供熱系統(tǒng)中自動化控制探討論文

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摘要：在供熱系統(tǒng)中，自動化并不是錦上添花的裝飾品，而是運行工況穩(wěn)定性的需要，是各個環(huán)節(jié)協(xié)調匹配的需要，是變工況的需要；更是節(jié)能的需要，總之是安全經(jīng)濟管理所必須的組成部分。介紹了金泰供熱中心在控制系統(tǒng)方面的不完善之處，并針對該中心的不足，在自動化控制的角度著重探討該項目的綜合控制技術發(fā)展空間，以便于在工程繼續(xù)階段能夠完善。

關鍵詞：供熱；自動化控制；節(jié)能

0前言

天津市河北區(qū)金泰供熱中心建于2001年，是一所當年立項，當年設計，當年施工，當年竣工并投入運行的大型集中供熱中心，該供熱中心設計供熱面積490萬平方米，承載天津市供熱總體規(guī)劃中的最大一片集中供熱區(qū)域。該項目的建設取代了小鍋爐房12個，為規(guī)劃新建的200萬平方米的居住區(qū)和現(xiàn)有的300萬平方米住宅區(qū)供暖，采用了較為先進鍋爐集散控制系統(tǒng)和變頻調速，擁有先進的技術設備和巨大的擴展功能。

1完善供熱中心DCS控制系統(tǒng)

1.1中心控制系統(tǒng)介紹

金泰供熱中心根據(jù)目前鍋爐配置情況，中心DCS控制采用2個操作員站、1個工程師站，鍋爐房公共部分及每臺鍋爐均設置了少量重要檢測點的后備儀表（公共部分的循環(huán)泵入口壓力、出口壓力、室外溫度、總管出水溫度、總管回水溫度、總管出口流量、各臺爐出口溫度、出口水壓、出口流量、爐膛溫度、爐膛負壓、聲光報警）和手操器（包括鼓、引風手操、爐排手操、分層手操、循環(huán)泵手操），以保證投運行試車和設備檢修期間，仍能夠保證鍋爐的基本運行。

計算機集散控制系統(tǒng)采取了多可靠性措施，操作員站采用性能穩(wěn)定的工業(yè)PC機，且為冗余設計，在運行中任何一個操作員站或任何一條網(wǎng)絡線出現(xiàn)故障，都不會影響鍋爐的正常運行和操作。而DCS系統(tǒng)用于完成現(xiàn)場信號采集、回路調節(jié)、邏輯聯(lián)鎖、順序控制等基本操作功能的現(xiàn)場控制。

1.2中心DCS控制示意圖

圖1、圖2具體描繪了集散控制的基本組成結構及金泰供熱中心的現(xiàn)況:

圖1集散控制系統(tǒng)基本結構

1.3采用DCS控制的優(yōu)點

（1）人機界面好，便于操作管理

(2)系統(tǒng)高度的安全可靠；

(3)能達到最優(yōu)化管理；

(4)遠距離控制與管理；

(5)利用充分的數(shù)據(jù)信息，科學節(jié)能運行；

(6)系統(tǒng)構成方便靈活，不僅易于擴展，而且維修簡單；

(7)能與計算機和常規(guī)模擬儀表兼容，繼承它們的優(yōu)點。

1.4發(fā)展?jié)摿巴晟拼胧┆?/p>

1.4.1全面完善中心DCS軟硬件系統(tǒng)以發(fā)揮出最大效力

DCS系統(tǒng)以直觀的人機界面著稱，通過CRT圖形動畫顯示，可以直觀的了解鍋爐及各設備的運行情況，便于正常啟動、合理操作和故障的排除，具體做法如下：

(1)完善、接入鍋爐的基本數(shù)據(jù)采集元件，如：爐膛壓力（壓力傳感器）、溫度（熱電偶）、出入水溫度（溫度傳感器或熱電阻），煙氧含量、出水流量（超聲波流量計）等，并且利用SUPCONJX-300X集散控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件開發(fā)出相應的監(jiān)視畫面，以達到實時監(jiān)控功能。

圖2金泰供熱集散控制示意

(2)增加遠紅外設備成像系統(tǒng)和室外溫度記錄裝置，使新增設備與DCS共用平臺對接，這樣可以充分在設備運行期間24小時對所有電氣設備進行監(jiān)控記錄，并且，通過室外溫度記錄裝置，在DCS中記錄全年室外溫度T0，以便正確調節(jié)及總結規(guī)律。確保正常運行和人員合理配置。

(3)全面優(yōu)化SUPCONJX-300X集散控制系統(tǒng)軟件平臺，利用其系統(tǒng)組態(tài)（SCKey組態(tài)軟件）、圖形化組態(tài)（SCControl工具）、報表制作（SCForm軟件）、實時監(jiān)控（AdvanTrol軟件）等多功能綜合開發(fā)人機界面，增大DCS控制的直觀性，以便于使操作更合理。并且實現(xiàn)運行記錄報表化打印，避免人工虛假填寫。

(4)在DCS控制系統(tǒng)中，完善目前運行的投自動功能。根據(jù)室外溫度的變化和每天時段的不同，計算機自動改變鍋爐出口水溫的給定值，自動調整爐排轉速、調整風煤比，調整引風機保持爐膛負壓始終維持在給定值附近，使鍋爐維持在最佳或次最佳的燃燒狀態(tài)。然而此狀況目前不太穩(wěn)定，原因在于鍋爐燃燒水溫反饋之間根據(jù)室外溫度的不同有一段不定的滯后時間，故造成風煤比處于動態(tài)調節(jié)，導致費煤，熱效率不高，為解決此問題，必須采用模糊控制及人工智能，排除中間干擾環(huán)節(jié)，以達到平穩(wěn)、有效的燃燒控制。

(5)完善控制與連鎖功能。目前引風機、鼓風機及爐排、熱水循環(huán)泵為集中控制室與機旁兩地控制。鍋爐除渣機、灰渣水泵、軟水加壓泵及換熱循環(huán)泵為機旁就地控制。上煤系統(tǒng)為集中控制室與機旁兩地控制。另外，在聯(lián)鎖方面采取先引風后鼓風，再爐排的順序開機聯(lián)鎖，停機則反之。循環(huán)泵至少一臺啟動后，鍋爐才能投入運行；當所有循環(huán)泵停機時，鍋爐停爐。當運行鍋爐出口壓力極低或鍋爐水溫極高時，自動停爐聯(lián)鎖。循環(huán)泵及爐排事故停機時，聲光報警。引風機、鼓風機、爐排采用變頻調速，由計算機自動調節(jié)。此類控制并無疑義，只是在集中顯示方面尚未體現(xiàn)，維修人員巡視量大，所以采用中央調度集中監(jiān)控設備起停及正常運轉是必要的，這就需要在控制室DCS系統(tǒng)中完善上位機系統(tǒng)，從而節(jié)約人力。

1.4.2完善人工智能控制

鍋爐供熱控制系統(tǒng)比較復雜，影響因素比較多，各因素之間相互影響、相互制約。而且鍋爐系統(tǒng)熱容性大、惰性強、安全性能要求高。因而就目前而言鍋爐控制完全依賴于自動化控制難度非常大，也是不現(xiàn)實的。為此要求我們采取在自控的基礎上增加人工智能部分。在自動控制狀態(tài)下，利用人的智能解決自控系統(tǒng)不能很好判斷的和處理的問題。用人工的知識經(jīng)驗與自控系統(tǒng)相互配合共同搞好鍋爐控制。例如：煤在鍋爐中的燃燒在本自控系統(tǒng)中占有非常重要的地位。但不同的煤種、不同發(fā)熱量的煤、不同揮發(fā)分含量的煤、不同顆粒大小的煤可直接導致不同的鍋爐燃燒狀況。但煤樣經(jīng)過人工分析后，操作人員就可以在自動控制燃燒的狀況下，通過微機人工適當?shù)卣{整爐排和鼓引風轉數(shù)，而且還可以隨著鍋爐內的負壓值和含氧量的不斷變化，必要時修正鼓引風機轉數(shù)。

1.4.3完善DCS控制系統(tǒng)上位數(shù)據(jù)處理，發(fā)揮控制室的中央控制功能

中央控制室是一個集中控制的地方，在此處，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的集中管理，為此在目前現(xiàn)狀的基礎上必須完善上位控制管理系統(tǒng)，以便實現(xiàn)控制的更加直觀有效。從而擴大控制承載功能，為實現(xiàn)從鍋爐本體燃燒控制到無人職守熱力站換熱的整體控制作擴展。整體控制上位系統(tǒng)方案如圖3所示：

1.4.4完善DCS控制系統(tǒng)對各換熱站的分布式控制

各熱力站分散控制、中控室集中監(jiān)控、總體協(xié)調。即各熱力站根據(jù)本小區(qū)供熱的負荷變化和室外溫度變化，獨立的進行本站一次網(wǎng)供水電動調節(jié)閥門（近端）或增壓泵（遠端）的調節(jié)控制，在本站進行監(jiān)控的同時，將本站的一次網(wǎng)供給水、壓力、溫度、熱量，二次網(wǎng)供回水溫度、壓力以及室外溫度等參數(shù)送往中央控制室；中央控制室根據(jù)各熱力站送來的工況信息和環(huán)境信息，對全網(wǎng)的水力平衡和熱力平衡狀況進行分析，根據(jù)負荷要求以具體的方式向熱源發(fā)出熱源質、量調節(jié)的申請，同時對各熱力站發(fā)出協(xié)調命令，以維持大網(wǎng)的水力平衡。

對熱力站控制對象進行分析，目前各換熱站的控制主要是一次網(wǎng)側供水流量的調節(jié)控制，其次是二次網(wǎng)側的循環(huán)泵轉速控制和起停控制。

目前金泰供熱中心下屬26個熱力站，將來根據(jù)設計承載能力，還有更多的熱力站并入該中心。

完善目前中心對下屬站的分布式控制結構；

金泰熱中心目前采用的是西門子監(jiān)控系統(tǒng)軟件，但只做了部分試點工程，根據(jù)試點分站，我們對中心控制系統(tǒng)進行了設想完善，其結構圖4：

圖4系統(tǒng)總圖

整個系統(tǒng)結構采用兩臺冗余的服務器，兩個操作員站，一個管理工作站，一個工程師站及網(wǎng)絡設備、UPS、大屏幕投影儀等。系統(tǒng)運行后，兩臺服務器一主一備同時運行，實時連接所有的RTU站，并時時存儲所有數(shù)據(jù)，操作員站上可以看到所有RTU站的數(shù)據(jù)，并能夠進行遠程操控，通過工程師站可以對RTU程序進行遠程下載、調試、修改。自帶的OPC通訊協(xié)議與第三方監(jiān)控系統(tǒng)提供了方便的數(shù)據(jù)交換功能，先進的遠程通訊，可以通過調制解調器和通訊網(wǎng)絡方便的進行系統(tǒng)遠端訪問。詳細介紹見軟件說明。

DesigoInsight的系統(tǒng)結構是以模塊化計算機網(wǎng)絡為基礎，并使用工業(yè)級標準的操作系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡和協(xié)議。

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡全面支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交集、控制及圖形用戶面等系統(tǒng)功能。應用標準的軟件和硬件，該網(wǎng)絡能夠支持多種廣域網(wǎng)，可以將所有的節(jié)點連接成為一個整體的系統(tǒng)。網(wǎng)絡協(xié)議為TCP/IP，通過系統(tǒng)應用程序可直接生成界面。同時該系統(tǒng)支持用全功能的圖形操作界面通過標準的撥號方式進行遠程組態(tài)和操作。

增設仿真模擬系統(tǒng)；

為了進一步搞好大網(wǎng)的全網(wǎng)質量雙調，我們在本項目中引入了RISE仿真系統(tǒng)，在物理上熱網(wǎng)仿真系統(tǒng)處于中央控制室計算機網(wǎng)絡的上位機工作站中，處于我們系統(tǒng)控制方案的最上層，它可以不僅提供熱網(wǎng)控制的仿真指導、故障診斷，也可以通過中控SCADA的控制系統(tǒng)，直接參與熱網(wǎng)的質量雙調、全網(wǎng)控制。

仿真系統(tǒng)的功能作用如下：

根據(jù)熱網(wǎng)的設計參數(shù)而建立的原始熱網(wǎng)模型，在安裝、調試時，計算負荷及相應的二次網(wǎng)側流量、一次網(wǎng)流量、閥門開度，以減少調試的時間。

提供熱網(wǎng)的水壓趨勢圖，向操作員提供在室外溫度變化、負荷變化時，進行各種質、量調節(jié)后熱網(wǎng)的水壓趨勢，以使操作員提前了解調節(jié)方案的結果。避免熱網(wǎng)水力、熱力失衡、系統(tǒng)振蕩。

在熱網(wǎng)負荷變化時，向操作員提供操作控制指導，以供操作員選擇。

通過中控監(jiān)控系統(tǒng)的控制程序直接參與控制，提供優(yōu)化的控制方案。

根據(jù)熱網(wǎng)的物理模型，對現(xiàn)有工況進行分析，以診斷非正常的工況、故障等，如堵、漏、熱力站水力失衡等。

離線對操作員進行熱網(wǎng)運行操作培訓，在不干擾熱網(wǎng)運行的前提下，高效率對操作員進行仿真培訓。

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2完善中心及各分站的變頻控制

2.1采用變頻控制節(jié)能分析

風機，是傳送氣體裝置。水泵，是傳送水或其它液體的裝置。就結構和工作原理而言，兩者基本相同。現(xiàn)先以風機為例加以說明。

2.1.1對風機進行控制，屬于減少空氣動力的節(jié)電方法

它和一般常用的調節(jié)風門控制風量的方法比較，具有明顯的節(jié)電效果。由圖5可以說明其節(jié)電原理：

圖中，曲線（1）為風機在恒定轉速n1下的風壓一風量（H―Q）特性，曲線（2）為管網(wǎng)風阻特性（風門全開）。假設風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH2OQ1表示。如果生產工藝要求，風量需要從Q1減至Q2，這時用調節(jié)風門的方法相當于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線（3），系統(tǒng)由原來的工況點A變到新的工況點B運行。從圖中看出，風壓反而增加，軸功率與與面積BH1OQ2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調速控制方式，風機轉速由n1降到n2，根據(jù)風機參數(shù)的比例定律，畫出在轉速n2風量（Q-H）特性，如曲線（4）所示。可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ2表示。節(jié)省的功率△N=（H1-H3）×Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節(jié)能的經(jīng)濟效果是十分明顯的。

由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓H與轉速的平方成正比，軸功率N與轉速的三次方成正比。采用變頻器進行調速，當風量下降到80%時，轉速也下降到80%，而軸功率N將下降到額定功率的51.2%,如果風量下降到60%,軸功率N可下降到額定功率的21.6%,當然還需要考慮由于轉速降低會引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等.即使這樣,這個節(jié)能數(shù)字也是很可觀的,因此在裝有風機水泵的機械中,采用轉速控制方式來調節(jié)風量或流量,在節(jié)能上是個有效的方法。

2.1.2水泵的節(jié)能原理

許多補水泵都維持恒壓的情況下改變給水量（流量Q）從圖6可知：當流量Q1降至Q2若不改變水泵轉速,揚程將升至B工作點，其功率可用H2*Q2來計算，對應面積BH20Q2。原A工作點功率Q1*HT圖上面積AHTOQ1，兩者所耗功率變化不大，如果我們降低轉速至（2）即可節(jié)能Q2*H2－Q2*HT=Q2（H2－HT），圖DBH2HT的面積即是節(jié)能值。再如流量變至Q3若仍以額定轉速運行，所需功率Q3*H1，浪費能量為FCH1HT。

圖6

與風機節(jié)能原理相同水泵電機輸出功率正比于轉速三次方關系，用變頻器進行調速，流量下降，可保持恒壓HT。若轉速下降至額定轉速的80%，軸功率下降至額定功率的51.2%,流量下降至Q3,若使揚程恒定,可使轉速下降到額定轉速的70%,此時，軸功率是額定值的34.3%,節(jié)能達65.7%,經(jīng)濟效益十分明顯。

2.2變頻器節(jié)能數(shù)據(jù)示例

下面舉例說變頻器應用在鍋爐采暖系統(tǒng)上的節(jié)能效果。80T熱水鍋爐所用電機容量如下：

引風機：380KW鼓風機：90KW循環(huán)泵：315KW

爐排：1.5KW給水泵：15KW(一用一備)

本變頻控制柜可保證在供熱鍋爐正常工作的基礎上,同時達到節(jié)電、節(jié)煤以及環(huán)保的目的。

電機總容量=380+90+315+1.5+15=801.5KW

本鍋爐視為供熱水的條件下每天工作24小時、每月30天，本變頻控制柜在起爐高額區(qū)和恒溫運行區(qū)的綜合節(jié)電率約在35%左右，由此：

（1）每月節(jié)電總量=801.5KW×35%×24×30=201974.4度，按每度電以0.6元計算，則：80T爐的節(jié)電資金：0.6×201974.4度?=121184.64元/每月。

（2）每月用煤量約為2400噸，按5%節(jié)能率計算：每月節(jié)煤量：2400T×5%=120噸，現(xiàn)按每噸煤400元計算，每月節(jié)煤資金：400元×120噸=48000元，每月節(jié)電節(jié)煤總額：121184.64?+48000=169184.64元。

2.3采用變頻控制優(yōu)點

（1）采用變頻調速，消除了大電動機啟動時對電網(wǎng)電壓的波動影響。

（2）采用變頻調速，消除了大電動機大電流啟動時的沖擊力矩對電機損壞。

（3）采用變頻調速，延長了電機、管網(wǎng)和閥門的使用壽命，減輕了維修人員的工作量，降低了維修費用。

（4）提高了系統(tǒng)自動裝置的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化運行提供了可靠保證；系統(tǒng)的運行參數(shù)得到改善，提高系統(tǒng)效率。

綜上所述，供熱中心及各分站采用和恢復變頻控制是必要的，同時要求操作人員熟練掌握工作原理，以便正確操作合理維護設備。

3增加供熱系統(tǒng)管理信息化網(wǎng)絡平臺

3.1按需構建VPN網(wǎng)絡

VPN有三種解決方案，分別是：遠程訪問虛擬網(wǎng)（AccessVPN）、企業(yè)內部虛擬網(wǎng)（IntranetVPN）和企業(yè)擴展虛擬網(wǎng)（ExtranetVPN）。針對金泰中心要進行企業(yè)內部各分支機構的互聯(lián)，認為使用IntranetVPN是很好的方式。

VPN(VirtualPrivateNetwork)通稱為虛擬專用網(wǎng)。虛擬專用網(wǎng)指的是依靠ISP（Internet服務提供商）和其它NSP（網(wǎng)絡服務提供商），在公用網(wǎng)絡中建立專用的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的技術。VPN兼?zhèn)淞斯娋W(wǎng)和專用網(wǎng)的許多特點，將公眾網(wǎng)可靠的性能、豐富的功能與專用網(wǎng)的靈活、高效結合在一起，是介于公眾網(wǎng)與專用網(wǎng)之間的一種網(wǎng)。

3.2VPN網(wǎng)絡的整體方案

3.2.1網(wǎng)絡設計結構

供熱總公司與各中心及其下屬分片區(qū)采用星型結構通過光纖介質接入網(wǎng)通公司的IP城域網(wǎng),組成VPN專用網(wǎng)實現(xiàn)互訪。出于對數(shù)據(jù)傳輸安全性的考慮，利用專用的路由器且要求網(wǎng)通公司利用IP城域網(wǎng)的交換設備劃分虛擬局域網(wǎng)（VLAN），使公司各點組成一個獨立的VLAN，成為真正意義上的VPN。各中心通過交換機組成以太網(wǎng)，通過路由器和總公司連接構成VPN網(wǎng)絡平臺。

3.2.2網(wǎng)絡拓撲結構網(wǎng)

根據(jù)應用軟件的使用要求，整個系統(tǒng)設立三臺服務器。一臺Web服務器，一臺物流管理系統(tǒng)專用服務器，一臺收費管理系統(tǒng)專用服務器。總公司內部工作站通過四臺萬兆WS－4024交換機連接，為避免局域網(wǎng)內部業(yè)務科室的工作站通過互聯(lián)網(wǎng)感染病毒，把需要連接互聯(lián)網(wǎng)的工作站劃分一個VLAN都統(tǒng)一接到TP－LinkSF3124P交換機上，考慮到在局域網(wǎng)內部不同VLAN之間的通信量比較大，如果每一個數(shù)據(jù)包的傳輸都通過路由器，則隨著網(wǎng)絡上信息量的不斷增大路由器將不堪重負，并會成為整個網(wǎng)絡的瓶頸。所以把TP－LinkSF3124P交換機接到具有三層交換技術的Cisco3550交換機再和Cisco3700路由器相連，從而減輕路由器的工作壓力。總公司路由器通過CiscoPIX515E防火墻和主干光纖連接，以防止病毒的侵入。各分公司的局域網(wǎng)由Cisco2600路由器和主干光纖連接，這樣構成了熱力公司的VPN網(wǎng)絡平臺。

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4結語

通過上文幾點論述表明，自動化程度的完善就等于生產力的提高，雖然先期建設階段增大了投資費用，然而在長期正常的運轉中實現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)電、節(jié)約檢修費用、更節(jié)約人力的顯著特點，其取得的收益遠遠大于先期的投入。