供热系统中自动化控制的完善与节能降耗的实现
摘 要：在供热系统中，自动化并不是锦上添花的装饰品，而是运行工况稳定性的需要，是各个环节协调匹配的需要，是变工况的需要；更是节能的需要，总之是安全经济管理所必须的组成部分。介绍了金泰供热中心在控制系统方面的不完善之处，并针对该中心的不足，在自动化控制的角度着重探讨该项目的综合控制技术发展空间，以便于在工程继续阶段能够完善。
关键词：供热；自动化控制；节能
中图分类号：TP文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）11-0363-03
0 前言
天津市河北区金泰供热中心建于2001年，是一所当年立项，当年设计，当年施工，当年竣工并投入运行的大型集中供热中心，该供热中心设计供热面积490万平方米，承载天津市供热总体规划中的最大一片集中供热区域。该项目的建设取代了小锅炉房12个，为规划新建的200万平方米的居住区和现有的300万平方米住宅区供暖，采用了较为先进锅炉集散控制系统和变频调速，拥有先进的技术设备和巨大的扩展功能。
1 完善供热中心DCS控制系统
1.1 中心控制系统介绍
金泰供热中心根据目前锅炉配置情况，中心DCS控制采用2个操作员站、1个工程师站，锅炉房公共部分及每台锅炉均设置了少量重要检测点的后备仪表（公共部分的循环泵入口压力、出口压力、室外温度、总管出水温度、总管回水温度、总管出口流量、各台炉出口温度、出口水压、出口流量、炉膛温度、炉膛负压、声光报警）和手操器（包括鼓、引风手操、炉排手操、分层手操、循环泵手操），以保证投运行试车和设备检修期间，仍能够保证锅炉的基本运行。
计算机集散控制系统采取了多可靠性措施，操作员站采用性能稳定的工业PC机，且为冗余设计，在运行中任何一个操作员站或任何一条网络线出现故障，都不会影响锅炉的正常运行和操作。而DCS系统用于完成现场信号采集、回路调节、逻辑联锁、顺序控制等基本操作功能的现场控制。
1.2 中心DCS控制示意图
图1、图2具体描绘了集散控制的基本组成结构及金泰供热中心的现况:
图1 集散控制系统基本结构
1.3 采用DCS控制的优点
（1）人机界面好，便于操作管理
(2)系统高度的安全可靠；
(3)能达到最优化管理；
(4)远距离控制与管理；
(5)利用充分的数据信息，科学节能运行；
(6)系统构成方便灵活，不仅易于扩展，而且维修简单；
(7)能与计算机和常规模拟仪表兼容，继承它们的优点。
1.4 发展潜力及完善措施
1.4.1 全面完善中心DCS软硬件系统以发挥出最大效力
DCS系统以直观的人机界面著称，通过CRT图形动画显示，可以直观的了解锅炉及各设备的运行情况，便于正常启动、合理操作和故障的排除，具体做法如下：
(1)完善、接入锅炉的基本数据采集元件，如：炉膛压力（压力传感器）、温度（热电偶）、出入水温度（温度传感器或热电阻），烟氧含量、出水流量（超声波流量计）等，并且利用SUPCON JX-300X集散控制系统的组态软件开发出相应的监视画面，以达到实时监控功能。
图2 金泰供热集散控制示意
(2)增加远红外设备成像系统和室外温度记录装置，使新增设备与DCS共用平台对接，这样可以充分在设备运行期间24小时对所有电气设备进行监控记录，并且，通过室外温度记录装置，在DCS中记录全年室外温度T0，以便正确调节及总结规律。确保正常运行和人员合理配置。
(3)全面优化SUPCON JX-300X集散控制系统软件平台，利用其系统组态（SCKey组态软件）、图形化组态（SCControl工具）、报表制作（SCForm软件）、实时监控（AdvanTrol软件）等多功能综合开发人机界面， 增大DCS控制的直观性，以便于使操作更合理。并且实现运行记录报表化打印，避免人工虚假填写。
(4)在DCS控制系统中，完善目前运行的投自动功能。根据室外温度的变化和每天时段的不同，计算机自动改变锅炉出口水温的给定值，自动调整炉排转速、调整风煤比，调整引风机保持炉膛负压始终维持在给定值附近，使锅炉维持在最佳或次最佳的燃烧状态。然而此状况目前不太稳定，原因在于锅炉燃烧水温反馈之间根据室外温度的不同有一段不定的滞后时间，故造成风煤比处于动态调节，导致费煤，热效率不高，为解决此问题，必须采用模糊控制及人工智能，排除中间干扰环节，以达到平稳、有效的燃烧控制。
(5)完善控制与连锁功能。目前引风机、鼓风机及炉排、热水循环泵为集中控制室与机旁两地控制。锅炉除渣机、灰渣水泵、软水加压泵及换热循环泵为机旁就地控制。上煤系统为集中控制室与机旁两地控制。另外，在联锁方面采取先引风后鼓风，再炉排的顺序开机联锁，停机则反之。循环泵至少一台启动后，锅炉才能投入运行；当所有循环泵停机时，锅炉停炉。当运行锅炉出口压力极低或锅炉水温极高时，自动停炉联锁。循环泵及炉排事故停机时，声光报警。引风机、鼓风机、炉排采用变频调速，由计算机自动调节。此类控制并无疑义，只是在集中显示方面尚未体现，维修人员巡视量大，所以采用中央调度集中监控设备起停及正常运转是必要的，这就需要在控制室DCS系统中完善上位机系统，从而节约人力。
1.4.2 完善人工智能控制
锅炉供热控制系统比较复杂，影响因素比较多，各因素之间相互影响、相互制约。而且锅炉系统热容性大、惰性强、安全性能要求高。因而就目前而言锅炉控制完全依赖于自动化控制难度非常大，也是不现实的。为此要求我们采取在自控的基础上增加人工智能部分。在自动控制状态下，利用人的智能解决自控系统不能很好判断的和处理的问题。用人工的知识经验与自控系统相互配合共同搞好锅炉控制。例如：煤在锅炉中的燃烧在本自控系统中占有非常重要的地位。但不同的煤种、不同发热量的煤、不同挥发分含量的煤、不同颗粒大小的煤可直接导致不同的锅炉燃烧状况。但煤样经过人工分析后，操作人员就可以在自动控制燃烧的状况下，通过微机人工适当地调整炉排和鼓引风转数，而且还可以随着锅炉内的负压值和含氧量的不断变化，必要时修正鼓引风机转数。
1.4.3 完善DCS控制系统上位数据处理，发挥控制室的中央控制功能
中央控制室是一个集中控制的地方，在此处，可以实现控制系统的集中管理，为此在目前现状的基础上必须完善上位控制管理系统，以便实现控制的更加直观有效。从而扩大控制承载功能，为实现从锅炉本体燃烧控制到无人职守热力站换热的整体控制作扩展。整体控制上位系统方案如图3所示：
1.4.4 完善DCS控制系统对各换热站的分布式控制
各热力站分散控制、中控室集中监控、总体协调。即各热力站根据本小区供热的负荷变化和室外温度变化，独立的进行本站一次网供水电动调节阀门（近端）或增压泵（远端）的调节控制，在本站进行监控的同时，将本站的一次网供给水、压力、温度、热量，二次网供回水温度、压力以及室外温度等参数送往中央控制室；中央控制室根据各热力站送来的工况信息和环境信息，对全网的水力平衡和热力平衡状况进行分析，根据负荷要求以具体的方式向热源发出热源质、量调节的申请，同时对各热力站发出协调命令，以维持大网的水力平衡。
对热力站控制对象进行分析，目前各换热站的控制主要是一次网侧供水流量的调节控制，其次是二次网侧的循环泵转速控制和起停控制。
目前金泰供热中心下属26个热力站，将来根据设计承载能力，还有更多的热力站并入该中心。
完善目前中心对下属站的分布式控制结构；
金泰热中心目前采用的是西门子监控系统软件，但只做了部分试点工程，根据试点分站，我们对中心控制系统进行了设想完善，其结构图4：
图4 系统总图
整个系统结构采用两台冗余的服务器，两个操作员站，一个管理工作站，一个工程师站及网络设备、UPS、大屏幕投影仪等。系统运行后，两台服务器一主一备同时运行，实时连接所有的RTU站，并时时存储所有数据，操作员站上可以看到所有RTU站的数据，并能够进行远程操控，通过工程师站可以对RTU程序进行远程下载、调试、修改。自带的OPC通讯协议与第三方监控系统提供了方便的数据交换功能，先进的远程通讯，可以通过调制解调器和通讯网络方便的进行系统远端访问。详细介绍见软件说明。
DesigoInsight的系统结构是以模块化计算机网络为基础，并使用工业级标准的操作系统、通讯网络和协议。
该系统的网络全面支持系统的数据交集、控制及图形用户面等系统功能。应用标准的软件和硬件，该网络能够支持多种广域网，可以将所有的节点连接成为一个整体的系统。网络协议为TCP/IP，通过系统应用程序可直接生成界面。同时该系统支持用全功能的图形操作界面通过标准的拨号方式进行远程组态和操作。
增设仿真模拟系统；
为了进一步搞好大网的全网质量双调，我们在本项目中引入了RISE仿真系统，在物理上热网仿真系统处于中央控制室计算机网络的上位机工作站中，处于我们系统控制方案的最上层，它可以不仅提供热网控制的仿真指导、故障诊断，也可以通过中控SCADA的控制系统，直接参与热网的质量双调、全网控制。
仿真系统的功能作用如下：
根据热网的设计参数而建立的原始热网模型，在安装、调试时，计算负荷及相应的二次网侧流量、一次网流量、阀门开度，以减少调试的时间。
提供热网的水压趋势图，向操作员提供在室外温度变化、负荷变化时，进行各种质、量调节后热网的水压趋势，以使操作员提前了解调节方案的结果。避免热网水力、热力失衡、系统振荡。
在热网负荷变化时，向操作员提供操作控制指导，以供操作员选择。
通过中控监控系统的控制程序直接参与控制，提供优化的控制方案。
根据热网的物理模型，对现有工况进行分析，以诊断非正常的工况、故障等，如堵、漏、热力站水力失衡等。
离线对操作员进行热网运行操作培训，在不干扰热网运行的前提下，高效率对操作员进行仿真培训。
2 完善中心及各分站的变频控制
2.1 采用变频控制节能分析
风机，是传送气体装置。水泵，是传送水或其它液体的装置。就结构和工作原理而言，两者基本相同。现先以风机为例加以说明。
2.1.1 对风机进行控制，属于减少空气动力的节电方法
它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。由图5可以说明其节电原理：
图中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压一风量（H―Q）特性，曲线（2）为管网风阻特性（风门全开）。假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比，在图中可用面积AH2OQ1表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3），系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与与面积BH1OQ2成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2风量（Q-H）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ2表示。节省的功率△N=（H1-H3）×Q2，用面积BH1H3C表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。
由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率N与转速的三次方成正比。采用变频器进行调速，当风量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果风量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。
2.1.2 水泵的节能原理
许多补水泵都维持恒压的情况下改变给水量（流量Q）从图6可知：当流量Q1降至Q2若不改变水泵转速,扬程将升至B工作点，其功率可用H2*Q2来计算，对应面积BH20Q2。原A工作点功率Q1*HT图上面积AHTOQ1，两者所耗功率变化不大，如果我们降低转速至（2）即可节能Q2*H2－Q2*HT=Q2（H2－HT），图DBH2HT的面积即是节能值。再如流量变至Q3若仍以额定转速运行，所需功率Q3*H1，浪费能量为FCH1HT。
图6
与风机节能原理相同水泵电机输出功率正比于转速三次方关系，用变频器进行调速，流量下降，可保持恒压HT。若转速下降至额定转速的80%，轴功率下降至额定功率的51.2%,流量下降至Q3,若使扬程恒定,可使转速下降到额定转速的70%,此时，轴功率是额定值的34.3%,节能达65.7%,经济效益十分明显。
2.2 变频器节能数据示例
下面举例说变频器应用在锅炉采暖系统上的节能效果。80T热水锅炉所用电机容量如下：
引风机：380KW 鼓风机：90KW 循环泵：315KW
炉排：1.5KW 给水泵：15KW(一用一备)
本变频控制柜可保证在供热锅炉正常工作的基础上,同时达到节电、节煤以及环保的目的。
电机总容量=380+90+315+1.5+15=801.5KW
本锅炉视为供热水的条件下每天工作24小时、每月30天，本变频控制柜在起炉高额区和恒温运行区的综合节电率约在35%左右，由此：
（1）每月节电总量=801.5KW×35%×24×30=201974.4度，按每度电以0.6元计算，则：80T炉的节电资金：0.6×201974.4度?=121184.64元/每月。
（2）每月用煤量约为2400吨，按5%节能率计算：每月节煤量：2400T×5%=120吨，现按每吨煤400元计算，每月节煤资金：400元×120吨=48000元，每月节电节煤总额：121184.64?+48000=169184.64元。
2.3 采用变频控制优点
（1）采用变频调速，消除了大电动机启动时对电网电压的波动影响。
（2）采用变频调速，消除了大电动机大电流启动时的冲击力矩对电机损坏。
（3）采用变频调速，延长了电机、管网和阀门的使用寿命，减轻了维修人员的工作量，降低了维修费用。
（4）提高了系统自动装置的稳定性，为系统的经济优化运行提供了可靠保证；系统的运行参数得到改善，提高系统效率。
综上所述，供热中心及各分站采用和恢复变频控制是必要的，同时要求操作人员熟练掌握工作原理，以便正确操作合理维护设备。
3 增加供热系统管理信息化网络平台
3.1 按需构建VPN网络
VPN有三种解决方案，分别是：远程访问虚拟网（AccessVPN）、企业内部虚拟网（IntranetVPN）和企业扩展虚拟网（ExtranetVPN）。针对金泰中心要进行企业内部各分支机构的互联，认为使用IntranetVPN是很好的方式。
VPN(Virtual Private Network)通称为虚拟专用网。虚拟专用网指的是依靠ISP（Internet服务提供商）和其它NSP（网络服务提供商），在公用网络中建立专用的数据通信网络的技术。VPN兼备了公众网和专用网的许多特点，将公众网可靠的性能、丰富的功能与专用网的灵活、高效结合在一起，是介于公众网与专用网之间的一种网。
3.2 VPN网络的整体方案
3.2.1 网络设计结构
供热总公司与各中心及其下属分片区采用星型结构通过光纤介质接入网通公司的IP城域网,组成VPN专用网实现互访。出于对数据传输安全性的考虑，利用专用的路由器且要求网通公司利用IP城域网的交换设备划分虚拟局域网（VLAN），使公司各点组成一个独立的VLAN，成为真正意义上的VPN。各中心通过交换机组成以太网，通过路由器和总公司连接构成VPN网络平台。
3.2.2 网络拓扑结构网
根据应用软件的使用要求，整个系统设立三台服务器。一台Web服务器，一台物流管理系统专用服务器，一台收费管理系统专用服务器。总公司内部工作站通过四台万兆WS－4024交换机连接，为避免局域网内部业务科室的工作站通过互联网感染病毒，把需要连接互联网的工作站划分一个VLAN都统一接到TP－Link SF3124P交换机上，考虑到在局域网内部不同VLAN之间的通信量比较大，如果每一个数据包的传输都通过路由器，则随着网络上信息量的不断增大路由器将不堪重负，并会成为整个网络的瓶颈。所以把TP－Link SF3124P交换机接到具有三层交换技术的Cisco 3550交换机再和Cisco 3700路由器相连，从而减轻路由器的工作压力。总公司路由器通过Cisco PIX 515E防火墙和主干光纤连接，以防止病毒的侵入。各分公司的局域网由Cisco2600路由器和主干光纤连接，这样构成了热力公司的VPN网络平台。
4 结语
通过上文几点论述表明，自动化程度的完善就等于生产力的提高，虽然先期建设阶段增大了投资费用，然而在长期正常的运转中实现了节水、节电、节约检修费用、更节约人力的显著特点，其取得的收益远远大于先期的投入。
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