熱網(wǎng)系統(tǒng)控制方式的研究及探索

張茂剛

太原熱力設(shè)計院（有限公司），山西太原 030006

0 引言

隨著城市化率的提高，我國的城市規(guī)模越來越大，污染嚴重，能源緊缺，人力成本逐年提高，我國的城市集中供熱事業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。與此同時，廣大市民的消費意識越來越強，既然電費，水費，煤氣費等都可以實現(xiàn)“用多少交多少”，為啥熱費采用按面積收費。對于熱力公司來說，在保證供熱設(shè)施安全的前提下，如何保證供熱的品質(zhì)，如何降低企業(yè)運行的成本，這也是它們面臨的難題。

以上這些問題促使自動化技術(shù)在供熱行業(yè)有了極大的發(fā)展。

1 熱力工程的基本構(gòu)成

完整的城市供熱工程包括熱源廠(或熱電廠)，熱力交換站，用戶，管網(wǎng)四部分組成。這四部分在運行中的狀況應(yīng)當(dāng)?shù)玫竭m時監(jiān)控并能及時做出調(diào)整。對應(yīng)暖通專業(yè)，自動化專業(yè)應(yīng)當(dāng)反應(yīng)出五部分的關(guān)系，這五部分是：熱源廠中控室，中央調(diào)度室，首站（熱源廠出來的第一個換熱站）控制室，換熱站控制室，用戶。

2 熱力工程中自動化部分構(gòu)成的說明

1）當(dāng)熱力公司擁有自己的熱源廠且僅有一座時，從管理的需求可將中央調(diào)度室設(shè)在熱源廠，首站（熱源廠出來的第一個換熱站）可不單獨設(shè)控制室,各個換熱站將自己的數(shù)據(jù)傳送到中央調(diào)度室，適時調(diào)整工況，而各個換熱站則主要根據(jù)用戶的需求調(diào)整設(shè)備,這是最簡單的一種控制方法；

2）當(dāng)熱力公司擁有自己的熱源廠數(shù)目不止一座時，應(yīng)考慮設(shè)置單獨的中央調(diào)度室，每個熱源廠可包含各自的首站，其余同上；

3）當(dāng)熱力公司沒有自己的熱源廠,熱源來自熱電廠時，應(yīng)考慮設(shè)置單獨的中央調(diào)度室，因為關(guān)系到熱電廠的安全，首站一般設(shè)在熱電廠內(nèi)，這種情況下，中央調(diào)度室應(yīng)向電廠傳送數(shù)據(jù)，但不能控制熱電廠的設(shè)備（因關(guān)系到熱電廠的安全運行），只能在熱電廠的許可下實現(xiàn)有限制條件的自控。其余同上；

4）當(dāng)熱電廠與其首站不在一起時，首站應(yīng)歸熱電廠控制，首先保證熱電廠的安全運行，首站的數(shù)據(jù)應(yīng)傳達到中央調(diào)度室，但中央調(diào)度室不應(yīng)完全控制首站(為保證熱電廠安全運行，首站還是應(yīng)以熱電廠控制為主)，其余同上。

3 控制原則的說明

1）安全運行?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能保證在任何情況下的安全運行；

2）按需供熱。每一個換熱站都要向自己的用戶提供所需的熱，每一個熱源廠(或熱電廠)都要提供各級換熱站所需的熱。而且所供熱的品質(zhì)及參數(shù)是用戶所需要的；

3）節(jié)能原則。熱是商品，應(yīng)努力減少成本，提高企業(yè)效益；

4）計量原則。熱是商品，應(yīng)能計量。同時，生產(chǎn)企業(yè)所消耗的水，電，煤，汽等應(yīng)能有效計量，以便成本核算。

4 控制方式

4.1 換熱站的控制

1）換熱站的控制方式

完全自動化（無人職守）換熱站控制內(nèi)容應(yīng)包括如下方面：循環(huán)泵的自動調(diào)節(jié)，補水泵的自動調(diào)節(jié)，供水溫度的自動調(diào)節(jié)，電子巡更系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)。其大概的帶監(jiān)控的工藝流程圖如下：

圖1

換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主要由操作員站、交換機、打印機、可編程控制器、I/O模塊、通訊模塊、傳感器、執(zhí)行器等組成。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可按初始設(shè)定值或監(jiān)控中心的指令，獨立完成運行參數(shù)、故障參數(shù)等各類參數(shù)的采集、存儲，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至中央調(diào)度室。

2）換熱站的控制(監(jiān)測)對象

采集溫度、壓力、流量、閥門反饋、變頻器狀態(tài)數(shù)據(jù)等信號，并將這些信號處理后通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中央調(diào)度室，主要監(jiān)測點如下：

一次網(wǎng)供水總管溫度、壓力；一次網(wǎng)回水總管溫度、壓力；二次網(wǎng)供水總管溫度、壓力；二次網(wǎng)回水總管溫度、壓力；室外環(huán)境溫度；二次網(wǎng)補水流量（累積、瞬時）；供水流量（累積、瞬時）；補水箱液位；循環(huán)、補水泵運行狀態(tài)；電動閥開度反饋。

其中以下要具備實時功能：當(dāng)熱力站運行參數(shù)出現(xiàn)異常，如溫度過高、壓力過低等，系統(tǒng)生成報警提示，提示操作員及時處理，保證供熱生產(chǎn)安全高效運行；

軟水箱水位上下限報警（光報）；二次網(wǎng)進口壓力上下限報警（光報）；二次網(wǎng)出口溫度上限報警（光報）；二次網(wǎng)進口壓力下下限報警（聲光報警）；軟水箱水位下限報警（聲光報警）；循環(huán)泵、補水泵故障報警（聲光報警）

3）換熱站的控制目標(biāo)

換熱站控制算法根據(jù)室外溫度情況，自動控制一次水流量、循環(huán)水流量、補水量。并監(jiān)控所有的參數(shù)。換熱站自動控制可以根據(jù)設(shè)定好的溫度控制曲線，或者設(shè)定的控制參數(shù)要求，進行自動平衡控制。

4.2 鍋爐房的控制

1）鍋爐房的控制方式

鍋爐的燃燒過程應(yīng)能自動調(diào)節(jié)，超溫，超壓時應(yīng)有報警保護措施，循環(huán)水泵應(yīng)能適時調(diào)整并反映出自身工況，補水泵應(yīng)能保證任何時候都不缺水，燃用煤粉，油或氣體的鍋爐應(yīng)設(shè)置點火程序控制及熄火裝置。煤粉爐的制粉系統(tǒng)各設(shè)備之間應(yīng)設(shè)置電氣連鎖裝置,連續(xù)機械化運煤系統(tǒng)，除灰渣系統(tǒng)中，各設(shè)備之間均應(yīng)設(shè)置電氣連鎖裝置，并在正常使用時能按順序停車，且其延時時間應(yīng)能達到空載再啟動。鍋爐控制系統(tǒng)的供電應(yīng)設(shè)置不間斷電源電源。

2）鍋爐房的控制（監(jiān)測）對象

出水溫度、壓力；回水溫度、壓力；爐膛溫度；爐膛負壓；省煤器前、后煙溫；省煤器前、后煙壓；空預(yù)器后煙溫；空預(yù)器后煙壓；排煙溫度；鼓風(fēng)風(fēng)壓；鍋爐出水流量；引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、爐排機故障報警（聲光報警）；熱水爐出水壓力上限報警（光報）；鍋爐出水壓力上上限報警（聲光報警）；熱水爐回水壓力下限報警（光報）；鍋爐回水壓力下下限報警（聲光報警）；鍋爐出水溫度上下限報警（光報）；鍋爐出水溫度上上限報警聯(lián)鎖停爐（聲光報警）；爐膛溫度上下限報警（光報）；鍋爐爐膛溫度上上限報警聯(lián)鎖停爐（聲光報警）；循環(huán)中斷報警聯(lián)鎖停爐（聲光報警）；爐膛負壓上下限報警（光報）

3）鍋爐房的控制目標(biāo)

鍋爐房控制算法根據(jù)室外溫度情況/實際的熱負荷的多少，自動控制燃燒系統(tǒng)，補水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)，煤渣系統(tǒng)并監(jiān)控所有的參數(shù)。鍋爐房自動控制可以根據(jù)設(shè)定好的溫度,壓力，流量，時間等控制曲線，或者設(shè)定的控制參數(shù)要求，進行自動平衡控制。

4.3 中央調(diào)度室的控制

1）中央調(diào)度室的控制目標(biāo)

作為熱力能源管控平臺，匯總了每個鍋爐房換熱站的數(shù)據(jù)，平臺計算系統(tǒng)能效并分析，對鍋爐房或換熱站提出優(yōu)化運行建議，指導(dǎo)合理運行，按需供熱。并積累運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘?qū)ο到y(tǒng)或換熱站進行橫向、縱向的比較、排序?？偨Y(jié)系統(tǒng)在設(shè)備的不同使用時期、不同天氣條件下的運行規(guī)律，形成每個項目的專家數(shù)據(jù)庫，在標(biāo)準的控制邏輯基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化，提高供熱質(zhì)量，降低運行成本。其大概的框圖如圖2。

2）中央調(diào)度室的組成及功能

熱網(wǎng)監(jiān)控中心是整個熱網(wǎng)調(diào)度和控制的中樞系統(tǒng)，它的功能、性能對熱網(wǎng)工作熱質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用。熱網(wǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)主要由服務(wù)器、工程師站、操作員站、大屏幕、UPS、工業(yè)交換機、打印機等設(shè)備組成。

微機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)以下主要功能：

1）供熱參數(shù)實時監(jiān)測

實時采集及顯示換熱站一次網(wǎng)和二次網(wǎng)供回水溫度和壓力、流量、熱量、閥門開度、水泵開啟狀態(tài)、循環(huán)泵變頻、補水泵變頻、液位等參數(shù)。

2）數(shù)據(jù)庫管理及報表打印功能

包括數(shù)據(jù)儲存、維護、轉(zhuǎn)換并能方便查詢和顯示參數(shù)變化曲線。根據(jù)需要隨時打印工況報表等。

3）能耗、水耗統(tǒng)計計算功能

根據(jù)實測參數(shù)統(tǒng)計各源、站及全網(wǎng)的能耗和水耗，為量化管理和收費提供依據(jù)。

圖2

4）系統(tǒng)特性參數(shù)實時辯識功能

充分利用測量數(shù)據(jù)信息，實時辨識出熱網(wǎng)中各管段阻力特性和熱交換器特性等參數(shù)，掌握水力和熱力工況。

5）水壓圖計算和顯示功能

計算并顯示從熱源至用戶的水壓圖。

6）供熱系統(tǒng)自動控制功能

在正常的管網(wǎng)運行狀態(tài)下，整個供熱管網(wǎng)應(yīng)進行均勻性調(diào)節(jié)，實現(xiàn)熱量的均勻分配，在通訊故障時各熱力站自成系統(tǒng)，根據(jù)熱用戶的熱需求（主要是根據(jù)二級網(wǎng)供回水溫度、室外溫度保證室內(nèi)的舒適溫度），現(xiàn)場控制單元對各熱力站內(nèi)設(shè)備進行閉環(huán)控制，保證熱量供應(yīng)。在量調(diào)節(jié)階段，各換熱站根據(jù)用戶流量變化，按照末端用戶壓差調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，保證不利點有足夠的資用壓頭。在質(zhì)調(diào)節(jié)階段，換熱站要根據(jù)用戶熱需要，協(xié)調(diào)供熱量，從而使供熱與熱需求相適應(yīng)，實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)節(jié)、經(jīng)濟運行。

7）監(jiān)控功能

每個換熱站/鍋爐房設(shè)置一定數(shù)量的攝像頭，用于監(jiān)視人員值班、設(shè)備運行狀況。

8）報警及故障診斷功能

（1）報警功能

在熱力站設(shè)聲響報警，在調(diào)度中心設(shè)聲光報警。報警信號是最優(yōu)先的通訊數(shù)據(jù)，熱力站報警發(fā)生時應(yīng)立即通過網(wǎng)絡(luò)通訊上傳至調(diào)度中心。

報警項目包括：

供電中斷報警功能；二次側(cè)供水壓力高；二次側(cè)回水壓力低；鍋爐房/換熱器一次側(cè)回水溫度高；鍋爐房/換熱器二次側(cè)供水溫度高；軟水箱水位高；軟水箱水位低；測控系統(tǒng)故障；變頻器故障。

（2）自動診斷功能

供電中斷報警及臨時供電功能；通訊網(wǎng)絡(luò)故障報警功能；壓力、溫度、流量傳感器故障；各熱力站水泵、電動閥等設(shè)備的故障；各種故障應(yīng)能及時在屏幕上顯示，并打印記錄。

3）對軟件編制的要求

供熱工程往往分好幾期,每期所供的面積各不相同，室外的天氣情況時常處于變化之中，公共建筑及企業(yè)白天上班（分戶計量時，時常晚上關(guān)閉供熱設(shè)施），居民住宅晚上才用電（分戶計量時，時常白天關(guān)閉供熱設(shè)施）,各種參數(shù)日夜差距太大，各種用電設(shè)備時常處在大馬拉小車的狀態(tài)之中，因為計量問題，供熱企業(yè)與用戶意見不一致，單機試車與聯(lián)動運行工況并存，新建筑（采用分戶計量），老建筑（按面積收費）并存，因此，對軟件的要求較高，特別注意以下問題：

軟件要有較強的適應(yīng)性，任何情況下都能做到安全第一。軟件要有試驗版，擴展版，使用版。以應(yīng)對不同的情況。企業(yè)應(yīng)有適時介入修正的功能。熱用戶的參與功能。經(jīng)濟考核功能。

綜上所述，我們認為，隨著供熱行業(yè)的發(fā)展，以無人值守為代表的精細化管理將是所有熱力企業(yè)的必經(jīng)之路，熱力能源管控平臺及控制系統(tǒng)將成為熱力企業(yè)的有力工具和保障。通過實踐證實，熱力能源管控平臺及控制系統(tǒng)實際效果良好，將為提高供熱行業(yè)管理水平發(fā)揮重要作用，熱網(wǎng)系統(tǒng)控制方式的研究及探索將會進一步發(fā)展。

[1]鍋爐房設(shè)計規(guī)范,(GB50041-2008).中國計劃出版社.

[2]民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范(JGJ16-2008).中國建筑工業(yè)出版社.

[3]三劍綜合技術(shù)有限公司產(chǎn)品樣本.