證安全運(yùn)行設(shè)置了自動信號和聯(lián)鎖保護(hù)裝置，實(shí)施自動化控制后，能夠及時觀察到異常參數(shù)的變化，并實(shí)現(xiàn)報警功能，及時采取相應(yīng)的處理辦法，避免出現(xiàn)大的事故。

（5）自動化控制系統(tǒng)減少大氣污染，熱力站控制系統(tǒng)實(shí)施自動化控制系統(tǒng)后，能夠改進(jìn)生產(chǎn)過程中的自動化參數(shù)，大大減少粉產(chǎn)量和煙霧量，改善和保障生產(chǎn)環(huán)境，對減少大氣污染有重要價值。

總之，集中供暖系統(tǒng)中熱力站的自動化設(shè)計(jì)與改進(jìn)是必然的發(fā)展趨勢，也是實(shí)現(xiàn)整個熱力站機(jī)組供暖、保證供暖質(zhì)量的基礎(chǔ)，研究供暖熱力站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，是推動集中供熱系統(tǒng)自動化的重要步驟。