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(tǒng)的運行調(diào)節(jié)與管理變得更加復雜，對集中供熱系統(tǒng)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(xiàn)供熱系統(tǒng)實時參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)測、跟蹤外溫的變化自動調(diào)節(jié)溫度和流量，改善供暖質(zhì)量和實現(xiàn)高效的節(jié)能，自動控制設備運行、故障報警與處理，實行數(shù)據(jù)量化管理，健全運行檔案，從而提高系統(tǒng)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(diào)節(jié)供水溫度，循環(huán)水泵均為工頻運行，使用數(shù)顯表監(jiān)視參數(shù)，調(diào)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(tǒng)和節(jié)能技術后，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程檢測、控制及生產(chǎn)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(tǒng)構(gòu)成、配置及功能
1#站集中監(jiān)控系統(tǒng)由控制室操作員站OS（operation station）、現(xiàn)場控制器CU（control unit）、站內(nèi)以太通訊網(wǎng)絡、通訊網(wǎng)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(diào)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(wǎng)關使用網(wǎng)絡通訊的方式與具有數(shù)據(jù)通訊功能的儀表和執(zhí)行機構(gòu)進行實時通訊，采集信號和下裝指令。
通訊網(wǎng)關和控制器之間使用點對點的通訊方式，交換數(shù)據(jù)信號。
通訊網(wǎng)關、控制器和操作站之間的數(shù)據(jù)通訊使用以太網(wǎng)，通訊協(xié)議采用符合國際和國家標準的Modbus TCP/IP。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)使用微軟公司W(wǎng)IN2000，應用控制軟件開發(fā)平臺采用悉雅特公司CIETECT SCADA ，數(shù)據(jù)庫使用微軟公司MS SQL 2000，數(shù)據(jù)發(fā)布服務程序使用微軟公司 MS ASP+SQL SERVER技術；通訊網(wǎng)絡使用100M/10M工業(yè)以太網(wǎng)，通訊協(xié)議使用符合國際和國家標準的Modbus TCP/IP 。
主要功能：
數(shù)據(jù)通訊：通過網(wǎng)絡自動采集運行的數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)展示：數(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)管理：歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢，報表生成和打印，數(shù)據(jù)分析；
數(shù)據(jù)發(fā)布：以WEB的方式發(fā)布數(shù)據(jù)；
計量數(shù)據(jù)抄表：自動周期采集計量儀表的數(shù)據(jù)、保存、制表；
安全管理：分級管理權(quán)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(jié)構(gòu)見圖2：
圖2 操作站軟件結(jié)構(gòu)圖
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(tǒng)使用微軟公司W(wǎng)IN2000，應用控制軟件開發(fā)平臺采用悉雅特公司CIETECT SCADA ，數(shù)據(jù)庫使用微軟公司MS SQL 2000，數(shù)據(jù)發(fā)布服務程序使用微軟公司 MS ASP+SQL SERVER技術；通訊網(wǎng)絡使用100M/10M工業(yè)以太網(wǎng)，通訊協(xié)議使用符合國際和國家標準的Modbus TCP/IP 。
主要功能：
數(shù)據(jù)通訊：通過網(wǎng)絡自動采集運行的數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)展示：數(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)管理：歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢，報表生成和打印，數(shù)據(jù)分析；
數(shù)據(jù)發(fā)布：以WEB的方式發(fā)布數(shù)據(jù)；
計量數(shù)據(jù)抄表：自動周期采集計量儀表的數(shù)據(jù)、保存、制表；
安全管理：分級管理權(quán)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(jié)構(gòu)見圖2：
圖2 操作站軟件結(jié)構(gòu)圖
2．2 現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(xié)議，可方便的組成各種復雜系統(tǒng)；現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控兼?zhèn)?，為系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥信號、變頻器信號、水泵電機電氣信號等參數(shù)，同時承擔高溫線和低溫線運行調(diào)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(diào)節(jié)閥的位置和控制信號、蒸汽調(diào)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(wǎng)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(xié)議。站內(nèi)3臺熱表，站外4臺熱表，熱表使用M-BUS協(xié)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)RJ45口，連接站內(nèi)以太網(wǎng)，與操作站通訊。
Eth2：10M以太網(wǎng)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(wǎng)絡連接熱表，輪巡采集各個熱表數(shù)據(jù)。同時提供M-BUS到MODBUS RTU的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換功能，M-BUS格式的熱表數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為MODBUS RTU協(xié)議，通過其RS485通訊口連接到RS485總線2。
以太網(wǎng)絡通訊：安裝在監(jiān)控中心的光纖以太網(wǎng)交換機，連接MOX 通訊網(wǎng)關、MOX 控制器、1#站操作站和管網(wǎng)操作站，構(gòu)成的站內(nèi)局域網(wǎng)用于數(shù)據(jù)通訊。
2．4 站以太網(wǎng)通訊
采用東土電信公司的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機KIEN2000型，入網(wǎng)的設備有：控制器、通訊網(wǎng)關、操作站、站管理計算機，同時還是整個供熱管網(wǎng)以太網(wǎng)的子網(wǎng)。
3．設備改造
換熱器蒸汽電動調(diào)節(jié)閥和變頻循環(huán)水泵是實現(xiàn)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(diào)節(jié)閥
在改造前，1#供熱站的蒸汽調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力和精度差，調(diào)節(jié)量僅有10%，閥門控制信號不能實現(xiàn)自動控制，因此需更換。
此次改造調(diào)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(chǎn)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(chǎn)品。
高溫水（一次水）蒸汽參數(shù)：，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(diào)節(jié)閥選型：ZDLN- 40KG-150中溫電動雙座調(diào)節(jié)閥，公稱壓差4MPa，行程60mm，Kv值400，介質(zhì)溫度 –40 - 450℃,等百分比特性。
低溫水（二次水）蒸汽參數(shù)：，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(diào)節(jié)閥選型：ZDLN- 40KG-125中溫電動雙座調(diào)節(jié)閥。公稱壓差4MPa，行程60mm，Kv值250。介質(zhì)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(tǒng)調(diào)節(jié)實現(xiàn)按需供熱節(jié)能的效果。循環(huán)水泵是上海凱泉產(chǎn)品,其型號：KQL200/315-45/4Z 流量300m3/h，揚程32m，汽蝕余量4m，轉(zhuǎn)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(tǒng)調(diào)節(jié)實現(xiàn)按外溫變化調(diào)節(jié)流量，實現(xiàn)節(jié)能。
3．3 儀表盤
將原儀表盤轉(zhuǎn)作控制系統(tǒng)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。
4．控制策略
1#站采用質(zhì)-量并調(diào)的控制策略，當外溫變化引起熱量需求變化時，有效地實現(xiàn)“按需”供熱。由于熱網(wǎng)的熱量計量自動抄表系統(tǒng)尚未建成，還不能直接做到“按需”供熱時，本系統(tǒng)采用供回水溫度控制的方法間接實現(xiàn)“質(zhì)-量并調(diào)”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(xiàn)，只有二次網(wǎng)的供回水平均溫度才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數(shù)，而與二次網(wǎng)的循環(huán)流量的大小沒有關系，也就是說不管二次網(wǎng)循環(huán)流量的大小如何，只要二次網(wǎng)的供回水平均溫度一定，二次網(wǎng)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(shù)進行控制。設計將供溫和回溫2個參數(shù)分別地進行調(diào)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：
?。?） 供溫控制回路：使用獨立的供溫控制曲線，通過調(diào)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(tǒng)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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)閥；兩方面控制作用的結(jié)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(xiàn)了節(jié)能。
?。?） 回溫控制回路：使用獨立的回溫控制曲線，通過變頻調(diào)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(diào)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(xiàn)在回溫的變化，控制回路相應地調(diào)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(jié)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(xiàn)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(wǎng)入口蒸汽調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)換熱器二次側(cè)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(nèi)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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號
（5）運行參數(shù)：
根據(jù)換熱器的特性參數(shù)、限制條件、外溫變化的范圍和設置調(diào)節(jié)閥的上下限幅值，確定一組運行參數(shù)。包括：
1．“外溫-供水溫度曲線“的參數(shù)：0℃的溫度設定值：T0；溫度變化率K。
可依據(jù)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(jù)經(jīng)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(jié)水溫度小于其汽化的溫度。該參數(shù)應與外溫曲線聯(lián)合使用。
4．2新閥和老閥的協(xié)調(diào)控制
改造后裝新蒸汽調(diào)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(diào)節(jié)閥沒有更新，調(diào)節(jié)范圍窄，不能實現(xiàn)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(xié)調(diào)分配應是充分使用新閥的調(diào)節(jié)能力高和自動調(diào)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(diào)節(jié)的換熱器出口溫度；當他的溫度高于自動調(diào)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(diào)參數(shù)，供回水壓差為配合調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，改變循環(huán)泵的流量，同時保證管網(wǎng)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(nèi)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(diào)節(jié)信號
（5）運行參數(shù)
1．“外溫-回水溫度曲線“的參數(shù)：0℃的溫度設定值：T0；溫度變化率K。
可依據(jù)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(jù)經(jīng)驗靈活運用。
2．變頻器控制回路的頻率下限和上限參數(shù)：
使用變頻器控制回路的頻率下限參數(shù)，可保證最小的循環(huán)流量，滿足保證管網(wǎng)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(tǒng)提供2種方式：
方式1：在夜間節(jié)能的時間段內(nèi)，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(jié)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(nèi)，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(nèi)，實現(xiàn)較低的供回水溫度，直到結(jié)束。因此，實現(xiàn)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。
5．結(jié)束語
控制系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥控制范圍內(nèi)，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(nèi)，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(jié)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(tǒng)采用的供回水溫度法間接實現(xiàn)按需供熱的供熱站運行調(diào)控和節(jié)能技術具有較好的實用性和經(jīng)濟效果。
參考文獻：
[1] 石兆玉. 供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制
（轉(zhuǎn)載）
