換熱站控制系統的開發與實現

Abstract This paper discusses the heat exchanger control system, and develops a PLC based automatic control system with PID control method. The system accomplishes the realtime data acquisition and equipment control of the primary network, the secondary network and the water supply system. This system has been realized with a stable and good performance.

Key Words Central Heating Supply System; Control system of heat exchanger; PLC

1 引言

集中供熱系統是城市的基礎設施之一，也是城市現代化水平的標誌之一。發展集中供熱對節約能源、改善環境質量、提高人民生活水平都具有重要的意義。因其具有良好的社會效益、環境效益和經濟效益，故而在城市發展和完善集中供熱中是非常必要和迫切的。

城市集中供熱信息管理調度及自動化控制系統對於保證供熱系統優質供熱、安全運行、經濟節能、環境保護具有十分重要的作用。通過建設城市集中供熱信息管理調度及自動化控制系統，可收集到全市供熱工程的全部主要信息，集中監視、綜合分析、協調調度、提高效率，使供熱行業管理從粗放型向集約型轉變，促使供熱行業控制水平整體提高。

降低熱能損失是供熱行業節能最主要方向，本文的目的在於提供供熱控制方案，通過自動控制使熱損失降到最低。通過提供工藝控制功能庫，保證滿足負載的同時使這些設備在相應工藝條件下，發揮最大的效率，最大程度地降低能源的損耗。

2 換熱站的工作原理

集中供熱又稱區域供熱，以熱水和蒸汽為載能體，通過管網為一個區域的所有熱用戶供熱。通常是由一個和多個供熱設備集中供熱，例如供熱鍋爐、熱電聯產裝置、溫泉地熱、低溫供熱核反應堆的熱源及工業餘熱等。集中供熱系統是由熱源、熱用戶和熱網三部分組成。熱源負責製備熱媒，熱力網負責熱媒的輸送，熱用戶是指用熱場所。集中供熱系統的熱用戶有供暖、通風、熱水供應、空氣調節及生產工藝等用熱系統。

各熱用戶用熱系統的熱負荷，按其性質可分為兩大類:季節性熱負荷和常年性熱負荷。熱水供熱系統按系統的密閉性可分為開式和閉式兩種型式。在閉式系統中，熱網的循環水僅作熱媒，供給熱用戶熱量，而不從中取出使用。在開式系統中，熱網循環水部分或全部從熱網中取出，直接用於生產或熱水供應。

由於供熱系統中熱用戶的熱負荷並不是恆定的，如供暖通風熱負荷隨室外氣象條件變化，熱水供應和生產工藝用熱隨使用條件等因素變化。要保證供熱質量，滿足各熱用戶要求，並使熱能的製備和輸送合理，就要對供熱系統進行運行調節一一也就是供熱調節。

在城市集中熱水供熱系統中，供暖熱負荷是系統最主要的熱負荷，甚至是唯一的熱負荷。因此，在供熱系統中，通常按照供暖熱負荷隨室外溫度的變化規律，作為供熱調節的依據。供熱調節的目的，在於使供暖用戶的散熱設備的放熱量與用戶熱負荷的變化規律相適應，以防止供暖熱用戶出現溫度過高或過低。

根據供熱調節地點不同，供熱調節可分為集中調節、局部調節和個體調節三種調節方式。集中調節在熱源處或供熱網處進行。局部調節在換熱站或熱用戶引入口進行，個體調節直接在散熱設備處進行調節。集中供熱調節容易實施，運行管理方便，是最主要的供熱調節方法。

集中供熱系統的換熱站是供熱網路與熱用戶的連接場所，在其內安裝有與用戶連接的有關設備、管道、閥門、儀錶和控制裝置。它的作用是根據熱網工況和不同的條件，採用不同的連接方式，將熱網輸送的熱媒加以調節、轉換，向熱用戶系統分配熱量以滿足用戶的需求;同時還應根據需要，進行集中計量、檢測供熱熱媒的參數和數量。根據規模和設置地點不同，換熱站又可分為首站、區域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站。熱力輸配網路控制的重點是換熱站的控制。

換熱站主要完成從供熱一次網到二次網的熱量交換，置換出的二次網的熱水溫度一般在40℃~65℃之間。換熱站監控系統可對熱網的溫度、壓力、流量、開關量等進行信號採集測量、控制、遠傳，實時監控一次網、二次網溫度、壓力、流量，循環泵、補水泵運行狀態，及水箱液位等各個參數信息，進而對供熱過程進行有效的監測和控制。在供熱期間可按室外溫度調節二次網供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現氣候補償節能控制；也可以進行分時分區節能控制，實現供熱全網熱量平衡及節約能源。

系統結構圖如圖1所示。

圖1 換熱站的工作原理

3 換熱站控制系統設計

現場PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監控畫面、採集參數的顯示，並接受一些參數設定的輸入信息。控制系統採用性價比較高的和利時LM系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統集成多種通訊介面，適用於各種通訊網路。

現場PLC控制站主要功能是對各換熱站、供熱沿線各節點、熱用戶運行參數（一、二次網溫度、壓力、流量等）、各種設備運行狀態進行實時監控及採集，並根據氣象環境和負荷的變化按預先設定的控制策略對換熱站循環泵、補水泵和調節閥進行自動調節，來實現換熱機組的完全自動控制。如果有通訊網路的支撐，現場監控站還可以將反映換供熱運行的數據傳送到調度中心，同時接收調度中心發來的調度控制指令。
LM的連接圖如圖3-1所示。

圖3-1 LM連接圖

4 換熱站控制系統的主要功能

•一次網電動調節閥控制

換熱站控制系統具有氣候補償和恆溫供水功能，即根據氣候的變化自動調節供熱量。應用可編程式控制制器（PLC），根據室外溫度的變化和當地熱負荷曲線，決定二級網側的供熱量，實測供熱量和設定值相比較后，進行PID閉環調節，控制器輸出信號至電動調節閥，調節電動調節閥的開度，從而改變一級網側的流量，實現二級網側供熱量調節。

• 二次網循環泵變頻控制

實現二次網供/回水壓力差值PID控制，從而保證最不利點正常供暖。壓差設定值可根據經驗參數或經驗曲線進行設定。

•補水泵變頻控制

自動補水是由二次網側回水管路上的壓力變送器檢測的壓力信號與控制器上回水壓力設定值比較后輸出一個控制信號，通過PID控制來調節補水泵的轉速，從而實現二次網回水自動補給。

•保護功能

失壓保護：二次網側回水壓力低於超低限設定值時，自動停止循環泵運行，並關閉電動調節閥，自動補水系統投入運行，開始補水。自動補水系統投入運行后二次網側回水壓力仍繼續降低即發聲光信號報警。

斷電保護：停電后自動關閉電動調節閥，切斷熱源，控制器及變頻器自動複位並使各種設定參數和運行狀態參數保持原斷電前設置。

超溫保護：二次網供水溫度超過80℃（操作面板可調設定值）時，一級網側電動調節閥關閉。一次網回水溫度超過70℃（操作面板可調設定值）時啟動高限制保護，以一級網回水溫度為目標控制電動調節閥門開度。一次網側供水溫度超過120℃時立即關閉一級網側電動調節閥並報警。

超壓保護：二次網供水壓力超過設定超高限值（操作面板可調設定值）循環泵停止運行並關閉一次網側電動調節閥。

監測水箱液位，具備報警保護功能。水箱液位為4～20mA信號輸入，停補水泵信號由控制器送出，停泵水位可以人為設定。

經過搭建這樣的換熱站自動控制系統，最終可以實現換熱站的無人值守，帶來以下功能效果：

•宏觀掌握供熱系統運行狀況、運行質量。

•保證供熱系統的運行參數。對熱網的水力工況和熱力工況進行全自動調節，解決各換熱站的耦合影響，消除熱網水平失調，平衡供熱效果。

•以節省總供熱量為目標，在滿足熱網用戶基本採暖要求的前提下盡量減少總供熱量，從而達到提高經濟效益的目的。

•更好地進行供熱系統設備的維護及管理。及時檢測報告供熱系統故障，做到防微杜漸，防患未然。

•為熱網如何經濟高效運行提供分析基礎和分析依據。通過記錄的熱網運行歷史數據，在一個採暖期結束后與前期數據進行比較分析，查出主要能耗來源，為今後的節能改造提供條件。

5 結論

該套自動化集中監控系統具有以下優點：①系統完成溫度、壓力的自動控制，連續穩定運行；②提供完整的人機交互介面，用戶可以通過現場觸摸屏完成對系統的監視和操作；③通過控制演算法完成供熱的時間與溫度曲線控值，達到節能目的。

PLC控制系統作控制站，實現了對換熱站或換熱機組的自動控制；實現了良好的人機對話，方便操作人員在觸摸屏上了解現場的各種實時數據並進行參數設置或手動控制，同時通過PLC控制系統實現自動故障保護功能；維護人員可以直接從觸摸屏上靈活組態和方便查找現場設備故障原因，達到了既顯示直觀又節省費用的目的。本設計經北京和利時自動化驅動技術有限公司在多個熱網項目中具體實施實現，已得到了非常好的實際應用效果。