1．概述 隨著首都機場建設的日益發(fā)展，集中供熱面積不斷規(guī)模在不斷擴大，供熱系統的運行調節(jié)與管理變得更加復雜，對集中供熱系統的安全、可靠和節(jié)能運行提出更高的要求。因此，使用先進的供熱站監(jiān)控技術實現供熱系統實時參數和狀態(tài)監(jiān)測、跟蹤外溫的變化自動調節(jié)溫度和流量，改善供暖質量和實現高效的節(jié)能，自動控制設備運行、故障報警與處理，實行數據量化管理，健全運行檔案，從而提高系統設備的運行效率和科學管理水平。 1#供熱站有13臺汽-水交換器，其中10臺用于提供間供高溫采暖熱水（一次水），向第二級換熱站供熱；3臺用于直供低溫熱水（二次水），供熱面積76673m2。1#供熱站未改造前，使用人工調節(jié)供水溫度，循環(huán)水泵均為工頻運行，使用數顯表監(jiān)視參數，調控手段落后，能源消耗高，技術水平落后，急需進行設備和技術改造。 1#供熱站采用供熱站監(jiān)控系統和節(jié)能技術后，實現了生產過程檢測、控制及生產管理自動化，并取得了明顯的節(jié)能效益，提高了供熱站的運行管理的水平。 2．系統構成、配置及功能 1#站集中監(jiān)控系統由控制室操作員站OS（operation station）、現場控制器CU（control unit）、站內以太通訊網絡、通訊網關GU（gateway unit）、原儀表盤、水泵配電盤、變頻水泵配電盤，以及溫度、壓力、流量傳感器、換熱器蒸汽調節(jié)閥、流量積算儀和熱表集中器及熱表組成。 控制器配置I/O模塊，采集所有的物理量信號，輸出物理量的控制信號，運行控制程序。 通訊網關使用網絡通訊的方式與具有數據通訊功能的儀表和執(zhí)行機構進行實時通訊，采集信號和下裝指令。 通訊網關和控制器之間使用點對點的通訊方式，交換數據信號。 通訊網關、控制器和操作站之間的數據通訊使用以太網，通訊協議采用符合國際和國家標準的Modbus TCP/IP。 系統結構框圖見圖1： 2．1 操作員站OS站 計算機硬件采用惠普公司HP PC和大屏幕的LCD顯示器，軟件操作系統使用微軟公司WIN2000，應用控制軟件開發(fā)平臺采用悉雅特公司CIETECT SCADA ，數據庫使用微軟公司MS SQL 2000，數據發(fā)布服務程序使用微軟公司 MS ASP+SQL SERVER技術；通訊網絡使用100M/10M工業(yè)以太網，通訊協議使用符合國際和國家標準的Modbus TCP/IP 。 主要功能： 數據通訊：通過網絡自動采集運行的數據； 數據展示：數據表格方式展示、工藝流程圖方式展示、趨勢圖方式展示； 回路控制界面：供回水溫度控制、蒸汽調節(jié)閥開度控制和緊急關閉操作、變頻循環(huán)泵頻率控制等； 數據管理：歷史數據存儲、查詢，報表生成和打印，數據分析； 數據發(fā)布：以WEB的方式發(fā)布數據； 計量數據抄表：自動周期采集計量儀表的數據、保存、制表； 安全管理：分級管理權限、登錄和登出記錄； 操作記錄：自動記錄設定的操作，用于事故追查和運行管理； 操作站主要軟件結構見圖2： [align=center]圖2 操作站軟件結構圖 [/align] 操作站的視窗頁面規(guī)劃見圖3： 2．1 操作員站OS站 計算機硬件采用惠普公司HP PC和大屏幕的LCD顯示器，軟件操作系統使用微軟公司WIN2000，應用控制軟件開發(fā)平臺采用悉雅特公司CIETECT SCADA ，數據庫使用微軟公司MS SQL 2000，數據發(fā)布服務程序使用微軟公司 MS ASP+SQL SERVER技術；通訊網絡使用100M/10M工業(yè)以太網，通訊協議使用符合國際和國家標準的Modbus TCP/IP 。 主要功能： 數據通訊：通過網絡自動采集運行的數據； 數據展示：數據表格方式展示、工藝流程圖方式展示、趨勢圖方式展示； 回路控制界面：供回水溫度控制、蒸汽調節(jié)閥開度控制和緊急關閉操作、變頻循環(huán)泵頻率控制等； 數據管理：歷史數據存儲、查詢，報表生成和打印，數據分析； 數據發(fā)布：以WEB的方式發(fā)布數據； 計量數據抄表：自動周期采集計量儀表的數據、保存、制表； 安全管理：分級管理權限、登錄和登出記錄； 操作記錄：自動記錄設定的操作，用于事故追查和運行管理； 操作站主要軟件結構見圖2： 2．2 現場控制器 控制器采用悉雅特公司CIETECT MOX 控制器，配置MOX 603 I/O。站內的I/O信號采集和控制功能由MOX控制器完成。其特點：配置合理，具有很強的現場適應能力；強大的軟件功能，可以滿足各種靈活控制、復雜運算的要求；具有RTU和PLC的雙重優(yōu)勢，應用靈活；靈活的通訊方式，標準的通訊協議，可方便的組成各種復雜系統；現場監(jiān)控和遠程監(jiān)控兼?zhèn)?，為系統操作、診斷、維護和升級提供了方便；工業(yè)標準設計的I/O模塊可帶電更換；控制器和I/O模塊均能提供組成雙模塊冗余方式運行。 控制器功能：采集所需的壓力、溫度、電流、調節(jié)閥信號、變頻器信號、水泵電機電氣信號等參數，同時承擔高溫線和低溫線運行調節(jié)的自動控制、設備啟停、報警等自動監(jiān)控工作。 監(jiān)控的I/O輸入輸出點信號：室外氣象溫度 、換熱器出口溫度、高低溫線供、回水溫度、壓力、補水量、補水水箱水位、蒸汽調節(jié)閥的位置和控制信號、蒸汽調節(jié)閥手/自動狀態(tài)信號、循環(huán)水泵配電柜電壓、水泵電機電流、水泵電機運行和故障信號、變頻控制信號、變頻器故障信號、變頻器手/自動信號等。 I/O點規(guī)模：DI 80、DO 16 、AI 80、AO 32 。 控制器的程序設計采用符合國際標準IEC6113-3的功能塊（FDB）語言。 2．3 通訊網關 鑒于連接到1#站的通訊設備較多，本地連接11臺智能流量積算儀，使用MODBUS RTU串口協議。站內3臺熱表，站外4臺熱表，熱表使用M-BUS協議。預留電能計量表抄表的串口通道。因此，使用1臺MOX 通訊網關專門承擔眾多的通訊任務。采集蒸汽管線的壓力、溫度、瞬時流量、瞬時熱量及流量和熱量的累計值；回水管線的流量和流量累計值；熱表的溫度、瞬時流量、瞬時熱量及流量和熱量的累計值。 網關通訊口規(guī)劃： 串口1： RS485總線1，通訊速率 9600，MODBUS 主站，連接11臺流量積算儀。 串口2： RS485總線2，通訊速率 9600，MODBUS 主站，連接熱表集中器、電能計量表等。 Eth1：10M以太網RJ45口，連接站內以太網，與操作站通訊。 Eth2：10M以太網RJ45口，連接控制器的Eth2口，與控制器通訊。 熱表集中器的M-BUS端口作為M-BUS主站，通過M-BUS網絡連接熱表，輪巡采集各個熱表數據。同時提供M-BUS到MODBUS RTU的網絡轉換功能，M-BUS格式的熱表數據被轉換為MODBUS RTU協議，通過其RS485通訊口連接到RS485總線2。 以太網絡通訊：安裝在監(jiān)控中心的光纖以太網交換機，連接MOX 通訊網關、MOX 控制器、1#站操作站和管網操作站，構成的站內局域網用于數據通訊。 2．4 站以太網通訊 采用東土電信公司的工業(yè)級以太網交換機KIEN2000型，入網的設備有：控制器、通訊網關、操作站、站管理計算機，同時還是整個供熱管網以太網的子網。 [b]3．設備改造 [/b] 換熱器蒸汽電動調節(jié)閥和變頻循環(huán)水泵是實現自動控制和節(jié)能效果的關鍵設備。此次改造進行了部分設備的更換。 3．1蒸汽電動調節(jié)閥 在改造前，1#供熱站的蒸汽調節(jié)閥的調節(jié)能力和精度差，調節(jié)量僅有10%，閥門控制信號不能實現自動控制，因此需更換。 此次改造調節(jié)閥口徑縮小二級，提高閥門的控制能力到64%；電動執(zhí)行器選用鞍山工裝合資產品,其主要模塊使用日本工裝進口部件，大大提高控制能力和精度。滿足自動控制的要求。閥體是鞍山熱工的產品。 高溫水（一次水）蒸汽參數：，溫度 230℃，過熱蒸汽，Qmax=15t/h，Qmin=4t/h，Qn=10t/h，閥前壓力 1.0 MPa，壓差0.9 MPa，工藝管徑250mm。 蒸汽調節(jié)閥選型：ZDLN- 40KG-150中溫電動雙座調節(jié)閥，公稱壓差4MPa，行程60mm，Kv值400，介質溫度 –40 - 450℃,等百分比特性。 低溫水（二次水）蒸汽參數：，溫度 230℃，過熱蒸汽，Qmax=15t/h，Qmin=4t/h，Qn=10t/h，閥前壓力 1.0 MPa，壓差0.9 MPa，工藝管徑200mm。 蒸汽調節(jié)閥選型：ZDLN- 40KG-125中溫電動雙座調節(jié)閥。公稱壓差4MPa，行程60mm，Kv值250。介質溫度 –40 - 450℃，等百分比特性。 配備電動執(zhí)行器 361LSC-65 行程60mm，輸出推力 9000N，使用溫度-10- 60℃，4-20mA 輸入，220VAC供電。 3．2 循環(huán)水泵 原低溫水（二次水）循環(huán)泵功率110KW , 666m3/h流量，38m揚程。運行時電流不足50%額定值，富裕壓頭高，電機運行效率低，能源消耗高，應更換流量和揚程較低的水泵。此次改造更換為輸入功率45kw，300m3/h流量，32m揚程水泵。配備進口丹佛斯VLT8000系列變頻器，通過自控系統調節(jié)實現按需供熱節(jié)能的效果。循環(huán)水泵是上海凱泉產品,其型號：KQL200/315-45/4Z 流量300m3/h，揚程32m，汽蝕余量4m，轉速1480rpm，電動機功率45kw，效率74%。 高溫水（一次水）循環(huán)泵需向1#、2#航站樓輸送熱量，需要較高流量，保留原水泵，并對其中的二臺改造使用進口丹佛斯VLT8000系列變頻器, 通過自控系統調節(jié)實現按外溫變化調節(jié)流量，實現節(jié)能。 3．3 儀表盤 將原儀表盤轉作控制系統的手動備份，既滿足1#供熱站的對可靠性的要求又節(jié)約投資。 [b]4．控制策略 [/b] 1#站采用質-量并調的控制策略，當外溫變化引起熱量需求變化時，有效地實現“按需”供熱。由于熱網的熱量計量自動抄表系統尚未建成，還不能直接做到“按需”供熱時，本系統采用供回水溫度控制的方法間接實現“質-量并調”獲得“按需”供熱的效果，簡要敘述如下： 通過理論分析，不難發(fā)現，只有二次網的供回水平均溫度才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數，而與二次網的循環(huán)流量的大小沒有關系，也就是說不管二次網循環(huán)流量的大小如何，只要二次網的供回水平均溫度一定，二次網的供熱量也就一定了[1]。 由于1#供熱站高溫水（一次水）用戶不僅要求保證供熱量，還要保證的較高的供水溫度，因此，確定控制策略時要兼顧兩者，不能使用單一的供回水平均溫度參數進行控制。設計將供溫和回溫2個參數分別地進行調節(jié)，使供、回水溫度達到設定值，滿足供回水平均溫度一定的要求。 使用2個溫度控制回路達到上述要求： （1） 供溫控制回路：使用獨立的供溫控制曲線，通過調節(jié)進入換熱器的蒸汽流量改變出水溫度達到跟蹤外溫變化的目的，同時可保證用戶要求的供溫范圍。分析：蒸汽換熱系統的熱慣性遠小于回水的熱水慣性。當外溫變化時，供溫能迅速地調節(jié)到溫度曲線的給定值。例：外溫升高后，1）按照溫度曲線給出的設定值變低；控制回路則主動關小蒸汽調節(jié)閥；2）用戶耗熱量減少，流量沒有顯著變化時，回水溫度上升，會使供熱站汽-水換熱器的出水溫度上升，控制回路則自動關小蒸汽調節(jié)閥；兩方面控制作用的結果是減少進入換熱器的蒸汽量，使供溫很快達到要求值，減少蒸汽能源的消耗，實現了節(jié)能。 （2） 回溫控制回路：使用獨立的回溫控制曲線，通過變頻調節(jié)循環(huán)水泵的流量跟蹤外溫變化，保證供熱量的目的。分析：外溫變化時，供溫回路迅速跟蹤設定值，但流量調節(jié)慢于回水溫度的變化，用戶的耗熱量的變化主要的體現在回溫的變化，控制回路相應地調整變頻器的頻率改變循環(huán)水泵輸出流量，達到改變供熱量的目的。例：外溫上升，1）回溫控制回路主動減低變頻器輸出頻率；2）引起回水溫度上升，回溫控制回路同樣自動的減低變頻器輸出頻率；兩方面控制作用的結果是使循環(huán)水泵的流量減少，從而減少供熱量，使回水溫度下降，跟蹤上外溫的變化。由于減少流量，降低循環(huán)水泵的電能消耗，從而實現了節(jié)能。 具體的控制回路設計如下： 4．1換熱器出口溫度（供溫）控制 對6#、9#、10#、12#換熱器的出口溫度進行獨立控制。 （1）主要功能：通過控制換熱器一次蒸汽管網入口蒸汽調節(jié)閥實現換熱器二次側熱水出口溫度的自動控制。 （2）過程變量：換熱器二次供水溫度 （3）自控設定值：通過內置的外溫-供溫公式，實時計算出供溫的設定值 （4）控制輸出：換熱器一次蒸汽調節(jié)閥調節(jié)信號 （5）運行參數： 根據換熱器的特性參數、限制條件、外溫變化的范圍和設置調節(jié)閥的上下限幅值，確定一組運行參數。包括： 1．“外溫-供水溫度曲線“的參數：0℃的溫度設定值：T0；溫度變化率K。 可依據外溫的變化范圍、換熱器的特性和熱用戶的特點，確定適宜的T0和K值。操作站提供2種計算方式，可依據經驗靈活運用。 2．換熱器溫度控制回路的溫度限制值： 每一個換熱器溫度控制回路設有溫度上限值和下限值，當室外溫度變化到超出曲線的設定范圍時，限制溫度控制器的輸出在合適的值上，保障凝結水溫度小于其汽化的溫度。該參數應與外溫曲線聯合使用。 4．2新閥和老閥的協調控制 改造后裝新蒸汽調節(jié)閥的換熱器作為主力供熱，原舊閥的換熱器用于輔助供熱。 例如，此次改造受到投資的限制，高溫水（一次水）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#換熱器的蒸汽調節(jié)閥沒有更新，調節(jié)范圍窄，不能實現自動控制。當供熱量較大時，要投入配有舊閥的換熱器，因此存在舊閥手動和新閥自動的混合運行情況。這時，合理的協調分配應是充分使用新閥的調節(jié)能力高和自動調節(jié)的性能，將其控制的換熱器作為主力供熱。舊閥控制的換熱器作為輔助供熱，人工控制其出口溫度應低于自動調節(jié)的換熱器出口溫度；當他的溫度高于自動調節(jié)的換熱器出口溫度3-4度時，應及時減小閥門開度，降低溫度，減少出力。 4．3高溫（一次）和低溫（二次）回水溫度控制 （1）主要功能：按“外溫-回水溫度“曲線的設定值為主調參數，供回水壓差為配合調節(jié)參數，調節(jié)變頻器輸出頻率，改變循環(huán)泵的流量，同時保證管網中最不利的分支的最小流量。 （2）過程變量：二次回水溫度 （3）自控設定值：通過內置的外溫-供溫公式，實時計算出回溫的設定值 （4）控制輸出：循環(huán)水泵變頻器頻率調節(jié)信號 （5）運行參數 1．“外溫-回水溫度曲線“的參數：0℃的溫度設定值：T0；溫度變化率K。 可依據外溫的變化范圍和熱用戶的特性，確定適宜的T0和K值。操作站提供2種計算方式，可依據經驗靈活運用。 2．變頻器控制回路的頻率下限和上限參數： 使用變頻器控制回路的頻率下限參數，可保證最小的循環(huán)流量，滿足保證管網的水利平衡的要求。 4．4夜間節(jié)能模式 1#站的熱用戶屬于工作區(qū)，深夜到凌晨的熱量需求較少，使用夜間節(jié)能模式可以有效的節(jié)省蒸汽消耗和循環(huán)水泵的電能消耗。 （1）系統提供2種方式： 方式1：在夜間節(jié)能的時間段內，供、回水的溫度設定值保持在進入夜間節(jié)能模式運行開始時刻的設定值不變，直到結束。該設定值不隨外溫下降而變化，從而具有節(jié)能的功能。 方式 2：在夜間節(jié)能的時間段內，將供、回水的溫度曲線值減去夜間節(jié)能量作為設定值，在夜間節(jié)能時間段內，實現較低的供回水溫度，直到結束。因此，實現節(jié)能。 （2）夜間模式的時間段 高溫水（一次水）：23：00 到 次日5：00； 低溫水（二次水）：22：00 到 次日5：00。 從換熱器溫度控制趨勢圖和節(jié)能測試的控制趨勢圖可以看到夜間節(jié)能模式的執(zhí)行情況，節(jié)能效果明顯。 [b]5．結束語 [/b] 控制系統投入運行后，換熱器出口溫度能夠跟蹤上設定值的變化，與外溫的變化同步。在調節(jié)閥控制范圍內，控制穩(wěn)定時的控制精度小于1℃。高、低溫的回水溫度能夠跟蹤上設定值的變化，與外溫的變化同步。當外溫較高時，受最小回水流量的限制，回水溫度的控制精度較差。在流量控制的范圍內，控制精度2-1℃。 為了檢驗節(jié)能技術的節(jié)能效果，進行了為期各3天的手動操作和自動控制的對比節(jié)能效果測試，結果如下： 自動運行時的蒸汽節(jié)能效果：18.82%； 自動運行時循環(huán)水泵電能節(jié)能效果：34.7 %。 2項指標均超過預期要求的蒸汽節(jié)省15%和電能減少20%的指標。 本系統采用的供回水溫度法間接實現按需供熱的供熱站運行調控和節(jié)能技術具有較好的實用性和經濟效果。 [b]參考文獻： [/b] [1] 石兆玉. 供熱系統運行調節(jié)與控制 編輯：何世平