哈爾濱順易天翔熱力技術(shù)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(dān)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(yīng)用ABB的AC500系列PLC的RTU，由哈爾濱順易天翔熱力技術(shù)開發(fā)有限公司設(shè)計并調(diào)試，供熱值按設(shè)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(diào)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(diào)度中心SCADA組態(tài)軟件及RTU系統(tǒng)應(yīng)用情況進行簡要介紹。

1 換熱站自控設(shè)計原則

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

（2）在設(shè)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(yīng)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(fù)雜程度，選用高性價比的自控系統(tǒng)，比如國內(nèi)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(shè)計自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用的通訊協(xié)議。

2 SCADA調(diào)度中心系統(tǒng)的組成（圖1）

圖1 哈華能熱網(wǎng)調(diào)度中心系統(tǒng)框圖

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

2.1 SCADA調(diào)度中心配置

2.1.1 數(shù)據(jù)接收服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)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(wù)。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)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(guān)外設(shè)。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器，其主要任務(wù)是在標(biāo)準(zhǔn)畫面和用戶組態(tài)畫面上，匯集和顯示有關(guān)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(shè)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(chǎn)、設(shè)備運行做實時監(jiān)視，取得所需的各種信息。熱網(wǎng)調(diào)度中心所有的操作控制都可以通過鼠標(biāo)及鍵盤實現(xiàn)。操作員工作站配置聲卡和語音軟件，用于當(dāng)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(diào)度中心主要功能

調(diào)度中心的功能要滿足用戶的要求，調(diào)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(diào)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(fù)荷預(yù)測、全網(wǎng)平衡控制，及熱網(wǎng)應(yīng)急控制等功能。系統(tǒng)并預(yù)留和關(guān)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(diào)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號，變頻器把電機的電流、轉(zhuǎn)速等信號送入RTU，RTU可以控制變頻器的啟停及調(diào)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(shè)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(dāng)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(yīng)等于供暖用戶采暖設(shè)備的散熱量，也應(yīng)該等于供暖熱用戶的熱負(fù)荷。

即1Q=2Q=3Q這也是供熱調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)，從公式中可以看出，系數(shù)q及V一般變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)，所以要控制建筑物的室內(nèi)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(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)節(jié)” 與“分階段改變流量”結(jié)合方式。

4.1 供水溫度tg調(diào)節(jié)

tg–供水溫度；室內(nèi)溫度；室外溫度；相對流量比；等于實際流量G與設(shè)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(biāo)“＇” 的參數(shù)為設(shè)計工況下的，不帶上角標(biāo)的為任意室外溫度tw下的參數(shù)。

當(dāng)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(nèi)的平均室外溫度和供水溫度在理論上有唯一的對應(yīng)關(guān)系，能夠很容易通過理論計算求出質(zhì)調(diào)節(jié)時室外度–供水溫度的對應(yīng)曲線。

如圖7所示，室外溫度–供水溫度的對應(yīng)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(yīng)關(guān)系。即tg=f(tw)。

圖7 室外溫度–供水溫度的對應(yīng)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(diào)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(diào)節(jié)上也最容易掌握，因此此種控制策略的應(yīng)用較多，比較適合于單純質(zhì)調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)+分階段量調(diào)節(jié)的熱力站。

圖8 控制梯形圖

缺點：在同一室外溫度下，當(dāng)流量比變化時，相對供暖熱負(fù)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(yīng)所有的建筑，必須結(jié)合運行人員的實際經(jīng)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(diào)節(jié)規(guī)律的選擇，適合于采樣調(diào)節(jié)，即流量調(diào)節(jié)閥不連續(xù)調(diào)節(jié)，避免產(chǎn)生振蕩，使被調(diào)參數(shù)出現(xiàn)上下反復(fù)波動現(xiàn)象，這樣調(diào)節(jié)效果反而不好。采樣調(diào)節(jié)就是對流量調(diào)節(jié)閥進行間歇性調(diào)節(jié)，可采取30分鐘調(diào)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(diào)節(jié)間隔應(yīng)愈長，這樣可以充分反映延時的影響。每次調(diào)節(jié)，流量調(diào)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(biāo)，用此來考核每個換熱站是否經(jīng)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(diào)節(jié)模式。運行方式主要為以下幾種。

（1）定壓差調(diào)節(jié)

以二級網(wǎng)出口母管的壓差為控制目標(biāo)，通過變頻器控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)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(fù)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(yán)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(yán)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(fēng)幕機組中，熱負(fù)荷的主要需求為9:00～20:00時段，所以我們在熱負(fù)荷需求時段設(shè)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(shè)定的經(jīng)濟壓差，保證系統(tǒng)運行需求的最低負(fù)荷指標(biāo)。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(diào)的程度，使得供熱房間溫度的分布更為均勻。另一方面，當(dāng)熱用戶的負(fù)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(diào)節(jié)閥的自動控制、換熱站水泵合理、及時的調(diào)節(jié)，還可以避免人工調(diào)節(jié)在時間上的滯后性和對經(jīng)驗的依賴性。

5.2 降低單位電耗

在換熱站增設(shè)水泵變頻設(shè)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(diào)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(shè)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(diào)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(jié)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。