熱力站節能控制系統

陳青峰 童 靈 傅銘峰

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

熱力站節能控制系統

陳青峰 童 靈 傅銘峰

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

以現階段中國北方集中供熱系統存在的問題為出發點，提出了集中監控、熱力站內自控、通信支撐、監控中心構建及節能優化算法實現等解決方案。

自動控制 熱力站 DCS 集中監控 節能優化

中國的北方地區(秦嶺、淮河以北)地處寒溫和溫濕帶，需通過取暖度過寒冷漫長的冬季。目前，中國北方城鎮建筑近60%采用不同規模的集中供熱系統供熱。

歐洲各國在推進供熱系統的節能過程中，一直是堅持按整套系統綜合考慮的，也就是在以信息化帶動工業化的時代背景下，通過提高系統整體運行的能效指標實現供熱系統的整體節能。

現有中國大部分的集中供熱系統并未采取集中監控的方式，而是在熱力站內配備管理人員(站長)，負責儀器和設備的調節。為此，浙江中控自動化儀表有限公司提出并設計了一套熱力站節能控制系統，通過自動化技術、集中監控技術和節能優化算法，實現供熱系統的整體優化和節能增效。

1 系統構成①

筆者闡述的是一套具有無人值守、供熱優化及節能降耗等特點的熱力站節能控制系統(圖1)，系統整體分為現場層、控制層、通信層和管理層，其中，管理層又可分為熱力站監控中心和供熱優化算法，具體如下：

a. 現場層。包含調壓閥、泵、壓力變送器、溫度傳感器及流量計等一次儀表，還包含熱量表、電量表等計量儀表，也可部署視頻監控攝像機等。

b. 控制層。通過可組態的控制器，實現站內的循環、補水、供溫的自動/手動調節，也可接收來自監控中心的控制信號，用于遠程操控。在本系統中，選用了可便捷組態的HRC6000熱力站控制器作為站內自控系統的核心。

c. 通信層。包含有線(ADSL+VPN)和無線(4G)兩種方式，是整套系統互聯互通的關鍵。

d. 熱力站監控中心。包括數據監控服務器和中心管理服務器，并部署有相應的系統軟件。

e. 供熱優化算法。使用熱網平衡優化算法，與熱力站集中監控無縫鏈接，實現系統的自動調節、整體優化和節能運行。

圖1 熱力站節能控制系統層次結構簡圖

2 熱力站控制系統

熱力站分布在城市各處，它通過換熱器將一次管網中的高溫熱水轉換成進入住戶房間散熱器的低溫熱水。同時，熱力站內設有獨立的增壓系統(循環泵)和補水系統(補水泵和補水水箱)，用于調節二次管網的水壓和水量[1]。熱力站工藝流程如圖2所示。

圖2 熱力站工藝流程

選用HRC6000熱力站控制器(圖3)作為熱力站控制系統的站內控制設備，該款控制器是面向供熱領域的一體化控制設備，擁有行業集成、運行穩定、組態便捷及貼近實用等特點。

圖3 熱力站控制器構成模塊

HRC6000熱力站控制器采用32位微處理器和7英寸TFT彩色觸摸式液晶顯示屏，內置64MB NAND FLASH作為歷史數據的存儲介質，擁有16路模擬量萬能輸入和16路電流輸入、28路開關量輸入、4路脈沖量輸入、32路開關量輸出、100mA配電輸出，擁有RS485和RJ45以太網通信接口，同時，前方面板防護等級符合IP65的要求，可滿足熱力站內的使用需求。

HRC6000熱力站控制器在軟件設計上充分考慮熱力站的運行特點，將復雜的控制邏輯抽取成行業集成算法，包括：加泵減泵邏輯算法、泵低頻保護算法及氣候補償算法等，并配合業務引導式組態軟件，實現熱力站自控邏輯的便捷組態。由于HRC6000熱力站控制器對復雜邏輯的封裝，使得工程人員即使不能掌握復雜的組態編程，也可借助“業務引導式”組態軟件，通過功能勾選等方式完成組態功能設置。業務引導式組態軟件如圖4所示。

圖4 業務引導式組態設置界面

HRC6000熱力站控制器可實現的主要功能如下：

a. 自動控制功能，包括循環自控、補水自控及調節閥/增壓泵自控等；

b. 保護功能，包括超溫保護、超壓保護、失壓保護、上下限保護、延時啟泵保護、補水低頻運行保護及防汽化保護等；

c. 切換功能，包括時間控制、輪換控制及檢修控制等；

d. 聯鎖功能，包括失壓聯鎖、斷電聯鎖、自動泄壓聯鎖、泵閥聯鎖、補水聯鎖及水箱液位聯鎖等；

e. 程序控制功能，可制定節能模式，分時段運行供暖控制程序；

f. 報警功能，包括主動力電失電/缺相報警、泵故障報警、循環泵全停報警、站內非法闖入報警、控制柜的柜門開啟、物理量過高或過低報警；

g. 其他功能，包括現場設備間的交互控制、站內數據(電量、水量、熱量)的采集和結算、就地控制及遠程控制等。

3 系統通信網絡

由于熱力站分散在城市各處，在熱源、熱力站和熱力管網監測節點與監控中心之間，需要有一套穩定可靠的數據通信網絡來支持廣域網上的數據傳輸，實現對各運行系統的監測、控制、調度和管理。通信網絡分為有線和無線兩套解決方案，可采取有線、無線共存的通信方式，其網絡架構如圖5所示。

圖5 有線/無線通信網的架構簡圖

有線通信網絡。監控中心需要一個固定IP地址(或固定域名)，各站點通過通信運營商網絡平臺(如ADSL)，并借助擁有VPN功能的路由器，使各個子站通過VPN隧道協議連入監控中心，從而使監控中心與各熱力站之間構成一套穩定的實時通信專網。

無線通信網絡。對于部分通過有線方式接入困難的熱力站，可使用無線通信網絡，與有線方式類似，監控中心也需要一個固定IP地址(或固定域名)，并借助運營商的移動通信網絡(一般使用4G網絡)，使用無線終端自帶的VPN功能，構建一套穩定的實時通信專網。

4 熱力站監控中心

監控中心即為中心控制站(圖6)，主要由監控服務器、中心服務器、操作員工作站、工程師站、防火墻、通信網關、以太網交換機、液晶電視墻、打印機及UPS電源等硬件設備所組成。其核心作用是通過集中監控系統統一管理全系統的運行狀態、總供熱量及總循環流量等參數，并擁有遠程操控熱力站內設備運行的功能。

在數據監控服務器和中心管理服務器上，部署SCADA數據監控軟件和綜合運行管理平臺。SCADA數據監控軟件負責數據監控、斷線續傳及流程圖監控等功能，并支持有線和無線兩種通信連接方式。綜合運行管理平臺負責數據查詢、對比分析、報警提醒、能耗考核、GIS地理信息平臺及優化算法注入接口等功能。其中，能耗考核模塊通過耗能結算、供熱面積管理、能耗報表及能耗排名等功能，使各熱力站的能耗對比情況一目了然，從而為節能管理提供數據依據。

圖6 監控中心總體層次結構

5 供熱優化算法

基于熱力站控制系統、系統通信網絡、熱力站監控中心三大模塊的構建，使優化算法注入節能控制系統成為可能，本節將對供熱優化算法進行詳細闡述。

5.1使用集中監控后的管理模式

使用集中監控系統后，調度監控中心采用的策略是中央監測、現場控制。中央管理工作站主要負責檢測顯示熱網參數(必要時可直接切換成遠程控制)和各站的協調，而每個熱力站獨立地工作。

各熱力站采取站內無人值守的管理模式，由熱力站控制器完成站內的控制操作；由監控中心值班人員對熱力站遠程進行參數調整；由機動巡檢維護人員對熱力站進行故障排查，并由熱力站巡檢管理系統對機動巡檢人員的工作進行考核。以此形成對熱力站的自動控制和管理。

5.2該模式存在的問題

在該管理模式中，將各個熱力站視為相互獨立的控制單元，由各站的控制器獨立地對站內設備進行控制和調整，而忽視了熱源(鍋爐)、網管遠近分布和鄰近熱力站對本熱力站的影響，缺乏系統的全局性考慮。

熱力站系統是一套耦合性較強的系統，當操作人員手動控制某一閥門動作時，可能會對鄰近的熱力站、遠端的熱力站的管網流量產生影響，而后通過回水對熱源產生影響，而諸多的耦合因素是操作人員無法估計的。

熱力站各自調節，缺乏全局性、系統性的計算，是熱力站控制系統的瓶頸，由此，設計和使用了一套熱網平衡優化算法，并通過優化算法注入接口，與集中監控系統實現交互數據的對接，以此解決該管理模式存在的問題。

5.3熱網平衡優化算法的實現

簡單地說，熱力站平衡算法就是考慮各熱力站、管路輸送時間、區域性優化方案和其他諸多因素，通過熱源(鍋爐)的實時和歷史數據，由熱網平衡優化算法計算出執行要求，并將執行要求發送至各熱力站內的控制系統，從而達到整體節能的目的。

目前，熱力站節能控制系統作用于各熱力機組相關的控制對象為：質調節(二網溫度)和量調節(二網流量)。質調節由二網供溫的設定值控制一網變頻或閥門開度控制，如圖7所示。量調節則由二網供回壓差的設定值控制二網循環泵系統，如圖8所示。

圖7 熱網平衡質調節

圖8 熱網平衡量調節

平衡調節的相關策略如下：

a. 當熱源充足時，各機組按配置的控制策略，執行節能控制調節。當熱源不足時，需要整體降負荷，以此達到平衡的目的。

b. 用戶可為每個機組設定“啟用流量控制”或“啟用二網溫控”，在不同的選擇情況下，組態界面也不相同。

c. 當熱源不足時，按照優先級進行協調攤派，修正設定值。

d. 系統可為每個機組配置組策略，組策略為最高權限。

平衡調節的設定方式如下：

a. 周期性地向某一數據點下發某一數據值，并維持設定時間長度，維持時間結束后，可回歸原先值或保持當前值；

b. 定時向某一數據點下發某一數據值，并維持設定時間長度，維持時間結束后，可回歸原先值或保持當前值；

c. 檢查策略間是否存在沖突。

5.4節能效果

浙江中控自動化儀表公司將該系統成功應用于合肥熱電集團、山東魚臺、黑龍江鐵力宇祥、山東日照建設熱力、張家口橋西、山西懷仁及河北威縣等熱力站無人值守和綜合運行系統，取得了良好的節能效果和用戶滿意度，主要體現在：

a. 通過現場無人值守的監控管理，撤銷了站內人力駐守，采取換熱站內自控+中心站遠程操控相結合的方式，既節省了管理成本，又提高了住戶滿意度；

b. 實時掌握站內設備的運行狀態和報警信息，有效調度機動隊伍的巡檢路線，使得站內問題得到快速處理，從而保護站內設備、保障供熱運行；

c. 通過熱網平衡算法中的質調節，降低了熱能的無故散損，減少了總體供熱量，從而每個供熱季可為熱力公司節省10%～15%的燃料消耗；

d. 通過熱網平衡算法中的量調節，增大了二次網的運行溫差，避免了大流量小溫差的發生，從而為熱力公司節約20%以上的電能消耗。

6 結束語

筆者從目前中國的集中供熱現狀出發，提出并構建了一套由熱力站控制系統、系統通信網絡、熱力站監控中心三大模塊和供熱優化算法組成的熱力站節能控制系統，并對熱網平衡優化算法進行了詳細的闡述。在實際應用中，該系統增強了供熱系統的自動化水平、提高了集中供熱綜合管理能力、節約了先前因操作不當而損失的熱能。并利用熱網平衡優化算法，節省了供熱系統的熱能和水泵運行的電能，使得熱力站能夠安全、穩定、節能運行，提升了城市供熱系統所帶來的經濟效益和社會效益。

[1] 曹宏麟.換熱站節能控制系統研究[J].山西建筑,2010,36(1):207～208.

Energy-savingControlSystemforHeatingSupplyStations

CHEN Qing-feng, TONG Ling, FU Ming-feng

(ZhejiangSUPCONInstrumentCo.,Ltd.,Hangzhou310052,China)

Starting with discussing the matters which bothering central heating system in North China, the schemes of centralized monitoring, auto-control over heating supply stations, communication support, establishing monitoring center and adopting energy-saving and optimization algorithms there were proposed.

auto-control, heating station, DCS, centralized monitoring, energy-saving and optimization

2016-04-07(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)07-0763-05