基于局域網的換熱站蒸汽熱量計量原理與運行參數監測系統設計

李明明++咸夫正++李飛++石文彬

摘要：本文主要介紹了基于校園局域網的換熱站運行參數的監測，數據采集器采集傳感器數據，通過485總線和數據網關，將數據傳送給監控中心的上位機，上位機進行存儲，處理，顯示。首先詳細介紹了換熱站中蒸汽熱量的計量原理與數學模型，以及其他運行參數的監測原理方法。然后介紹說明換熱站運行參數的監測現場示意圖和系統數據通信結構圖。最后講解了上位機監測軟件的主要模塊和監測系統的主要功能。

關鍵詞：換熱站 在線監測 數據采集 數據網關 過熱蒸汽 飽和蒸汽

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0167-03

1 引言

近年來，隨著國家能源緊張和各種節能環保政策的相繼出臺，城市集中供熱系統在北方許多中小城市得到迅速發展。目前對于很多校園內的換熱站集中供暖的概算熱指標一般都是偏大的。有部分原因是換熱站的運行參數監測與控制仍然是依靠人工監測調節完成[1]，缺乏有效的監測手段。隨著換熱站的信息化建設，換熱站監測已經從以前的粗放式管理開始向信息化管理過渡。

基于TCP/IP協議校園局域網的換熱站遠程監測系統可以對換熱站的熱量、溫度、壓力、流量、電能進行實時監測，實現對供熱過程的有效遙測。對于換熱站的運行工況，不利工況點，監測系統可以實現實時、全面的了解，并可根據運行數據進行供熱規劃和科學調配，為熱力部門提供準確、有效的重要數據。

2 蒸汽熱量計量原理及其他運行參數計量

2.1 蒸汽熱量計量原理

蒸汽在運行過程中由于工況參數的變化，會發生狀態變化，飽和蒸汽和過熱蒸汽的密度分別有著不同的數學描述模型，蒸汽熱量計量是一個非常的復雜的計量過程，在這里詳細介紹蒸汽熱量計量的理論基礎與實現方法。以下是所要進行的數學模型分析：

所有公式中，表示蒸汽密度，單位；表示蒸汽壓力，單位；表示蒸汽溫度℃；表示蒸汽熱量，單位；表示蒸汽質量流量，單位；表示蒸汽焓值，單位；表示蒸汽的體積流量，單位。

式（1）是我們采用蒸汽性質的專用手冊中給出的飽和蒸汽密度的擬合公式[2]，在0.1MPa～5.0MPa壓力情況下的相對誤差<0.5%。

式（2）采用的是最小二乘法擬合出來的過熱蒸汽密度公式。它是溫度與壓力兩種參數同時補償的密度計算公式[3]，基本涵蓋了工業蒸汽范圍，且計算精度較高。

蒸汽的熱量可以按式（3）熱力學公式計算。蒸汽的質量流量可以按式（4）計算。

由以上分析可知只要得到蒸汽的質量流量和其焓值就可以利用公式進行熱量的計算。這里蒸汽的焓值與蒸汽壓力和溫度有關系[4]，蒸汽焓值采用式（5）計算，上式按文獻以最小二乘法原理計算得到的，最大誤差為0.14%（在=0.4，=160℃時誤差最大）。

如果已知蒸汽壓力，可以通過查表，獲得該壓力下的飽和蒸汽溫度，若蒸汽溫度大于飽和溫度，可以說明此蒸汽是過熱的，若溫度與飽和相等，就是飽和的。根據蒸汽的狀態，分別建立蒸汽流量的數學模型，無論哪種狀態，對于蒸汽的熱量都有式（6）這樣的模型形式。

在儀器中我們使用PT1000測量溫度，使用渦街流量計測量體積流量，使用壓阻式壓力傳感器測量壓力。

2.2 電能計量、水量計量、溫度計量、壓力計量

為了便于計量整個換熱站的電能消耗，我們使用三相電能計量表，然后用該電能表留有的RS485通信接口，通過數據網關與水電暖辦公室監控中心的上位機通信，將電能消耗數據上傳。

在計量整個換熱站的水流量中，我們使用了一個電磁閥流量計，用于測量補水泵處的水流量的計量，一次側的蒸汽流量、回水流量由熱量計讀取，二次的進水、回水流量同樣由熱量計讀取。

為了便于計量整個換熱站的溫度，現場使用了六個溫度傳感器，包括五個測量水溫度、蒸汽溫度，一個測量換熱站現場溫度，我們還使用了一個溫度采集器，采集存儲溫度數據，之后通過485網與局域網上傳至上位機。

在計量整個換熱站的水蒸氣壓力和水壓中，我們使用了五個壓力傳感器，和一個壓力采集器，采集存儲壓力數據。之后通過485網與局域網上傳至上位機。

3 系統原理及結構

該換熱站運行參數監測系統是基于現場總線技術開發的機[5]，主要包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分主要由現場傳感器、數據采集監測設備、傳輸設備和終端數據處理顯示設備四大部分組成。軟件部分包括兩大功能模塊：數據采集監測設備運行程序和上位機監測軟件。系統數據通信結構如圖1所示。

如圖2所示是換熱站運行參數監測的現場示意圖。現場需要監控的主要參數有設備運行所消耗的電能量；換熱器兩側的熱量消耗；兩側兩對進水（或蒸汽）回水的壓力、溫度、流量；補水箱的壓力、溫度、流量；還有換熱站現場的溫度。其中電能消耗包括控制循環泵的變頻器和五個電動調節閥。循環泵和補水泵主要是由變頻器根據設定定點壓力變頻控制的。

4 下位機程序與上位機軟件設計

4.1 部分下位機程序流程圖

基于局域網的換熱站運行參數監測系統是一種分布式計算機監測系統。其中涉及的軟件設計主要包括：現場下位機各采集器的運行監測采集通信程序和上位機的中央監測機的管理軟件。

中央監測機軟件是整個軟件系統的核心，按照模塊化設計開發的具有面向對象、分布式、多線程、安全性和可靠性高的特點[6]。

4.2 中央監測軟件分為三個部分

用戶接口服務程序、數據通訊和數據處理程序、數據庫管理程序。

4.2.1 用戶接口服務程序

用戶接口服務程序也稱為前臺程序。基本功能是在屏幕上顯示各種圖形和數據，同時與用戶進行各種信息交換，執行用戶發出的各種指令。

4.2.2 數據通訊和處理程序endprint

本系統的換熱站現場總線網關的通訊程序是采用C語言編寫的，由于數據的格式與上位機的不同，因此中央控制程序必須對接收到的數據進行處理，通過校驗，得到正確數據。

4.2.3 用數據庫管理程序

數據庫管理程序用來對測量參數和分析統計后的數據進行存儲和管理。數據庫選用SQL SERVER2000大型數據庫，它能夠保證數據庫數據的可靠性和安全性，完成各種調用與顯示。

5 系統主要功能

基于局域網的換熱站運行參數的監測系統實時在線監測功能模塊主要包括以下模塊。

5.1 總監測界面

總監測界面中間是供熱站供熱工藝流程圖，包括各個運行參數的直接顯示；界面的下方是四個主要溫度的曲線顯示圖；界面左側是一些控制按鈕。按鈕包括換熱站號的切換、參數設置、歷史曲線、換熱站數據、歷史報表、返回。當用戶點擊某一連接按鈕時，將進入相應的功能界面。總監測界面的右下方是換熱站相關運行參數的數值顯示。總監測界面如圖4所示。

5.2 監控界面的參數設置

該模塊可對監測系統進行參數設置，如監測周期，報警值，保存數據時間長度等。

5.3 其他功能模塊

可以調取各種歷史數據，便于分析歷史運行狀況。其中現場供熱工藝流程圖可以直觀形象的顯示現場設備運行狀態。系統的報警設置可以讓監測人員及時發現問題、解決問題。換熱站站號切換功能，便于整個校園的換熱站之間的監測界面切換，以達到更好的高效、便捷地監測效果。

6 結語

本套換熱站運行參數監測系統能夠達到換熱站的實時監測，幫助監測管理人員及時準確地了解現場運行工況。為換熱站的安全、高效運行提供參數數據依據，從而保證整個供熱系統安全、穩定和經濟的運行。雖然該系統是針對校園供熱系統設計的，但對于其他集中供熱系統具有積極的參考意義。

參考文獻

[1]吳清收，王燕霞.換熱站自動監控系統的設計.自動化技術與應用，2008（6），25-27.

[2]節流裝置設計手冊.北京化工大學出版社，1995年.

[3]蒸汽熱量計量手冊.北京化工大學出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行業蒸汽熱量計量儀的研究.長春工業大學，2007.

[5]連國鈞.動力控制工程[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[6]劉曉華.精通JAVA核心技術[M].北京：電子工業出版社，2003.endprint

本系統的換熱站現場總線網關的通訊程序是采用C語言編寫的，由于數據的格式與上位機的不同，因此中央控制程序必須對接收到的數據進行處理，通過校驗，得到正確數據。

4.2.3 用數據庫管理程序

數據庫管理程序用來對測量參數和分析統計后的數據進行存儲和管理。數據庫選用SQL SERVER2000大型數據庫，它能夠保證數據庫數據的可靠性和安全性，完成各種調用與顯示。

5 系統主要功能

基于局域網的換熱站運行參數的監測系統實時在線監測功能模塊主要包括以下模塊。

5.1 總監測界面

總監測界面中間是供熱站供熱工藝流程圖，包括各個運行參數的直接顯示；界面的下方是四個主要溫度的曲線顯示圖；界面左側是一些控制按鈕。按鈕包括換熱站號的切換、參數設置、歷史曲線、換熱站數據、歷史報表、返回。當用戶點擊某一連接按鈕時，將進入相應的功能界面。總監測界面的右下方是換熱站相關運行參數的數值顯示。總監測界面如圖4所示。

5.2 監控界面的參數設置

該模塊可對監測系統進行參數設置，如監測周期，報警值，保存數據時間長度等。

5.3 其他功能模塊

可以調取各種歷史數據，便于分析歷史運行狀況。其中現場供熱工藝流程圖可以直觀形象的顯示現場設備運行狀態。系統的報警設置可以讓監測人員及時發現問題、解決問題。換熱站站號切換功能，便于整個校園的換熱站之間的監測界面切換，以達到更好的高效、便捷地監測效果。

6 結語

本套換熱站運行參數監測系統能夠達到換熱站的實時監測，幫助監測管理人員及時準確地了解現場運行工況。為換熱站的安全、高效運行提供參數數據依據，從而保證整個供熱系統安全、穩定和經濟的運行。雖然該系統是針對校園供熱系統設計的，但對于其他集中供熱系統具有積極的參考意義。

參考文獻

[1]吳清收，王燕霞.換熱站自動監控系統的設計.自動化技術與應用，2008（6），25-27.

[2]節流裝置設計手冊.北京化工大學出版社，1995年.

[3]蒸汽熱量計量手冊.北京化工大學出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行業蒸汽熱量計量儀的研究.長春工業大學，2007.

[5]連國鈞.動力控制工程[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[6]劉曉華.精通JAVA核心技術[M].北京：電子工業出版社，2003.endprint

本系統的換熱站現場總線網關的通訊程序是采用C語言編寫的，由于數據的格式與上位機的不同，因此中央控制程序必須對接收到的數據進行處理，通過校驗，得到正確數據。

4.2.3 用數據庫管理程序

數據庫管理程序用來對測量參數和分析統計后的數據進行存儲和管理。數據庫選用SQL SERVER2000大型數據庫，它能夠保證數據庫數據的可靠性和安全性，完成各種調用與顯示。

5 系統主要功能

基于局域網的換熱站運行參數的監測系統實時在線監測功能模塊主要包括以下模塊。

5.1 總監測界面

總監測界面中間是供熱站供熱工藝流程圖，包括各個運行參數的直接顯示；界面的下方是四個主要溫度的曲線顯示圖；界面左側是一些控制按鈕。按鈕包括換熱站號的切換、參數設置、歷史曲線、換熱站數據、歷史報表、返回。當用戶點擊某一連接按鈕時，將進入相應的功能界面。總監測界面的右下方是換熱站相關運行參數的數值顯示。總監測界面如圖4所示。

5.2 監控界面的參數設置

該模塊可對監測系統進行參數設置，如監測周期，報警值，保存數據時間長度等。

5.3 其他功能模塊

可以調取各種歷史數據，便于分析歷史運行狀況。其中現場供熱工藝流程圖可以直觀形象的顯示現場設備運行狀態。系統的報警設置可以讓監測人員及時發現問題、解決問題。換熱站站號切換功能，便于整個校園的換熱站之間的監測界面切換，以達到更好的高效、便捷地監測效果。

6 結語

本套換熱站運行參數監測系統能夠達到換熱站的實時監測，幫助監測管理人員及時準確地了解現場運行工況。為換熱站的安全、高效運行提供參數數據依據，從而保證整個供熱系統安全、穩定和經濟的運行。雖然該系統是針對校園供熱系統設計的，但對于其他集中供熱系統具有積極的參考意義。

參考文獻

[1]吳清收，王燕霞.換熱站自動監控系統的設計.自動化技術與應用，2008（6），25-27.

[2]節流裝置設計手冊.北京化工大學出版社，1995年.

[3]蒸汽熱量計量手冊.北京化工大學出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行業蒸汽熱量計量儀的研究.長春工業大學，2007.

[5]連國鈞.動力控制工程[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[6]劉曉華.精通JAVA核心技術[M].北京：電子工業出版社，2003.endprint