SCADA-RTU在集中供熱節(jié)能控制方面的應用

哈爾濱順易天翔熱力技術開發(fā)有限公司 任少臣，范家鵬

哈爾濱華能集中供熱有限公司，承擔著哈爾濱道里區(qū)道外區(qū)近1300萬平方米的集中供熱工作，現(xiàn)有換熱站100余座。在2010年開始連續(xù)兩年應用ABB的AC500系列PLC的RTU，由哈爾濱順易天翔熱力技術開發(fā)有限公司設計并調試，供熱值按設定參數(shù)運行，運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)以及故障情況能實時上傳到公司調度中心機房換熱站可實現(xiàn)無人值守。下面就對筆者公司換熱站調度中心SCADA組態(tài)軟件及RTU系統(tǒng)應用情況進行簡要介紹。

1 換熱站自控設計原則

（1）自動化控制系統(tǒng)的目標是在保證供熱質量的前提下，達到經濟運行，即降低熱、水、電的消耗，為此就需要提出一套科學的工藝控制方案和與之配合的設備設置，這是十分重要的，應該高度重視。

（2）在設計整個供熱系統(tǒng)自動化時，要充分考慮到系統(tǒng)的兼容性、開放性、通用性及可擴展性。

（3）換熱站自動化系統(tǒng)針對熱用戶的不同情況，制定具有針對性的控制策略，在選擇控制系統(tǒng)及配套儀表時，應該本著性能可靠，簡單實用便于維護的原則。

（4）根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模及系統(tǒng)的復雜程度，選用高性價比的自控系統(tǒng)，比如國內外知名品牌的PLC(可編程序控制器)系統(tǒng)及控制軟件。目前哈華能熱網(wǎng)采用的熱網(wǎng)RTU主要元器件采用ABB品牌PLC。

（5）在設計自控系統(tǒng)網(wǎng)絡時，要充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及將來系統(tǒng)的擴容，通訊協(xié)議選用在國際上或者在國內已經廣泛應用的通訊協(xié)議。

2 SCADA調度中心系統(tǒng)的組成（圖1）

圖1 哈華能熱網(wǎng)調度中心系統(tǒng)框圖

哈華能供熱公司使用VPN和3G相結合與組態(tài)軟件進行通訊的熱網(wǎng)調度中心系統(tǒng)。

2.1 SCADA調度中心配置

2.1.1 數(shù)據(jù)接收服務器

數(shù)據(jù)服務器主要實現(xiàn)熱網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)庫管理、綜合計算、熱網(wǎng)數(shù)據(jù)分析計算和處理、事故故障信號的分析處理。同時實現(xiàn)熱網(wǎng)控制系統(tǒng)的信息管理、歷史數(shù)據(jù)以及歷史事件的顯示、存儲和歸檔。管理整個監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，提供監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢的服務。

2.1.2 網(wǎng)絡發(fā)布服務器

完成對程序的開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面的編輯及修改，并提供工程師站的有關外設。

網(wǎng)絡發(fā)布服務器，其主要任務是在標準畫面和用戶組態(tài)畫面上，匯集和顯示有關的運行信息，供運行人員據(jù)此對機組的運行工況進行監(jiān)視和控制。

2.1.3 操作員站

操作員工作站系指實現(xiàn)運行人員熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)人機接口的工作站，功能包括圖形顯示、定值設定及變更工作方式等。運行值班人員通過彩色液晶顯示器可以對熱網(wǎng)的生產、設備運行做實時監(jiān)視，取得所需的各種信息。熱網(wǎng)調度中心所有的操作控制都可以通過鼠標及鍵盤實現(xiàn)。操作員工作站配置聲卡和語音軟件，用于當被監(jiān)控對象發(fā)生事故或故障時，發(fā)出語音報警提醒運行人員。

2.2 調度中心主要功能

調度中心的功能要滿足用戶的要求，調度中心軟件主要實現(xiàn)以下功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、遠方控制、遠方調節(jié)、實時畫面報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、歷史曲線查詢、日月報表、分類統(tǒng)計報表、負荷預測、全網(wǎng)平衡控制，及熱網(wǎng)應急控制等功能。系統(tǒng)并預留和關系數(shù)據(jù)庫的接口，如SQL Server/Oracle/Access等接口。

工藝流程圖，如圖2所示，按實際熱力站情況模擬顯示熱力站運行的實時工況。

圖2 工藝流程圖

水力圖，如圖3所示，按曲線的方式顯示各站點間水力工況的分布。

圖3 水力圖

3 換熱站自控系統(tǒng)組成

換熱站自控系統(tǒng)一般由PLC、現(xiàn)場儀表及電器、通訊接口、人機接口觸屏等組成。如圖4所示。

圖4 換熱站工藝流程示意圖

具體采集參數(shù)如下：

（1）一次網(wǎng)供水溫度、壓力、流量（熱量）；

（2）一次網(wǎng)回水溫度、壓力；

（3）二次網(wǎng)供水溫度、壓力；

（4）二次網(wǎng)回水溫度、壓力；

（5）一次網(wǎng)供水流量調節(jié)閥開啟度；

（6）循環(huán)水泵、補水泵運行狀態(tài)；

（7）循環(huán)泵、補水泵的頻率控制與反饋。

圖5 換熱站自控系統(tǒng)框圖

如圖5所示，溫度、壓力、流量等參數(shù)通過現(xiàn)場儀表傳感器轉換成標準的電信號，變頻器把電機的電流、轉速等信號送入RTU，RTU可以控制變頻器的啟停及調速。觸屏作為現(xiàn)場的人機接口，顯示換熱站的主要參數(shù)及設備狀態(tài)，現(xiàn)場的操作指令也可以通過觸屏下達。

換熱站自控系統(tǒng)采用ABB的RTU、變頻器和觸摸屏，具體配置如下，如表1所示。

表1

換熱站RTU如圖6所示。

圖6 換熱站RTU

4 換熱站控制策略

換熱站控制策略采用熱力平衡的控制策略。

熱量平衡：當熱水網(wǎng)路在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，如不考慮管網(wǎng)的沿途損失，則網(wǎng)路的供熱量應等于供暖用戶采暖設備的散熱量，也應該等于供暖熱用戶的熱負荷。

即1Q=2Q=3Q這也是供熱調節(jié)的理論基礎，從公式中可以看出，系數(shù)q及V一般變化不大，可以認為是常數(shù)，所以要控制建筑物的室內溫度一定時，只有tw–室外溫度一個變量，也就是說室外溫度是影響建筑物供暖熱負荷的唯一變量。

所以在熱網(wǎng)自控系統(tǒng)中，室外溫度的變化是系統(tǒng)產生擾動的決定性因素，控制的主要目的就是抵消室外溫度變化產生的擾動影響，維持系統(tǒng)的平衡。筆者公司采用 “室外溫度－供水溫度的調節(jié)” 與“分階段改變流量”結合方式。

4.1 供水溫度tg調節(jié)

tg–供水溫度；室內溫度；室外溫度；相對流量比；等于實際流量G與設計運行流量G'的比，散熱器的散熱指數(shù)，對于常用散熱器 =0.14～0.37公式中凡帶有上角標“＇” 的參數(shù)為設計工況下的，不帶上角標的為任意室外溫度tw下的參數(shù)。

當室外溫度tw一定時，相對流量比是定值，所以供水溫度tg也是定值。

通過以上分析可以知道，在一段時間內的平均室外溫度和供水溫度在理論上有唯一的對應關系，能夠很容易通過理論計算求出質調節(jié)時室外度–供水溫度的對應曲線。

如圖7所示，室外溫度–供水溫度的對應曲線在某一段可以近似為折線，可以通過多段折線函數(shù)來描述室外溫度–供水溫度的對應關系。即tg=f(tw)。

圖7 室外溫度–供水溫度的對應曲線圖

控制梯形圖，如圖8所示。

優(yōu)點：此種控制策略的優(yōu)點比較突出，直接控制供水溫度具有調節(jié)周期短，較穩(wěn)定的特點，而且便于實時修正，此種控制在自控調節(jié)上也最容易掌握，因此此種控制策略的應用較多，比較適合于單純質調節(jié)和質調節(jié)+分階段量調節(jié)的熱力站。

圖8 控制梯形圖

缺點：在同一室外溫度下，當流量比變化時，相對供暖熱負荷比會改變，二級網(wǎng)供水溫度tg也會改變，曲線得重新制定，比較繁瑣。另外用同一條曲線很難適應所有的建筑，必須結合運行人員的實際經驗加以修正，才能達到令人滿意的效果。

由于供熱系統(tǒng)熱惰性大，屬于滯后系統(tǒng)，對于調節(jié)規(guī)律的選擇，適合于采樣調節(jié)，即流量調節(jié)閥不連續(xù)調節(jié)，避免產生振蕩，使被調參數(shù)出現(xiàn)上下反復波動現(xiàn)象，這樣調節(jié)效果反而不好。采樣調節(jié)就是對流量調節(jié)閥進行間歇性調節(jié)，可采取30分鐘調節(jié)一次的方法，這要視供熱系統(tǒng)的規(guī)模大小而定。系統(tǒng)越大，調節(jié)間隔應愈長，這樣可以充分反映延時的影響。每次調節(jié)，流量調節(jié)閥的開度變化也不能過大，要進行行程限制。

不論采用何種控制策略，都要把單位面積供熱量Q（W/ m2）作為一個重要的考核指標，用此來考核每個換熱站是否經濟運行，還可以避免換熱站熱力失衡。

4.2 分階段改變流量

循環(huán)水泵的控制主要是保證二級網(wǎng)的水力工況，根據(jù)情況可以采用一對一或一對多的調節(jié)模式。運行方式主要為以下幾種。

（1）定壓差調節(jié)

以二級網(wǎng)出口母管的壓差為控制目標，通過變頻器控制循環(huán)泵的轉速，保持二級網(wǎng)出口母管的壓差始終保持在定值。

（2）分階段改變流量

在采暖熱機組中，根據(jù)供熱階段的不同，熱負荷會有很大的變化，所以我們可以供熱期分為初末期、中期、嚴寒期三個階段，在每個階段采用不同的流量運行，比如在初末期以70%的額定流量運行，在中期以80%的額定流量運行，在嚴寒期以額定流量運行，這樣將節(jié)省大量的電能，也能保證更加理想的運行工況。

在熱風幕機組中，熱負荷的主要需求為9:00～20:00時段，所以我們在熱負荷需求時段設定正常壓差值，保證用戶的供熱量，在其它時段RTU自動切換為設定的經濟壓差，保證系統(tǒng)運行需求的最低負荷指標。這樣即滿足了用戶的要求，要保證了能源的合理利用。

循環(huán)泵采用MODUS總線對變頻器進行控制，梯形圖如圖9所示。

圖9 控制梯形圖

5 節(jié)能效果分析

5.1 降低單位熱能消耗

通過自動控制方案的實施，一方面減小了管網(wǎng)水平失調的程度，使得供熱房間溫度的分布更為均勻。另一方面，當熱用戶的負荷較小時，可以通過減小流量的方式降低水泵能源的消耗。另外通過對一次網(wǎng)流量調節(jié)閥的自動控制、換熱站水泵合理、及時的調節(jié)，還可以避免人工調節(jié)在時間上的滯后性和對經驗的依賴性。

5.2 降低單位電耗

在換熱站增設水泵變頻設備，可對水泵電機頻率進行自動控制，通過改變電動機的電流及頻率，達到節(jié)能的目的。變頻控制的調節(jié)范圍很寬，且能保持較高的效率，實現(xiàn)精度很高的運行。變頻控制的節(jié)能還表現(xiàn)在消除了電動機啟動過程中的大電流，對延長水泵的使用壽命也很有益處。

以筆者所在的公司一個15萬平米供熱面積換熱站為例，2010年換熱站水泵共耗電23.4萬度，即電單耗為1.56度/平米供熱面積，2011年在自動控制方案的實施下，電單耗為1.25度/平米供熱面積，15萬平米供熱面積節(jié)電量為4.65萬度，按電單價0.747計算，可節(jié)省購電費用3.44萬元。

5.3 降低人工費

增加自動控制設備，換熱站最終達到無人值守，可節(jié)省人員費用3萬元15萬平米供熱面積合計節(jié)省運行費用和人工費用28.2萬元。

所以通過自控調節(jié)手段及變頻器的合理配置，一定能達到很好的節(jié)能效果。

6 結語

綜上所述，ABB的RTU軟件及硬件在熱網(wǎng)自控系統(tǒng)中能夠使熱能更加有效地得到利用，并且降低供熱成本，提高供熱效率，使供熱效果顯著提高。