陳 卓 秦其昌 姚愛國(guó) 楊 凱

(金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦， 甘肅 金昌 737100)

0 前言

我國(guó)北方地區(qū)每年有5個(gè)月的采暖期。在龍首礦能源成本中，采暖能耗占總能耗的50%以上，因此降低采暖消耗是降低礦山企業(yè)能源成本的關(guān)鍵。金川公司各廠礦生產(chǎn)區(qū)域都采用蒸汽采暖，而辦公區(qū)域則采用熱水采暖。龍首礦也同樣采用這種模式進(jìn)行采暖。本文分析了龍首礦供暖系統(tǒng)改造前存在的問(wèn)題，并進(jìn)行了供暖系統(tǒng)智能化控制設(shè)計(jì)，介紹了供暖系統(tǒng)智能化改造實(shí)施的要點(diǎn)。

1 供暖系統(tǒng)改造前存在問(wèn)題

1)熱水供暖系統(tǒng)無(wú)自動(dòng)控制措施時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)供水溫度不作調(diào)整，供暖樓宇所需要的出水溫度沒有根據(jù)外界氣溫的變化而變化。外界氣溫越高，需要的出水溫度應(yīng)越低；反之，外界氣溫越低，需要的出水溫度應(yīng)越高。目前，換熱站基本是恒溫、恒壓給各辦公樓供暖。遇到天氣轉(zhuǎn)暖時(shí)，室內(nèi)溫度偏高，產(chǎn)生不必要的能源浪費(fèi)。

2)對(duì)辦公性質(zhì)的公共建筑沒有采取有效的室內(nèi)溫度調(diào)控措施，現(xiàn)有的辦公樓實(shí)行24小時(shí)連續(xù)供暖。夜間無(wú)人工作時(shí)，辦公室溫度仍持續(xù)在22 ℃以上，造成了熱能的極大浪費(fèi)。

3)熱源部分采用人工調(diào)節(jié)策略，不能實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化情況自動(dòng)調(diào)整熱源供熱出力，不利于提高熱源運(yùn)行效率，降低供暖的蒸汽能耗。

4)各辦公樓的實(shí)際供暖溫度不能及時(shí)上傳換熱站，換熱站無(wú)法掌握供暖樓宇的供暖效果，更不能根據(jù)供暖樓宇的效果調(diào)節(jié)熱源運(yùn)行策略和運(yùn)行方式。

5)整個(gè)廠區(qū)沒有一套完整的供暖集中管理調(diào)度系統(tǒng)，不能對(duì)整個(gè)熱水供暖系統(tǒng)(包括熱源與外網(wǎng))進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，達(dá)到熱源按需供給的目的。

2 供暖系統(tǒng)智能化控制設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)收集及分析換熱站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解換熱站基礎(chǔ)設(shè)施、供暖管網(wǎng)的運(yùn)行情況、供暖樓宇的供暖效果以及現(xiàn)有樓宇通信方式，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的供暖方式和運(yùn)行策略存在著很大的節(jié)能空間。通過(guò)實(shí)地考察與研究，認(rèn)為龍首礦換熱站所涉及的供暖系統(tǒng)具備實(shí)施供暖節(jié)能改造的基礎(chǔ)和條件。為此，對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)和改造。

2.1 建立計(jì)算機(jī)運(yùn)行管理中心

首先，建立數(shù)字化的供暖系統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行管理中心，從技術(shù)手段上改變傳統(tǒng)的熱網(wǎng)管理方式，在各建筑物閥門井安裝電動(dòng)控制閥、壓力表、溫度表、在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)控軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各建筑物的分時(shí)、分溫控制，同時(shí)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖設(shè)備故障診斷和大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，從而保證在供暖品質(zhì)提高的前提下達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)[1-2]。

2.2 設(shè)計(jì)節(jié)能監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)

其次，為熱網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)。它集人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊、過(guò)程控制和信號(hào)檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)于一體，是區(qū)域供暖實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的一個(gè)重要標(biāo)志。

其關(guān)鍵技術(shù)在于：

1)氣候補(bǔ)償技術(shù)是根據(jù)室外溫度的變化及用戶設(shè)定的不同時(shí)間及室內(nèi)溫度的要求，按照設(shè)定曲線求出恰當(dāng)?shù)墓┧疁囟炔⑦M(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)在不同時(shí)間根據(jù)不同的室外溫度獲取不同二次供水溫度的自動(dòng)氣候技術(shù)，是避免因室溫過(guò)高或過(guò)低造成能源浪費(fèi)的一種節(jié)能措施。

換熱站將采用氣候補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一、二次側(cè)溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)二次側(cè)需要的出水溫度和供回水溫差，以及一次側(cè)蒸汽的溫度，決定一次側(cè)蒸汽的供給量，并根據(jù)需要控制蒸汽的進(jìn)入量，在實(shí)現(xiàn)按需供暖的同時(shí)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。換熱站還實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，對(duì)各電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、關(guān)聯(lián)設(shè)備連鎖控制，對(duì)各種異常情況進(jìn)行報(bào)警，提升現(xiàn)有供暖管理的水平，達(dá)到分布調(diào)控、集中管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓整個(gè)供暖管理過(guò)程透明化、高效化。此外，也可以將本供暖系統(tǒng)接入其他信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高層次的智能管理。

2)利用分時(shí)、分溫技術(shù)對(duì)連續(xù)供熱用戶與分時(shí)分溫用戶按供熱時(shí)間進(jìn)行獨(dú)立的管理與調(diào)節(jié)，對(duì)辦公樓實(shí)現(xiàn)上班時(shí)間供熱、下班時(shí)間防凍，自動(dòng)定時(shí)切換控制，以達(dá)到按時(shí)按需供暖的目的。本系統(tǒng)采用了回水溫度控制和室內(nèi)溫度控制兩種方式保證各辦公樓宇的供暖品質(zhì)。這兩種控制方式又分為上班時(shí)段供暖和非上班時(shí)段供暖。保障上班時(shí)段的室內(nèi)溫度不低于20 ℃，非上班時(shí)段設(shè)置為低溫運(yùn)行，溫度不高于15 ℃，基本按照“按需供暖”策略進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[3]。

3) 5G技術(shù)具有通信速度快、效率高、數(shù)據(jù)延遲時(shí)間短、布置實(shí)施方便、免布線、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使用敷設(shè)在礦區(qū)的5G通信網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控調(diào)度中心和換熱站、各供暖樓宇間形成一系列通信鏈，完成整個(gè)熱網(wǎng)調(diào)度所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、調(diào)整控制、時(shí)間控制、回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理等工作。

4)供暖管網(wǎng)水平衡的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。針對(duì)管網(wǎng)上各樓宇在不同時(shí)段有著不同供暖溫度的差異化需求，整個(gè)供暖系統(tǒng)需要調(diào)整不同時(shí)段的熱水流量和供水壓力。

5)在建設(shè)供暖節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，為龍首礦節(jié)能監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)接口。在各供暖節(jié)能監(jiān)控點(diǎn)，利用供暖監(jiān)控設(shè)備為建筑節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)提供水、電計(jì)量所需要的數(shù)據(jù)采集通信接口。

3 各建筑物供暖閥門井改造

各建筑物供暖閥門井改造示意圖如圖1所示。各樓宇現(xiàn)場(chǎng)分時(shí)分溫控制器的相關(guān)管線設(shè)備主要由電動(dòng)三(或兩)通閥、供水溫度變送器、回水溫度變送器、手動(dòng)閘閥組成，同時(shí)對(duì)被控樓宇的室內(nèi)溫度進(jìn)行采集。

圖1 閥門井監(jiān)控設(shè)備安裝示意圖

4 供熱系統(tǒng)智能化改造實(shí)施

4.1 通信接口

在換熱站、熱用戶安裝的設(shè)施設(shè)備必須具有RS485通信接口或以太網(wǎng)接口。各工作站數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)時(shí)上傳。

4.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種方式，現(xiàn)場(chǎng)控制具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式，不停機(jī)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制的切換。

整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能化控制。系統(tǒng)具備各項(xiàng)保護(hù)功能，以保護(hù)設(shè)備運(yùn)行[4]。

1)旁通設(shè)計(jì)保護(hù)：在各個(gè)點(diǎn)位實(shí)行旁通設(shè)計(jì)，在供暖管網(wǎng)異常時(shí)保證供暖正常運(yùn)行。

2)系統(tǒng)防凍死設(shè)計(jì)保護(hù)：供暖系統(tǒng)在節(jié)能運(yùn)行模式下，遇到天氣溫度突降的情況，系統(tǒng)自動(dòng)打開流量調(diào)節(jié)閥門，讓管網(wǎng)溫度/樓內(nèi)供水溫度增加的一種系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)功能，可防止供暖設(shè)備因急劇降溫造成的凍傷。

3)分布式監(jiān)控：各點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，安全有效，即便在通信癱瘓的狀態(tài)下，各個(gè)點(diǎn)位依舊可以正常實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4)耐溫、耐壓設(shè)計(jì)保護(hù)：這是供暖系統(tǒng)出現(xiàn)超溫、超壓時(shí)對(duì)管道和設(shè)備的保護(hù)措施；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、低溫時(shí)，還可保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5)水浸報(bào)警保護(hù)：保護(hù)供暖井內(nèi)設(shè)備不被水淹，在供暖井管道泄漏、井內(nèi)有積水時(shí)，及時(shí)向用戶預(yù)警，防止供暖設(shè)備泡水損壞，保護(hù)供暖設(shè)備的正常運(yùn)行。

6)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳保護(hù)：在通信系統(tǒng)中斷時(shí)，各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在本地。待通信正常后，離線保存的數(shù)據(jù)將自動(dòng)上傳到監(jiān)控平臺(tái)。

4.3 通信系統(tǒng)

整個(gè)供暖系統(tǒng)換熱站、樓宇、管網(wǎng)與監(jiān)控中心的通信系統(tǒng)采用礦上現(xiàn)有的5G通信系統(tǒng)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照5 s通信、10 min一存儲(chǔ)的頻率進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。根據(jù)實(shí)際使用需要，提供不同粒度的數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口及數(shù)據(jù)打印功能，方便用戶根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的各項(xiàng)操作。

4.4 動(dòng)態(tài)水平衡調(diào)整

各樓宇分時(shí)分溫系統(tǒng)為了保障供暖系統(tǒng)流量不出現(xiàn)過(guò)大的變化，在管網(wǎng)上的不同位置混合部署了電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，結(jié)合熱源處的變頻循環(huán)泵的動(dòng)力調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能狀態(tài)下流量的平穩(wěn)調(diào)整，保證供暖管網(wǎng)的安全運(yùn)行。

4.5 換熱站

在換熱站，除了根據(jù)戶外溫度采用氣候補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行供暖蒸汽的流量調(diào)整外，基于本項(xiàng)目所在區(qū)域位于戈壁地區(qū)，具有升溫快、光照時(shí)間長(zhǎng)、光照強(qiáng)度大、夜間降溫快、早晚溫差大等特點(diǎn)，系統(tǒng)進(jìn)行了供暖時(shí)段的調(diào)整，保障了供暖的舒適度。此外，還有補(bǔ)水量預(yù)警顯示功能，當(dāng)管網(wǎng)中存在大的漏點(diǎn)時(shí)，協(xié)助用戶找到漏水點(diǎn)，減少水損失。

5 應(yīng)用效果

5.1 日常維護(hù)量減少

將現(xiàn)有的全天候恒溫恒壓供暖方式改造為按時(shí)間、天氣變化而變化的全智能化供暖方式，最大限度地提高蒸汽取暖的效率，有效減少無(wú)效供暖，同時(shí)為供暖管網(wǎng)日常維護(hù)保養(yǎng)提供故障診斷有力工具。通過(guò)本次改造，供暖系統(tǒng)維護(hù)量顯著降低，日常檢修次數(shù)也顯著減少。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)本次供暖系統(tǒng)智能化改造，供暖品質(zhì)得到提升，人員在供暖期間室內(nèi)舒適感得到明顯提高。同時(shí)節(jié)約蒸汽達(dá)到15%以上。經(jīng)過(guò)供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造，除了達(dá)到基本的節(jié)能降耗的目的外，還實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖效果的實(shí)時(shí)反饋，提升現(xiàn)有供暖管理的水平，達(dá)到分布調(diào)控、集中管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓整個(gè)供暖管理過(guò)程透明化、高效化。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造，從技術(shù)手段上改變傳統(tǒng)的熱網(wǎng)管理方式，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，極大地提高測(cè)試診斷的科技含量，在保證供暖品質(zhì)的前提下達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，同時(shí)為節(jié)能診斷工作者提供運(yùn)行平臺(tái)，進(jìn)一步提升現(xiàn)有供暖管理的水平，實(shí)現(xiàn)分布調(diào)控、集中管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓整個(gè)供暖管理過(guò)程透明化、高效化，同時(shí)也推進(jìn)了礦山數(shù)字化、信息化水平的進(jìn)步。