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(1.西安科利爾能源裝備研發(fā)有限公司，西安 710089; 2.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

烏魯木齊市某換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究

黃戈1，樊小朝2，王楊2，鄭印2，龔文杰2，尹文俊2

(1.西安科利爾能源裝備研發(fā)有限公司，西安 710089; 2.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

由于供熱系統(tǒng)中用戶換熱站沒有有效的調節(jié)裝置和根據熱負荷的變化進行實時調節(jié)的自控系統(tǒng)，影響了烏魯木齊市的集中供熱系統(tǒng)整體效果。根據控制策略分級執(zhí)行的原則將換熱站系統(tǒng)分為：就地監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及中心控制系統(tǒng)。對換熱站整體結構以及監(jiān)控系統(tǒng)方案進行了設計，并應用于實際，運行情況良好。

換熱站；監(jiān)控系統(tǒng)；MCGS

0 引 言

集中供熱系統(tǒng)由熱源、換熱站、熱用戶以及連接它們的供熱管網組成，如圖1所示。

一般大型城市集中供熱網多為間聯(lián)式的，熱電廠提供的高溫過熱蒸汽經電廠換熱站汽-水換熱器形成高溫熱水，然后通過一次網送至各換熱站，高溫熱水再經換熱站水-水換熱器降溫到供暖熱水，由二次管網送至熱用戶[1-2]。烏魯木齊市有40多個區(qū)域供熱網，每個區(qū)域供熱網有幾十到上百個換熱站，因此，換熱站作為熱源廠與熱用戶之間的一個中間必要環(huán)節(jié)，對改善熱網熱力工況，提高供熱質量起著重要的作用。

圖1 集中供熱系統(tǒng)示意圖

在歐洲發(fā)達國家如法國、德國、丹麥、芬蘭以及瑞典等國，集中供熱技術發(fā)展已經很成熟。在我國，現(xiàn)行的換熱站運行管理手段大多處于手工操作階段，對換熱站的管理大都采用人工方式，存在一些弊端：①浪費人力，增加成本；②由于人觀察的局限性，難以發(fā)現(xiàn)事故隱患，易造成事故；③影響了集中供熱的效果[3]。

當前烏魯木齊市的一些列“藍天工程”正在實施，其中供熱的鍋爐煤改氣工程已經完成，大大改善了烏魯木齊市冬季的環(huán)境。但是，還有一些問題影響烏魯木齊市的集中供熱，主要是由于供熱系統(tǒng)中換熱站沒有有效的調節(jié)裝置和根據熱負荷的變化進行實時調節(jié)的自控系統(tǒng)[9]，從而造成：①不能及時監(jiān)測系統(tǒng)的熱量供需是否相匹配；②系統(tǒng)中各個部位的供熱參數是否運行正常；③供熱管網水平失調；④供熱整體效果不好、浪費熱量。因此，要實現(xiàn)節(jié)能效果，必須對現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)，尤其是換熱站的儀表、通信、控制等方面進行科學化、自動化的管理[4]。

總之，烏魯木齊市冬季采暖的能耗巨大，在集中供熱系統(tǒng)中要實現(xiàn)節(jié)能減排，換熱站是最重要的關鍵環(huán)節(jié)，其工作的安全性、可靠性直接影響整個供熱系統(tǒng)的質量。因此我們做好換熱站的自動監(jiān)控研究工作，對實現(xiàn)烏魯木齊的“藍天工程”有重要現(xiàn)實意義。

1 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的整體結構

根據控制策略分級執(zhí)行的原則[5]，該換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)分成以下幾部分：

(1) 換熱站的就地監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場儀表包括壓力、溫度、流量、熱量、液位等，執(zhí)行機構包括變頻器、傳感器和閥門等。整個換熱站以就地控制器(MCGS觸摸屏)為核心，通過安裝的數據采集卡將現(xiàn)場的壓力、溫度、流量、熱量、閥門開度、泵的工作狀態(tài)以及液位等信息進行采集，然后將數據信息傳輸到MCGS觸摸屏，最后對其進行現(xiàn)場就地控制操作。

(2) 中心控制室監(jiān)控系統(tǒng)

中心控制監(jiān)控室是整個供熱系統(tǒng)運行的調度樞紐，其主要功能是：完成處理所有的數據，對閥門的執(zhí)行機構進行控制。該部分主要是編寫軟件、界面以及程序的調試。

整體系統(tǒng)圖如圖2所示。

(3) 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)的傳輸介質是遠程數據網絡，通過此網絡來實現(xiàn)換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)與中心控制室的通訊聯(lián)系；并且使用RS485通信協(xié)議，以雙絞線為傳輸介質，從而實現(xiàn)了現(xiàn)場采集裝置與MCGS觸摸屏的通訊聯(lián)系[6]。

圖2 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的整體結構示意圖

2 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)

換熱站系統(tǒng)中，熱源鍋爐通過燃燒燃料，給水吸熱后，加熱到一定高溫高壓的熱水，然后由一次管網送至各熱力站，熱水再經體積換熱器，將熱能傳遞給二次管網的循環(huán)水，再將熱能輸送到各用戶，最后，釋放熱量后的回水返回二次熱網的回水管網。為了保證整個供熱系統(tǒng)循環(huán)的正常運行，二次管網中的循環(huán)水需要由水泵提供動力，從而有了一定的壓頭，實現(xiàn)循環(huán)流動[7]。

換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)參數見表1。

表1 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)參數

續(xù)表1 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)參數

換熱站是熱源與用戶的銜接點，站內安裝有與用戶連接的一些有關的設備，比如管道、儀表、閥門和一些溫度、流量以及壓力的控制裝置。根據不同熱網工況和條件，我們要采用不同的連接方式，將熱網輸送的熱水熱量加以調節(jié)、轉換，從而滿足熱用戶的不同需求；同時還要根據不同的需要，進行集中檢測以及計量供熱系統(tǒng)中的不同參數設備的數量。因此，我們考慮二級換熱站的功能，以及主要控制系統(tǒng)的功能需求，初步設計了換熱站系統(tǒng)的結構設計方案圖，如圖3所示。

圖3 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

3 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)

我們研究的換熱站是新疆廣匯某小區(qū)的換熱站，它主要是由一臺汽水換熱器組成的換熱系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)由兩臺循環(huán)水泵組成，并且補水系統(tǒng)有一臺補水泵。根據生產工藝設計方面的要求，換熱站的自控系統(tǒng)采用典型的兩級監(jiān)控方式。面向操作人員，人機界面(HMI) 主要由上位機以標準的工業(yè)控制計算(IPC)，完成對下位機的監(jiān)控，實現(xiàn)生產操作管理；面向生產過程，下位機由現(xiàn)場的采集卡完成生產現(xiàn)場的數據采集，MCGS嵌入式觸摸屏實現(xiàn)整個供熱系統(tǒng)的過程控制。檢測數據通過現(xiàn)場安裝的數據傳輸單元(DTU)，將現(xiàn)場運行參數(溫度、流量、壓力等)傳回上位機，到達數據中心，進行處理，從而實現(xiàn)數據的實時傳輸[8-9]。

整個系統(tǒng)主要功能如下：

(1) 數據采集及處理

整個供熱過程中，存在大量的物理參數，比如壓力、溫度、流量等一些模擬信號量參數，通過現(xiàn)場采集卡對這些參數進行實時采集并處理成數字信號。

(2) GPRS數據傳輸

GPRS無線數據傳輸單元安裝在供熱現(xiàn)場，將采集到的數據信號傳回數據處理中心，進行必要的存儲、以及分析，根據編程進行一系列的處理。

(3) 換熱站的運行監(jiān)測

實現(xiàn)整個供熱過程的數據采集，并且實時對現(xiàn)場分析，進行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數，從而及時的控制設備的運行狀態(tài)。

(4) 現(xiàn)場設備的自動控制

通過安裝在現(xiàn)場的MCGS嵌入式觸摸屏及采集卡，實現(xiàn)現(xiàn)場就地的自動/手動控制，達到人機互補，從而大大提高了整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

4 結 論

文中對新疆烏魯木齊市某換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究，根據控制策略分級執(zhí)行的原則，將系統(tǒng)分為：換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及中心控制室監(jiān)控系統(tǒng)。根據實際要求，對換熱站整體結構以及監(jiān)控系統(tǒng)方案進行了設計，并對系統(tǒng)功能進行了介紹。

新疆孚德節(jié)能工程有限公司在2012年將此換熱站監(jiān)控系統(tǒng)應用于“新疆廣匯100萬平方米既有建筑熱計量及節(jié)能改造工程”，實際運行情況良好。

致謝：

國家自然科學基金項目 (51106132)，新疆教育廳項目 (XJEDU2012S05)，新疆大學創(chuàng)新項目(XJU-SRT-13128)的資助，特表示感謝。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]森林工程，2013，29(4)：90-95.

[2] 崔維濤.換熱站監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與智能控制的研究[D].遼寧:大連理工大學，2007:10-15.

[3] 史維增,龍小菊. 淺析集中供熱系統(tǒng)換熱站節(jié)能措施[J].應用能源技，2012(3):30-34.

[4] 馬愛龍.具有遠程監(jiān)控功能的換熱站自動控制系統(tǒng)的研究和應用[D].天津:河北工業(yè)大學,2007:14-26.

[5] 曾 凱.無人值守換熱站系統(tǒng)的研究與設計[D].大連:大連理工大學,2006:6-20.

[6] 王建成，石征錦，劉志民，等.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)的設計與應用[J].應用能源技，2012(3):27-29.

[7] 李冬玲，馬愛龍.換熱站自動控制和GPRS遠程數據傳輸系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].低壓電器，2007(24):13-17.

[8] 張明光，吳明永，楊素娟.基于GPRS—Internet的換熱站無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化儀表，2009,30(9) :46-48.

[9] 王 宇.太原市某集中供熱換熱站的節(jié)能運行[J].山西建筑,2012 ,38(18) :134-136.

DesignandResearchofMonitorandControlSystemforaHeatTransferStationinUrumqiCity

HUANG Ge, FAN Xiao-chao, WANG Yang, ZHENG Yin, GONG Wen-jie, YIN Wen-Jun

(1.Xi'anCollierEnergyEquipmentDevelopmentCo.Ltd.,Xi'an710089,China；2.CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830047,China)

The heating system of heat exchange station without user adjustment device for automatic control system of effective and real-time adjustment according to the change of the heat load, the quality of the central heating system in Urumqi city. According to the strategy of classification the implementation of the principle of control system is divided into: in situ monitoring system, communication system and central control system. The overall structure and the heat exchange station monitoring system was designed, and applied to the actual, running in good condition.

Turbine cascades; Steam flow; Numerical simulation

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.003.003

2014-01 27

：2014-02-10

國家自然科學基金項目 (51106132)；新疆教育廳項目 (XJEDU2012S05)；新疆大學創(chuàng)新項目(XJU-SRT-13128)。

黃 戈，烏魯木齊人，工程師，主要從事能源開發(fā)利用，節(jié)能減排。

TK11+4

：A

：1009-3230(2014)03-0010-06