汽水換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)及改進(jìn)方案

莊冰 杜成業(yè) 穆桐

摘要：以某市集中供熱項(xiàng)目汽水換熱站為例，本文從工藝流程、控制系統(tǒng)方案、功能及改進(jìn)方法等幾個(gè)方面，對(duì)汽水換熱站自控系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，尤其對(duì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、控制方法的改進(jìn)優(yōu)化措施進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

關(guān)鍵詞：汽水換熱站;控制系統(tǒng);改進(jìn)方案。

引言

先進(jìn)的集中供熱工藝及控制方法，能提高供熱指標(biāo)、節(jié)約人員成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提升管理水平。汽水換熱站是集中供熱重要的組成工藝，其自動(dòng)控制策略水平及改進(jìn)方案對(duì)于整個(gè)供熱工藝至關(guān)重要。

某市集中供熱項(xiàng)目由中冶東方工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)建設(shè)，該項(xiàng)目于2017年11月投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)供熱周期的應(yīng)用檢驗(yàn)，汽水換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了汽水換熱站的全自動(dòng)運(yùn)行，控制系統(tǒng)功能完全滿足業(yè)主的生產(chǎn)要求。

1 工藝概述

汽水換熱站的主要功能是利用某工廠鍋爐生產(chǎn)的富余蒸汽對(duì)供熱管網(wǎng)水進(jìn)行換熱加熱，為各小區(qū)二級(jí)換熱站提供供熱熱水，工藝流程圖如圖1所示。

來(lái)自鍋爐的蒸汽進(jìn)入汽水換熱器，換熱后冷凝成水，再經(jīng)凝結(jié)水回收裝置返回鍋爐。各二級(jí)換熱站的回水，先經(jīng)過(guò)除污器濾除水中雜質(zhì)，然后循環(huán)泵加壓后進(jìn)入汽水換熱器，經(jīng)過(guò)蒸汽換熱升溫后，為各二級(jí)換熱站提供熱水。補(bǔ)水泵為供熱管網(wǎng)補(bǔ)水，保證回水壓力穩(wěn)定。

2 控制系統(tǒng)組成

汽水換熱站控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備、PLC控制系統(tǒng)、操作臺(tái)、HMI操作站、UPS電源、變頻器、就地操作箱、閥門等設(shè)備。

換熱站控制系統(tǒng)采用Siemens S7-1500系列PLC，通過(guò)Profibus-DP總線網(wǎng)與低壓配電室的變頻器等設(shè)備通信，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)光纖與調(diào)度中心與集中供熱的監(jiān)控中心通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括以太網(wǎng)和Profibus-DP網(wǎng)兩部分。以太網(wǎng)通信速率高、開(kāi)放性好、易維護(hù)、故障診斷方便，用于PLC系統(tǒng)內(nèi)部通信模塊通信、PLC與HMI操作站通信、PLC基礎(chǔ)控制級(jí)和集中供熱監(jiān)控中心通信。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)具有傳輸可靠性高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、診斷功能完善等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本控制系統(tǒng)的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)采用線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PLC為主站，變頻器和就地I/O為從站。

3 控制策略及改進(jìn)方案

汽水換熱站是一個(gè)多種設(shè)備協(xié)同運(yùn)行的整體，需要控制多個(gè)參數(shù)，控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)控制參數(shù)都有一個(gè)專門的功能塊程序與之對(duì)應(yīng)，主程序輪詢不同的控制子程序，完成自動(dòng)控制的功能應(yīng)答。汽水換熱站自動(dòng)控制的主要控制難點(diǎn)有以下三點(diǎn)：換熱器液位控制、循環(huán)泵自動(dòng)控制、換熱溫度控制。

3.1 換熱器液位控制

汽水換熱器的液位對(duì)換熱器的換熱效率至關(guān)重要，隨著供熱負(fù)荷的變化，蒸汽進(jìn)氣量會(huì)相應(yīng)變化，換熱器液位隨之波動(dòng)。換熱器內(nèi)汽水混合，液位檢測(cè)干擾大，設(shè)置就地磁翻板液位計(jì)、差壓液位變送器和雷達(dá)液位變送器檢測(cè)汽水換熱器的液位，確保液位檢測(cè)的準(zhǔn)確性。安裝高清球型攝像機(jī)監(jiān)視磁翻板液位計(jì)顯示的液位，操作人員可以在汽水換熱站控制室的監(jiān)控電視屏監(jiān)視。

本系統(tǒng)在換熱器底部設(shè)置出水調(diào)節(jié)閥和事故排水電動(dòng)閥。根據(jù)液位設(shè)定值，液位自動(dòng)控制程序根據(jù)實(shí)際液位和設(shè)定液位之間的差值，通過(guò)PID算法^[2]計(jì)算得到調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)趨勢(shì)，自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使液位趨向于設(shè)定值。液位高于報(bào)警上限，通過(guò)液位控制程序自動(dòng)打開(kāi)事故排水電動(dòng)閥排水，液位正常后，事故排水電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉。

3.2 循環(huán)泵自動(dòng)控制

循環(huán)泵為管網(wǎng)回水加壓，保證供水和回水壓差穩(wěn)定。通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)啟停循環(huán)泵，同時(shí)手動(dòng)設(shè)定循環(huán)泵供電頻率或利用PID算法程序自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)泵供電頻率，使二次網(wǎng)的供水壓力和回水壓差穩(wěn)定于設(shè)定值，保證用戶供熱穩(wěn)定。

汽水換熱站有三臺(tái)循環(huán)泵，正常生產(chǎn)時(shí)，兩臺(tái)工作一臺(tái)備用，水泵通過(guò)變頻器控制^[2]。生產(chǎn)過(guò)程中，正在運(yùn)行的循環(huán)泵故障停機(jī)，備用泵可以自動(dòng)投入生產(chǎn)，供水和回水壓差低于設(shè)定的啟動(dòng)備用泵的設(shè)定值時(shí)，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)。

循環(huán)泵連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)，為了提高水泵使用壽命，按一定的時(shí)間間隔切換工作泵和備用泵。循環(huán)泵在自動(dòng)模式下，按設(shè)定時(shí)間間隔，自動(dòng)切換工作泵和備用泵，泵的啟動(dòng)和停止過(guò)程，通過(guò)控制變頻器控制頻率，以每0.5HZ/s的速度逐漸完成，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。

3.3 換熱溫度控制

供熱負(fù)荷變化會(huì)引起小區(qū)換熱站回水溫度變化，通過(guò)調(diào)節(jié)汽水換熱站的蒸汽進(jìn)氣量改變換熱效果，使供水溫度逐漸達(dá)到設(shè)定值。蒸汽進(jìn)氣管設(shè)置調(diào)節(jié)閥，根據(jù)小區(qū)換熱站的供水水溫設(shè)定值和實(shí)際測(cè)量值之差，自控程序通過(guò)PID算法計(jì)算調(diào)節(jié)閥變化趨勢(shì)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度控制汽水換熱器的進(jìn)氣量。出水管溫度高于設(shè)定值，自動(dòng)減小閥門開(kāi)度;出水管溫度低于設(shè)定值，自動(dòng)增大閥門開(kāi)度。溫度調(diào)節(jié)具有大滯后的特點(diǎn)，因此PID調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)超調(diào)或振蕩調(diào)節(jié)現(xiàn)象，常規(guī)的PID控制算法需要改進(jìn)。

為了即保證調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)速度，又能避免過(guò)度超調(diào)，在自動(dòng)控制模式下，為調(diào)節(jié)閥設(shè)定了閥門開(kāi)度上下限和調(diào)節(jié)死區(qū)，同時(shí)采用改進(jìn)的變PID參數(shù)調(diào)節(jié)法。根據(jù)設(shè)定溫度和實(shí)際溫度差值的絕對(duì)值，自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)的P、I值?？刂谱映绦蛄鞒虉D如圖3所示。

為了提高供熱效率，供水水溫設(shè)定值需要根據(jù)室外溫度改變，根據(jù)溫度變送器檢測(cè)的室外溫度，控制程序通過(guò)曲線函數(shù)計(jì)算出供水溫度設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)供水水溫設(shè)定值隨室外溫度的自動(dòng)改變，提高了供熱效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 總結(jié)

本文闡述了某城市集中供熱汽水換熱站的控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、以及控制難點(diǎn)及改進(jìn)措施。汽水換熱站投產(chǎn)運(yùn)行后，自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，工藝生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)控制效果良好，提高了換熱效率，節(jié)省了大量勞動(dòng)力，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中冶東方工程技術(shù)有限公司自動(dòng)化所）