集中電供熱在電氣自動控制中的研究

蔡利忠，莘尚軍，斯欽畢力格，李樹鵬，紅地，李東敬

（內(nèi)蒙古電力(集團)有限責(zé)任公司錫林郭勒電業(yè)局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

集中電供熱指的是集中熱源在產(chǎn)生熱水和蒸汽后，采用管網(wǎng)將其提供給不同區(qū)域，以滿足生產(chǎn)生活對熱量提出的需求。在城市基礎(chǔ)設(shè)施中，尤其是現(xiàn)代化城市，集中電供熱依然是一項十分重要的公用設(shè)施，除了能給城市中各個區(qū)域提供可靠、穩(wěn)定且品位很高的熱源，使人們生活水平得以改善，還能起到節(jié)約能源的作用，減少污染排放，這對美化城市環(huán)境與減少對有限空間的占用，都有重要作用和意義。基于此，集中電供熱的經(jīng)濟與社會效益均十分顯著。而隨著城市的快速發(fā)展，對集中電供熱提出了很高要求，在這種要求下，傳統(tǒng)控制方式根本無法適應(yīng)，而電氣自動控制技術(shù)的出現(xiàn)和普及，為集中電供熱控制提供了合理可行的技術(shù)解決方案，使復(fù)雜的集中電供熱系統(tǒng)電氣自動控制成為可能，最終使集中電供熱良好適應(yīng)城市發(fā)展需要。

1 控制系統(tǒng)

對于集中電供熱系統(tǒng)，不僅設(shè)備和參數(shù)數(shù)量較多，而且信息傳遞較為滯后，整個系統(tǒng)都呈現(xiàn)出非線性，這對供熱企業(yè)而言，為了實現(xiàn)節(jié)能降耗等基本目標(biāo)，有必要采用電氣自動控制技術(shù)，提高整個系統(tǒng)的自動化水平，這無論是對提高整個系統(tǒng)運行的可靠性還是供熱經(jīng)濟性，都有十分重要的作用與意義?；诖耍趯嶋H工作中，有必要對集中電供熱系統(tǒng)的電氣自動控制進行深入分析和研究，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，制定合理可行的控制方案?？刂品桨傅闹饕繕?biāo)為提高整個系統(tǒng)控制的自動化水平，使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定可靠的運行狀態(tài)，并對系統(tǒng)運行與管理進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，以此從根本上解決過去供熱效果較差和無法對系統(tǒng)運行進行及時調(diào)整等問題，最終實現(xiàn)使系統(tǒng)運行安全可靠和節(jié)能環(huán)保的根本目標(biāo)。

對于城市集中電供熱，主要由以下幾部分組成：（1）熱源，包括供熱機組或鍋爐；（2）一次管網(wǎng)；（3）換熱站，包含很多設(shè)備，如換熱器、循環(huán)與補水泵及補水箱；（4）二次網(wǎng)；（5）熱用戶。如今的集中電供熱系統(tǒng)正快速發(fā)展，很多城市都有大量換熱站，為了使集中電供熱可以實現(xiàn)自動控制，一方面，要在每個換熱站中進行自動控制設(shè)備的加裝，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；另一方面，則要設(shè)置專門的控制總站，對從遠(yuǎn)端傳輸過來的數(shù)據(jù)進行匯總與分析，然后，結(jié)合實際情況給出相應(yīng)的指令。

該系統(tǒng)需要具備下列幾個方面的功能：（1）對供熱負(fù)荷進行自動控制與調(diào)度；（2）對供熱系統(tǒng)各項運行參數(shù)進行實時報告；（3）對所有數(shù)據(jù)進行自動統(tǒng)計與保存；（4）如果系統(tǒng)發(fā)生故障，應(yīng)能立即給出報警提示，使運行人員能夠立即分析和處理故障。

2 控制方案

系統(tǒng)控制集中電供熱的基本思路為均勻性調(diào)節(jié)，也就是將調(diào)節(jié)目標(biāo)確定為對二次網(wǎng)循環(huán)水實際溫度進行自動控制，確保所有熱用戶中二次網(wǎng)循環(huán)水實際溫度保持一致。從操作設(shè)備角度講，就是對不同熱力站中的加壓泵與調(diào)節(jié)閥進行均勻調(diào)節(jié)，確保不同熱用戶之間實現(xiàn)均勻供熱，防止冷熱不均情況的發(fā)生。通過這樣的控制，能在滿足偏冷用戶對供熱提出的要求的基礎(chǔ)上，避免其他用戶過熱，從而減少熱量損失。可見，采用均勻性調(diào)節(jié)策略除了能節(jié)省能源消耗，還能滿足供熱要求。

對于均勻性調(diào)節(jié)，其控制流程為：先對所有熱用戶中二次網(wǎng)循環(huán)水實施采樣，然后，用不同熱用戶實際面積大小除以整個供熱面積，由此獲得商值，再用商值乘以循環(huán)水溫，由此獲得乘積，之后將所有乘積相加，相加后的結(jié)果即為加權(quán)平均溫度，用這個溫度對比不同熱用戶實際循環(huán)水溫，若某熱用戶實際循環(huán)水溫比加權(quán)平均水溫高，則增大調(diào)節(jié)閥開度，也可減小變頻泵頻率，而當(dāng)某熱用戶實際循環(huán)水溫比加權(quán)平均水溫低時，需減小調(diào)節(jié)閥的開度，或增大變頻泵頻率。

2.1 控制設(shè)備

當(dāng)集中電供熱系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，應(yīng)對下列幾種熱力參數(shù)進行調(diào)節(jié)：溫度、一次網(wǎng)流量、二次網(wǎng)循環(huán)流量、管道內(nèi)壓。在這種以上參數(shù)時，需要用到以下設(shè)備：

（1）上位機：其操作系統(tǒng)能對各類信息進行實時處理，可提供網(wǎng)絡(luò)接口，也能實現(xiàn)無線通信，可提供USB接口，不同的數(shù)據(jù)信息可在多通道上進行輸入與輸出。

（2）電動調(diào)節(jié)閥：具備信號動態(tài)調(diào)節(jié)功能，集中電供熱系統(tǒng)產(chǎn)生的波動不會對其造成太大影響，整個調(diào)節(jié)過程十分穩(wěn)定且節(jié)能。

（3）變頻器：其主要功能在于對泵類轉(zhuǎn)矩進行更改，可提供能實現(xiàn)自由連接的端口，可對電機與命令數(shù)據(jù)進行自動切換，并且還能實現(xiàn)各項保護功能，如過壓保護、欠壓保護、接地保護、短路保護與電動機保護。

（4）傳感器：包括溫度傳感器、壓力與壓差變動器及流量計。

（5）現(xiàn)場控制器：在某些運行情況中，為有效減少中央處理器實際工作量，所有換熱站都會安裝現(xiàn)場控制器，用于對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行動態(tài)采集與分析，這些運行參數(shù)包括電流值、泵類工作狀態(tài)、水文、水壓、水位。另外，在現(xiàn)場控制器的作用下，還能對從換熱站中傳輸過來的所有運行參數(shù)進行接收與記錄，如溫度與壓力。采用現(xiàn)場控制器完成對參數(shù)的分析后，對其進行記錄，并以從上位機中發(fā)出的程序為依據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令。

2.2 控制過程

（1）循環(huán)與補水泵都采用變頻器進行控制，如果二次管網(wǎng)內(nèi)壓與流量產(chǎn)生變化，則壓力與差壓變送器將對二次管網(wǎng)實際壓力與流量及其改變梁進行采集，然后，傳輸至現(xiàn)場控制器，由現(xiàn)場控制器分析和處理數(shù)據(jù)，此時，控制器將按照上位機程序產(chǎn)生和發(fā)出指令，確保變頻器能對補水與循環(huán)泵實際轉(zhuǎn)速進行準(zhǔn)確控制，最終使二次循環(huán)系統(tǒng)始終處于定壓和定流量的實際運行狀態(tài)。

（2）采用溫度傳感器對室內(nèi)外溫度與熱力站中二次網(wǎng)水溫進行采集，然后，將它傳輸至現(xiàn)場控制器開始分析處理，此時，現(xiàn)場控制器能以室內(nèi)外溫度差為依據(jù)，對補償溫度與二次網(wǎng)循環(huán)水實際溫度進行計算，再由控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令，使調(diào)節(jié)閥根據(jù)指令對一次流量進行調(diào)整，改變一次流量，進而實現(xiàn)對二次循環(huán)水溫準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。對于閥門調(diào)節(jié)幅度，需根據(jù)循環(huán)周期來確定，在一次網(wǎng)循環(huán)完一整個周期后，才可以對二次網(wǎng)循環(huán)水實際平均溫度進行采集，使用相應(yīng)的公式通過計算確定適宜的閥門調(diào)節(jié)幅度?；诖?，需要將一次網(wǎng)循環(huán)周期設(shè)置成調(diào)節(jié)閥具體調(diào)幅時間。

（3）上位機采用通信網(wǎng)絡(luò)不斷下發(fā)控制指令，在現(xiàn)場控制器接收到指令后，以現(xiàn)場數(shù)據(jù)情況為依據(jù)對不同的熱力設(shè)備進行控制。與此同時，現(xiàn)場控制器還能對采集到的所有數(shù)據(jù)進行上傳，并最終傳輸?shù)絻?nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

通過以上控制流程，可達(dá)到以下效果：首先，工作人員能隨時隨地了解到系統(tǒng)實際運行情況，進而實時調(diào)整系統(tǒng)，為設(shè)備提供有效的保護，確保系統(tǒng)始終處在安全可靠的狀態(tài)；其次，提高整個系統(tǒng)自動化水平，大幅減少人員工作量，降低人工費；最后，系統(tǒng)能結(jié)合實際工作情況與環(huán)境變化對供熱參數(shù)進行自動調(diào)整，從根本上解決以往采用人工進行調(diào)節(jié)時溫度不均衡的問題，從而減少熱能與電能損失。

2.3 控制軟件

對于自動控制軟件，其主要作用在于使全網(wǎng)保持平衡，采用控制軟件，能在熱網(wǎng)當(dāng)中獲取所有運行參數(shù)，如二次網(wǎng)循環(huán)水實際溫度大小和閥門反饋值。在數(shù)據(jù)輸入至控制軟件后，采用調(diào)節(jié)公式通過計算確定期望溫度與電動閥具體調(diào)節(jié)量，之后，采用通信線路實時控制每個調(diào)節(jié)閥，通過對電動閥各項動作的控制，使熱網(wǎng)各項參數(shù)得以均勻調(diào)節(jié)，使供熱達(dá)到均勻。對于使用在集中電供熱系統(tǒng)中的電氣自動控制軟件，需要具備以下幾方面功能：（1）對設(shè)備進行遠(yuǎn)程啟動與停機操作；（2）對換熱站進行實時監(jiān)視，并根據(jù)監(jiān)視結(jié)果報警，對所有運行數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確記錄，最終生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報表；（3）應(yīng)能對數(shù)據(jù)及其傳輸過程提供保護，登錄要有權(quán)限，而且還要采用網(wǎng)絡(luò)防火墻技術(shù)。

3 結(jié)語

綜上所述，提出了集中電供熱系統(tǒng)的電氣自動控制解決方案，使系統(tǒng)的換熱站與相關(guān)設(shè)備都能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目標(biāo)。通過監(jiān)測獲得各項供熱信息以后，通過對包含溫度、流量和時間等在內(nèi)的各項參數(shù)進行的補償，對系統(tǒng)運行狀況進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)得以自動調(diào)控，最終保證系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。希望以上提到的方法可以在提高系統(tǒng)自動化水平上起到應(yīng)有的作用，實現(xiàn)預(yù)期的可靠運行和節(jié)能環(huán)保等目標(biāo)。