岳 俊

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030006）

引言

伴隨著國民生活質量的改善和政府對大氣污染的嚴格控制，今日的冬季供暖產業(yè)擁有著巨大的技術革新和可觀的發(fā)展前景，同時也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和挫折。傳統(tǒng)的區(qū)域煤炭鍋爐，存在供熱面積小、熱量分配不均勻、環(huán)境污染嚴重、資源消耗量大等短板，急需被新興的技術取締，因此集中供熱技術應運而生。熱電聯(lián)產電廠以及調峰熱源廠作為基礎熱源，將高溫熱水通過城市熱網源源不斷地輸送到每家每戶，在熱網的中間環(huán)節(jié)起到關鍵作用的熱力站，熱力站又名換熱站，取其字面意思就是通過一定的介質將高溫高能危險熱源轉換為可控可調節(jié)的熱源，在換熱的過程中起到關鍵作用的是換熱器。經過換熱站可控可調節(jié)的熱源才滿足通過樓宇管網進入到居民家中，達到供暖的效果，而可控可調節(jié)就要用到自動化控制技術。自動化控制技術[1]在供暖領域占據著舉足輕重、不可替代的地位，通過一系列儀器儀表等自控設備可以實現(xiàn)長距離、高精度、安全可靠地控制熱源輸出，進而高效滿足熱用戶的用熱體驗，提升了居民的幸福感和獲得感，積極響應了國家對節(jié)約資源和保護環(huán)境的強大號召。

1 換熱站自控系統(tǒng)的構成

換熱站的自動控制離不開各種電子設備的正常有序工作，為了達到現(xiàn)階段國家要求的工業(yè)自動化水平，積極引入國際先進的自控設備。圖1 所示為城市供熱系統(tǒng)圖，在熱網的運行過程中起到重要作用的電子設備主要有：

1.1 控制類

PLC 控制柜、電動閥、變頻器。在換熱站的控制中起著大腦中樞作用的就是PLC 控制柜[2]，該設備是一套集成設備，內部含有人機交互觸摸屏、CPU 模塊、電源模塊、通訊模塊以及I/O 模塊等，為了實現(xiàn)數(shù)據的上傳和下發(fā)，I/O 模塊又分為AI（模擬量輸入）模塊、AO（模擬量輸出）模塊、DI（數(shù)字量輸入）模塊、DO（數(shù)字量輸出）模塊。其中AI 主要實現(xiàn)數(shù)據的采集功能，AO 用于對被控設備進行連續(xù)控制，DI 和DO 主要是完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)測和控制，CPU 模塊通過功能信號線完成各種自動控制操作。

在各換熱站一次網供水端起調節(jié)流量作用的是電動閥，電動閥的開度主要是由二次網的回水溫度決定的，其具體控制流程如圖2 所示。

首先根據室外溫度對二次網回水溫度進行設定，其次通過溫度傳感器進行實時溫度數(shù)據采樣，設定值與采樣值進行比較通過一定的算法計算出閥門的開度，最后實現(xiàn)對電動閥閥門開度的控制，閥門的開度決定了一次側供水端的流量，通過板式換熱器的換熱過程，從而使二次側回水溫度滿足現(xiàn)場實際要求。在節(jié)能降耗的大環(huán)境中起到關鍵作用的就是變頻器，換熱站內循環(huán)泵和補水泵的生產運行離不開變頻器的控制，PLC 根據現(xiàn)場的供求關系計算出泵類所需的合理轉速，調節(jié)變頻器的輸出頻率，在節(jié)約電能和系統(tǒng)正常運轉的前提下對循環(huán)泵或者補水泵的轉速進行變頻調速。

1.2 泵類

循環(huán)泵、補水泵。一級熱網內以及用戶管網中熱水的流動離不開循環(huán)泵，循環(huán)泵通過電機運轉將冷熱水進行交換，從而使熱量源源不斷地輸送到熱用戶。二次側供回水管網上的壓力變送器實時采集壓力值，將供水壓力和回水壓力的壓差與實際設定值進行比較，并將比較值上傳到PLC 控制器中，進行數(shù)據處理，通過DO 模塊將控制信號下發(fā)到變頻器，變頻器通過調節(jié)循環(huán)泵電機的運行頻率實現(xiàn)對轉速的控制。當供回水壓差比較值大于給定值，變頻器給定頻率減小，循環(huán)泵降低出力，從而使供回水壓差減??；當壓差比較值小于給定值，變頻器給定頻率增加，循環(huán)泵提高出力，從而使供回水壓差增加。換熱過程中難免導致二級管網出現(xiàn)失水現(xiàn)象，而且在實際的生產運行中也存在跑水、偷水等情況，為了維持供熱系統(tǒng)的正?？煽窟\轉，就需要實時為二次網進行補水，由變頻器控制的補水泵在其中承擔著重要的角色。當二次網回水管道上的壓力傳感器檢測到的壓力值低于定壓補水的設定值后，PLC 控制柜通過DO 模塊下發(fā)控制信號控制相應繼電器實現(xiàn)對二次網進行補水過程；當二次網回水壓力達到設定值時，控制補水泵的繼電器斷開，停止補水。

1.3 表計類

熱量計、遠傳水表、水箱液位。本系統(tǒng)采用的熱量計為超聲波熱量計，通過超聲波的方法實時測量管網中的流量以及換熱過程中釋放或吸收熱量，通過溫度差可以計算出累積熱量、累積流量、瞬時熱量、瞬時流量等參數(shù)。

二次網中的水量會因為各種原因缺失，通過直接補水或者間接補水方式可以滿足二次網的水量要求，遠傳水表通過檢測補水量的多少，為查偷水、漏水和站內用水量提供了重要的參數(shù)指標。水箱中液位的上限值和下限值通過觸摸屏給定，水箱液位將采集到的液位值通過AI 模塊輸入到PLC 中，觸摸屏可實時查看水箱中水位的高低，防止水箱中液位太低或者太高，影響生產運行。

1.4 傳感器類

傳感器包含溫度傳感器、壓力傳感器。溫度傳感器又稱溫變，主要分布在一次網供水端、一次網回水端、二次網供水端、二次網回水端、用戶室外以及各分支管上，用于實時檢測溫度，本系統(tǒng)采用的溫變是PT-100 系列，其測量范圍為0～150 ℃。溫變實時采集溫度的變化，并將溫度值轉化為電信號，通過AI 模塊輸入到PLC 進行轉化處理。壓力傳感器又稱壓變，主要分布在一次網供水端、一次網回水端、二次網供水端、二次網回水端、以及各分支管上，用于實時檢測水壓，本系統(tǒng)采用的壓變是DPG8001 系列，其測量范圍為0～1.6 MPa。壓變實時檢測水壓的變化，并將壓力值轉化為電信號，通過AI 模塊輸入到PLC 進行轉化處理。

2 全網平衡技術的實現(xiàn)

將自控設備、PLC 以及全網平衡軟件等搭建控制平臺，通過熱網的自動化調節(jié)，實現(xiàn)了熱能的均衡分配，達到了均勻供熱的目的[3]。全網平衡技術的實現(xiàn)主要采用均勻性調節(jié)策略[4]，根據現(xiàn)場溫度變送器實時采集二次網供回水溫度值，軟件計算平均溫度，判斷站內流量是否滿足運行要求。將提前設定好的供回水平均值與實際值進行比較，若實際值大于設定值，則調小一次網側電動閥的開度，進而一次網供水側的流量減小，同時PLC 下發(fā)控制信號到變頻柜進行變頻調速，循環(huán)泵降低轉速運行，滿足用戶側的用熱要求。若實際值小于設定值，則調大一次網側電動閥的開度，進而一次網供水側的流量增大，同時PLC 下發(fā)控制信號到變頻柜進行變頻調速，循環(huán)泵提高轉速運行，滿足用戶側的用熱要求。熱網采用全網平衡技術實現(xiàn)自動化控制，能夠將熱源近端過剩熱量自動分配到熱源遠端，在不需要電廠注入過多熱量的前提下，進一步提升了供熱效率和水平。表1 為進行全網平衡調節(jié)的熱力站溫度數(shù)據，下頁表2 為不進行全網平衡調節(jié)的熱力站溫度數(shù)據。從表中數(shù)據可以得出，將熱力站加入到全網平衡控制，系統(tǒng)的總體失調度僅為1.24，若熱力站沒有進行全網平衡控制，則系統(tǒng)的失調度高達10.68，說明全網平衡技術對于系統(tǒng)均勻性調節(jié)起到了關鍵性作用。

表1 進行全網平衡熱力站溫度數(shù)據對比

表2 不進行全網平衡熱力站溫度數(shù)據對比

傳統(tǒng)換熱站的正常運轉離不開大量的人力物力支持，在生產運行過程中由于人工以及各種環(huán)境因素的影響難免出現(xiàn)操作失誤、調節(jié)精度不夠、指令下達延遲等情況，造成供暖設備損壞、熱源分配不均衡、生產成本增加等不良后果。為了規(guī)避上述風險，無人值守技術應運而生。換熱站無人值守技術首先是借助各種自動化設備采集站內的溫度、壓力、流量等運行參數(shù)以及監(jiān)控畫面，其次通過專用網絡上傳到中控室進行電腦分析和人工處理，最后根據站內運行工況對自控柜下達相應操作指令，實現(xiàn)一次網供水電動閥、循環(huán)泵以及補水泵等自控設備的遠程調節(jié)。

熱力站無人值守系統(tǒng)主要由自動化控制系統(tǒng)、全網平衡系統(tǒng)、故障報警系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)四部分構成[5]。其中自控化控制系統(tǒng)、全網平衡系統(tǒng)前文已經介紹，這里不再贅述。換熱站無人值守的穩(wěn)定運行，離不開故障報警系統(tǒng)的可靠保證，PLC 采集各種報警信號，包括變頻器故障報警、失溫失壓超溫超壓報警、循環(huán)泵補水泵停泵報警、水箱液位超高超低報警等，并將數(shù)據回傳到中控室進行專人應答處理，有效降低生產事故的發(fā)生。在日常的站內巡視工作中，離不開視頻監(jiān)控等終端設備，每座換熱站內都在配電室、大門以及重要運行設備處安裝攝像頭，首先通過專用視頻寬帶將實時畫面上傳到各自工段的中心站，其次通過打包轉發(fā)將各工段的視頻發(fā)送到中控室進行閱覽和回放，最后安排專人值守排查，及時發(fā)現(xiàn)站內突發(fā)情況。這種分級分層視頻傳輸方式有效避免了網絡冗余問題，同時節(jié)約了大量人力物力，圖3 所示為視頻監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構。

3 結語

隨著換熱站自動化設備的不斷引入，全網平衡技術的推廣以及無人值守技術的應用，供熱領域取得了前所未有的發(fā)展，實現(xiàn)了對熱力站的遠程監(jiān)控和自動控制，提高了供熱服務質量，達到了節(jié)能降耗的要求，提升了供熱單位的經濟效益和精細化管理水平。