智能采暖控制系統(tǒng)的改造

程 潔

(保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

0 引言

為響應(yīng)政府關(guān)于節(jié)能減排低碳管理的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)國(guó)家“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，各個(gè)企業(yè)都加入了環(huán)保大軍。熱交換站作為采暖設(shè)施的重要組成部分，其蒸汽及水電能源消耗量巨大，因此，本文作者在保證某企業(yè)供熱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，為降低能源消耗、滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的需要，融合節(jié)能減排的理念，對(duì)該企業(yè)供暖系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，以實(shí)現(xiàn)最終的發(fā)展目標(biāo)。

1 現(xiàn)采暖控制系統(tǒng)及存在的問(wèn)題

某企業(yè)是生產(chǎn)大型設(shè)備的工業(yè)企業(yè)，廠(chǎng)房高大且數(shù)量多，分布不集中,每年的采暖期為11月15日至次年的3月15日,采暖方式采用汽水換熱器熱水供暖和蒸汽直接供暖兩種模式。蒸汽從電廠(chǎng)進(jìn)入廠(chǎng)區(qū)蒸汽管道，在入口處安裝蒸汽流量計(jì)用以計(jì)量蒸汽總量。

原熱交換站主要處理設(shè)施包括：1臺(tái)軟化水設(shè)備；1臺(tái)儲(chǔ)水箱；3臺(tái)熱水循環(huán)泵；3臺(tái)汽水換熱器，單臺(tái)傳熱面積為75.3 m2；另外有2臺(tái)65 W-50補(bǔ)水泵用以補(bǔ)充系統(tǒng)管道損失的水壓。原熱交換站系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 原熱交換站系統(tǒng)圖

在企業(yè)日常運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的啟動(dòng)和閥門(mén)的開(kāi)關(guān)都是由操作人員手動(dòng)完成的，蒸汽的用量大小和閥門(mén)的開(kāi)度無(wú)法根據(jù)負(fù)荷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因此，實(shí)際上整個(gè)廠(chǎng)區(qū)是采用24 h持續(xù)供暖的。同時(shí)，沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，無(wú)法對(duì)能源的使用情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這樣，就對(duì)企業(yè)的管理制度有著非常嚴(yán)苛的要求，倘若執(zhí)行力度不到位，很大程度上會(huì)造成能源的過(guò)度消耗。

換熱器采用R1123管殼式汽水換熱器，該換熱器由于使用年限較長(zhǎng)，極易發(fā)生內(nèi)漏，近年來(lái)，換熱器的維修頻率已大大升高。

2 解決方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)該系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行智能化改造。智能采暖控制系統(tǒng)是以S7-200/SMART CPU及模擬量輸入輸出模塊為中心的控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，其中包括室外溫度、供水溫度、回水溫度3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行溫度采集與數(shù)字量轉(zhuǎn)換，并根據(jù)設(shè)定供水溫度，與室外溫度進(jìn)行程序計(jì)算，輸出0 V～10 V信號(hào)控制蒸汽電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸出，控制供水溫度。這樣，無(wú)論外界溫度如何變化，供水溫度都會(huì)隨之進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持供水溫度在合理的范圍內(nèi)。同時(shí)，蒸汽使用量可與數(shù)據(jù)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，形成小時(shí)歷史記錄，并通過(guò)U盤(pán)存儲(chǔ)，方便企業(yè)隨時(shí)掌握能源使用情況并做出相應(yīng)的調(diào)整。整個(gè)采暖控制系統(tǒng)可通過(guò)供暖循環(huán)泵啟閉進(jìn)行供水溫度控制，供暖循環(huán)泵關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥相應(yīng)關(guān)閉。系統(tǒng)具有停電保護(hù)及停泵保護(hù)功能，停電或停止循環(huán)水泵時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。

2.2 改造后的系統(tǒng)組成

目前PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，有著較高的可操作性和極強(qiáng)的可靠性。改造后的系統(tǒng)采用PLC模塊控制，將室外溫度、供水回水溫度以及蒸汽流量的調(diào)整量作為控制輸出，并依照一般模糊控制器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)室外溫度的變化及用戶(hù)設(shè)定的不同時(shí)間段對(duì)室內(nèi)溫度的要求，利用室外溫度補(bǔ)償運(yùn)算出所需的供暖水溫，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)控制規(guī)律實(shí)時(shí)與實(shí)際供水溫度比較來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽電動(dòng)閥開(kāi)度，精確控制供水溫度，避免發(fā)生用戶(hù)室溫過(guò)高的現(xiàn)象而浪費(fèi)蒸汽，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)供水溫度與室外溫度的自動(dòng)控制，滿(mǎn)足不同用戶(hù)對(duì)供熱的需求[1]。

改造后的熱交換站主要設(shè)施及控制原理：將原3臺(tái)熱交換器組更換成1臺(tái)10 t的循環(huán)水箱，水箱內(nèi)安裝蒸汽噴射器，直接對(duì)水加熱，節(jié)約了占地面積，循環(huán)水箱視覺(jué)上更為直觀(guān)，避免內(nèi)漏現(xiàn)象，縮短維修時(shí)間。水箱上安裝有液位傳感器及溫度傳感器，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水箱液位情況以及水箱內(nèi)熱交換后的熱水溫度，自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)水排水狀態(tài)。蒸汽管道上安裝有蒸汽調(diào)節(jié)閥，其開(kāi)度大小隨供水溫度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。采集供水溫度、回水溫度、室外溫度3個(gè)溫度，并進(jìn)行顯示。

2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行

在整個(gè)熱水網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)前，需要先開(kāi)啟循環(huán)水泵，使水通過(guò)除污器將水中雜物沉淀在除污器內(nèi)，沖洗時(shí)間應(yīng)以循環(huán)水達(dá)到清潔為準(zhǔn)。沖洗結(jié)束后，應(yīng)拆除循環(huán)水箱出口位置的除污器，清洗干凈后再安裝好，然后給系統(tǒng)充軟化水。軟化水設(shè)備在使用過(guò)程中進(jìn)水口應(yīng)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，如果短期不需要軟化水則可以關(guān)閉出水閥門(mén)，進(jìn)水口不得關(guān)閉，并保持正常工作時(shí)的水壓；操作人員定期觀(guān)察鹽箱內(nèi)鹽的剩余量，鹽少于鹽箱三分之一時(shí)補(bǔ)充，添加時(shí)鹽不能超過(guò)鹽箱的二分之一。

戶(hù)外網(wǎng)路充水完成后，即可轉(zhuǎn)入系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行。首先開(kāi)啟循環(huán)水泵，此時(shí)應(yīng)在其出口閥門(mén)關(guān)閉的情況下進(jìn)行，逐漸開(kāi)大出口閥門(mén)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，網(wǎng)路壓力應(yīng)保持穩(wěn)定。網(wǎng)路的供水壓力為0.4 MPa～0.6 MPa，回水壓力為0.15 MPa～0.25 MPa。循環(huán)水泵運(yùn)行后觀(guān)察水泵運(yùn)行狀態(tài)、水箱水位及供回水壓力，保證供回水壓力達(dá)到正常狀態(tài)，循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行。打開(kāi)采暖系統(tǒng)蒸汽管道的兩個(gè)手動(dòng)閥門(mén)，采暖系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)將自行打開(kāi)給采暖系統(tǒng)加熱。此時(shí)，觀(guān)察蒸汽壓力、供回水溫度，系統(tǒng)將按照用戶(hù)設(shè)定的采暖溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)，整個(gè)供暖系統(tǒng)才算正式運(yùn)行。改造后的熱交換站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改造后的熱交換站系統(tǒng)

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用觸摸屏人機(jī)交互界面，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。觸摸屏作為替代傳統(tǒng)控制面板和鍵盤(pán)的智能化操作顯示器，可用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，以曲線(xiàn)等形式描繪自動(dòng)化控制過(guò)程；可簡(jiǎn)化PLC的控制程序，并對(duì)PLC控制程序進(jìn)行監(jiān)控和操作控制。現(xiàn)場(chǎng)將采集的溫度、開(kāi)度等信息轉(zhuǎn)化為0 V～10 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送至PLC，再經(jīng)過(guò)比較、運(yùn)算等處理后轉(zhuǎn)換成0 mA～20 mA的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥以滿(mǎn)足供暖需求。通過(guò)與PLC的數(shù)據(jù)交換，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、水泵開(kāi)啟情況等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，并向現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)出控制和參數(shù)設(shè)置的指令[2]。供暖溫度根據(jù)正常供暖需求設(shè)定，供暖管道按照冬季環(huán)境溫度取補(bǔ)償系數(shù)為0 ℃～5 ℃，根據(jù)該廠(chǎng)的生產(chǎn)作息，夜間12點(diǎn)以后到次日早8點(diǎn)為休息時(shí)間，此時(shí)可采用節(jié)能供暖溫度，溫度仍然可按需調(diào)節(jié)。同時(shí)，當(dāng)水箱水位實(shí)際顯示值低于水箱補(bǔ)水啟動(dòng)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)水電磁閥門(mén)補(bǔ)水，當(dāng)水箱水位升到水箱補(bǔ)水停止水位設(shè)定值時(shí)補(bǔ)水閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，停止補(bǔ)水。當(dāng)水箱水位實(shí)際顯示值高于水箱排水啟動(dòng)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)排水電磁閥門(mén)排水，當(dāng)水箱水位實(shí)際顯示值低于水箱排水停止設(shè)定值時(shí)排水閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，停止排水。當(dāng)水箱水位值低于水箱保護(hù)水位設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提示值班人員及時(shí)將循環(huán)水泵停止，防止循環(huán)水泵無(wú)水干燒。這樣便減少了由于人員操作不合理造成的能源浪費(fèi)。監(jiān)控主畫(huà)面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控主畫(huà)面

3 結(jié)語(yǔ)

企業(yè)通過(guò)節(jié)能改造，采用蒸汽直噴加熱水箱代替汽水換熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、故障率低，同時(shí)減少了設(shè)備占地面積。智能采暖控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱交換站半自動(dòng)運(yùn)行，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了由于人力資源匱乏和人員技能水平不均而引發(fā)的能源浪費(fèi)問(wèn)題，提高了能源利用率，使經(jīng)濟(jì)效益得到大幅度提升。