全廠換熱站現(xiàn)場無人值守設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

張友兵，張海蓉，胡東力

（中國石油工程建設(shè)公司新疆設(shè)計(jì)分公司，烏魯木齊 830019）

0 引言

換熱站穩(wěn)定運(yùn)行與均衡供熱的關(guān)鍵在于熱網(wǎng)平衡，熱網(wǎng)平衡的基本條件在于水壓力工況平衡。一些換熱網(wǎng)中存在工作壓力不足，換熱站不能獲得需要的壓差，導(dǎo)致用戶普遍不熱；或者前端用戶壓差高，流量超過設(shè)計(jì)值，末端壓差不足，流量低于設(shè)計(jì)值造成近端用戶過熱；以及熱網(wǎng)失水嚴(yán)重，超過了系統(tǒng)補(bǔ)水裝置的補(bǔ)水能力，系統(tǒng)因?yàn)椴荒芗皶r(shí)補(bǔ)水而壓力降低等；其原因在于熱網(wǎng)失去平衡。熱網(wǎng)失去平衡比較容易出現(xiàn)隨溫度變化，熱網(wǎng)負(fù)荷隨之改變（可通過設(shè)置溫度曲線的方法來避免）。

一般工況穩(wěn)定的情況下，二次換熱站與一次換熱站溫度變化曲線的設(shè)定是關(guān)鍵。出現(xiàn)局部停站或升負(fù)荷時(shí)，可采用計(jì)算一次與各二次換熱站的熱量參數(shù)，減去一次網(wǎng)的管道損耗經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算出總熱量的平衡情況后，通過預(yù)調(diào)整蒸汽的設(shè)定值控制好一次換熱站的負(fù)荷，從而起到協(xié)調(diào)整個(gè)熱網(wǎng)平衡的作用。由此可見合理的設(shè)備選型和管線鋪設(shè)對(duì)換熱站的設(shè)計(jì)固然重要，采用必要的溫度和壓力控制手段也不可忽視。

1 擬建項(xiàng)目的背景

目前烏石化動(dòng)力廠下轄有14個(gè)換熱站，其中9號(hào)換熱站位于煉油廠內(nèi)，采用自備電廠來的低壓蒸汽供熱，產(chǎn)生高溫水，為生活區(qū)1、3、6、8、11、12號(hào)低溫?fù)Q熱站提供熱源；1、2、3、4、5、6、7、8、12號(hào)低溫?fù)Q熱站均位于生活區(qū)，為生活區(qū)提供熱水和冬季供暖；10號(hào)換熱站位于化肥廠內(nèi)，利用蒸汽換熱為化肥廠供暖；11號(hào)換熱站位于檢修公司院內(nèi)，為檢修公司供暖；13號(hào)換熱站位于老指揮部，利用煉油廠來低壓蒸汽換熱，為六建住宅供暖；14號(hào)換熱站包括汽水和熱水兩部分，位于烏石化公司辦公樓后東側(cè)。

這些換熱站多建于上世紀(jì)八九十年代，至今二次儀表一直沒有更新，大部分為陳舊的電動(dòng)Ⅲ型表或盤裝顯示儀表，新建的換熱站開始陸續(xù)采用PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，但控制系統(tǒng)仍是封閉型的系統(tǒng)（不具備通訊功能，自成一體）。這些換熱站根據(jù)建設(shè)時(shí)間的不同，所采用的系統(tǒng)和設(shè)備也不盡相同，大多數(shù)換熱站控制系統(tǒng)均沒有自動(dòng)化控制（現(xiàn)場操作工憑經(jīng)驗(yàn)只能粗調(diào)，控制精度低），所有換熱站設(shè)備數(shù)據(jù)無法上傳集中管理。各種運(yùn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)還需要大量的手工報(bào)表反應(yīng)生產(chǎn)狀況，消耗大量人力和財(cái)力，這種方式不僅管理置后，也不能及時(shí)的了解現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況，不利于設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行管理。加上各換熱站自成一體分散在全生活區(qū)和各廠區(qū)內(nèi)，面積大，范圍廣，造成管理困難，以及熱量、人力、物力資源的極大浪費(fèi)，節(jié)能降耗無從談起，更談不上提高安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)管理的水平。為了實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理、提高控制精度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源，全廠各換熱站的PLC改造后必須實(shí)現(xiàn)無人值守、自動(dòng)運(yùn)行的模式。

2 設(shè)計(jì)思路的確定

根據(jù)部分換熱站現(xiàn)場儀表和室內(nèi)顯示儀表陳舊、控制系統(tǒng)自成一體，區(qū)域位置分散，造成人力物力的大量浪費(fèi)，不利于節(jié)能降耗，不利于集中管理的特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)根據(jù)各換熱站不同的儀表配置特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)低溫系統(tǒng)自動(dòng)定壓、自動(dòng)補(bǔ)水、自動(dòng)泄壓、高低供水溫度自動(dòng)控制等，達(dá)到現(xiàn)場無人值守的自動(dòng)化控制水平。同時(shí)升級(jí)通訊功能，將換熱站各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過冗余的通訊方式，上傳至集中控制室內(nèi)SCADA（SCADA提供一個(gè)完全開放的平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、維護(hù)方便、性價(jià)比及可靠性高）[1]，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中遠(yuǎn)程顯示、報(bào)警及控制，達(dá)到管控一體化的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)管理效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)能降耗的目的。

3 無人值守設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)的目標(biāo)

新疆地區(qū)冬季氣候寒冷，供熱系統(tǒng)效率高低將影響職工冬季生活環(huán)境。目前動(dòng)力廠一級(jí)換熱站入口采用自備熱電廠的蒸汽尾氣，經(jīng)換熱后獲得高溫水，高溫水作為二級(jí)換熱站入口熱源，再次換熱后向用戶提供適宜溫度的熱水和采暖水的供熱方式。其控制上存在缺少智能控制、集中協(xié)調(diào)控制的缺陷，以至于造成能源浪費(fèi)，設(shè)備管網(wǎng)無法高效運(yùn)行，也不能保證職工在采暖期間達(dá)到高效的供熱環(huán)境。為了達(dá)到節(jié)能降耗、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少維護(hù)成本、提高管理水平的目的，將現(xiàn)有換熱站分為現(xiàn)場儀表、通訊設(shè)施、控制系統(tǒng)幾大類進(jìn)行改造，達(dá)到現(xiàn)場無人值守的自動(dòng)化水平。

3.1.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)業(yè)主控制一次性投資成本要求，控制系統(tǒng)無需全部更換，系統(tǒng)的改造根據(jù)實(shí)際情況分為升級(jí)（現(xiàn)有的封閉控制系統(tǒng)僅改造與通訊相關(guān)軟硬件）和更新（更換原室內(nèi)為陳舊的盤裝二次顯示儀表）兩部分。其中控制系統(tǒng)升級(jí)部分（1#、7#地暖、8#、11#、13#、熱水站，共6個(gè)站）：現(xiàn)有封閉型、自成一體的PLC系統(tǒng)，不具備通訊功能，通過本次升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的通訊功能，并負(fù)責(zé)完成原有PLC的組態(tài)工作，達(dá)到集中化管理的要求?？刂葡到y(tǒng)更新部分（2#～6#、7#散熱器、10#、12#，共8個(gè)站）：取消現(xiàn)有室內(nèi)盤裝顯示儀表，統(tǒng)一更換為具有通訊功能的PLC系統(tǒng)。通過控制系統(tǒng)不同程度的改造，實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）控制室內(nèi)SCADA系統(tǒng)從現(xiàn)場控制站連續(xù)采集所需數(shù)據(jù)，并向現(xiàn)場控制站發(fā)送控制和參數(shù)設(shè)置指令。

2）控制系統(tǒng)具有“手動(dòng)控制+遠(yuǎn)程控制+自動(dòng)控制”的功能。系統(tǒng)既能獨(dú)立自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守的自動(dòng)控制，也能接受遠(yuǎn)程控制指令和現(xiàn)場手動(dòng)控制指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。手動(dòng)控制指令優(yōu)先級(jí)別高于遠(yuǎn)程控制指令，遠(yuǎn)程控制指令級(jí)別高于自動(dòng)控制指令。

3）控制室操作站人員只需通過鼠標(biāo)和鍵盤，即可完成對(duì)泵的開或停，其開停過程無需人工干預(yù)，即使出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也能自動(dòng)處理。

4）圖表曲線功能。系統(tǒng)針對(duì)某一點(diǎn)或整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)做出日、月及年的壓力和溫度趨勢曲線，操作人員可直觀了解各換熱站溫度壓力變化情況。

5）各控制站設(shè)置手/自動(dòng)狀態(tài)切換功能，并具備通過現(xiàn)場觸摸屏人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)操作方便快捷，易學(xué)易懂的特點(diǎn)。

6）當(dāng)某一臺(tái)換熱站內(nèi)PLC出現(xiàn)故障，不影響其它控制站的正常運(yùn)行。

3.1.2 現(xiàn)場儀表改造

根據(jù)各換熱站不同的現(xiàn)場儀表配置特點(diǎn)，增設(shè)不同的儀表、閥門及必要的控制手段，既要提高自動(dòng)化程度，又要盡量控制一次性投資成本為原則，進(jìn)行如下改造：

1）現(xiàn)場增加Pt100熱電阻、壓變送器、流量、液位、補(bǔ)水閥、泄壓閥、溫度控制閥、電磁閥、視頻攝像機(jī)等儀表及閥門，并結(jié)合成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)為換熱站實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、視頻監(jiān)控、集中管理、現(xiàn)場無人值守、自動(dòng)運(yùn)行的功能。

2）加裝變頻控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，以及根據(jù)天氣變化、供回水溫度及壓力的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速。

3）在二次管網(wǎng)上設(shè)置泄壓閥，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開啟泄壓閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄壓。

4）在換熱器的高溫水入口管線增設(shè)溫控閥，根據(jù)換熱后低溫水溫度自動(dòng)控制高溫水調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)溫度控。

5）增設(shè)換熱站失電高溫水電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉功能。

6）換熱站配備兩臺(tái)互備補(bǔ)水泵，正常時(shí)只需一臺(tái)補(bǔ)水泵變頻運(yùn)行即可滿足系統(tǒng)補(bǔ)水需要，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常（失水嚴(yán)重）時(shí)，實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)補(bǔ)水泵能自動(dòng)投入變頻運(yùn)行，直至工頻轉(zhuǎn)速。將循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的電壓、電流以及狀態(tài)信號(hào)送至各換熱站控制系統(tǒng)。

7）與換熱站補(bǔ)水系統(tǒng)連接的用戶軟化水箱內(nèi)水位低于設(shè)定值的最低液位時(shí)，打開水箱進(jìn)水電磁閥，同時(shí)換熱站自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)停止運(yùn)行，以防補(bǔ)水泵因缺水運(yùn)行造成損壞。

8）各換熱站內(nèi)設(shè)置視頻攝像機(jī)，集中控制室內(nèi)操作人員可以通過視頻監(jiān)視器了解現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況和人員巡檢情況。

3.1.3 系統(tǒng)之間通訊的改造

原有自閉系統(tǒng)S7-200增加RS-485通訊模塊、RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)卡、3108交換機(jī)及組態(tài)軟件，并重新改寫IP；碩人PLC本身具有RS-485通訊功能，本次僅增加4口串口服務(wù)器以及3108交換機(jī)，并重寫IP；更新部分統(tǒng)一更換為具有RS-485通訊功能，同時(shí)增加4口串口服務(wù)器、3108交換機(jī)以及組態(tài)軟件。數(shù)據(jù)通訊遵循指定的MODBUS RTU協(xié)議RS-485口轉(zhuǎn)TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)口的通訊模式，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至集中控制室內(nèi)SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理，其中各換熱站到集中控制室的數(shù)據(jù)通訊光纖可依托公司已遍布生活區(qū)和各廠區(qū)的現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)。各換熱站PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信速度：過程控制級(jí)不低于10Mb/s，監(jiān)控級(jí)與管理級(jí)不低于100 Mb/s。通信系統(tǒng)最大負(fù)荷應(yīng)小于40%[2]。

3.2 換熱站各相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)成

現(xiàn)場14套控制站（北京碩人PLC、西門子S7-200，GE的PLC等）、集中控制室內(nèi)SCADA系統(tǒng)采用冗余的、開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，配置3套操作站（含綜合監(jiān)控軟件運(yùn)行版以及綜合監(jiān)控軟件開發(fā)版），1套交換機(jī)柜和1臺(tái)UPS電源（220VAC 5KVA）以及各PLC控制站至SCADA之間的傳輸介質(zhì)等構(gòu)成現(xiàn)場無人值守的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊遵循指定的MODBUS RTU協(xié)議轉(zhuǎn)TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)模式，將數(shù)據(jù)通訊至SCADA系統(tǒng)。SCADA需具備OPC協(xié)議(OPC服務(wù)器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，緩存于它的存儲(chǔ)緩沖器中供客服端使用，同時(shí)將客服端的控制信息寫入現(xiàn)場設(shè)備中)[4]，并通過現(xiàn)有MES（MES作為FCS和ERP之間的紐帶）[5]系統(tǒng)將過程數(shù)據(jù)通訊至ERP，為上層管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)管控一體化，現(xiàn)場換熱站無人值守，自動(dòng)運(yùn)行的模式?？刂葡到y(tǒng)要求結(jié)構(gòu)精簡、配置靈活、維護(hù)方便、符合開放性標(biāo)準(zhǔn)、性能價(jià)格比高，以保證系統(tǒng)安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行特點(diǎn)為原則，以節(jié)能降耗、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少運(yùn)行維護(hù)人員，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理為目的。如圖1所示。

圖1 各系統(tǒng)之間的通訊拓?fù)鋱D

4 運(yùn)行效果分析

自改造以來系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各換熱站現(xiàn)場PLC由運(yùn)行人員倒班操作轉(zhuǎn)為無人值守、自動(dòng)運(yùn)行的模式，自動(dòng)化管理水平和控制精度得到提高，起到了節(jié)能降耗的目的；同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員配置，有效控制了人工成本；徹底解決了生活區(qū)職工夏季熱水供應(yīng)和冬季取暖的問題，職工生活品質(zhì)得以改善。由表1可見，改造后具有以下特點(diǎn)：

1）人員配置減少，有效節(jié)約了人工成本。改造前車間共有10個(gè)人負(fù)責(zé)換熱站的日常管理；14個(gè)司泵工負(fù)責(zé)1、8、12號(hào)換熱站的冬季運(yùn)行和夏季洗澡水的供應(yīng)；冬季供暖時(shí)，各換熱站全部投入運(yùn)行，使用其他單位支援供暖人員61人，零時(shí)用工8人。改造后主要減少了供暖人員和零時(shí)工約40人，每人每月假如平均按3000元計(jì)算，一年至少節(jié)約144萬元人民幣。

2）溫度控制精度得到提高。改造前現(xiàn)場操作人員只有通過手輪憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整閘閥開度（現(xiàn)場無閥位顯示），很難調(diào)節(jié)到預(yù)期的溫度值；改造后控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整閘閥開度（能反饋閥位顯示），可得到預(yù)期設(shè)定的溫度值。通過回訪操作人員了解得知，由人工手動(dòng)操作改造為自動(dòng)運(yùn)行方式后，換熱站出口溫度的控制精度提高約±3～5℃，年蒸汽用量由原來44噸減少為35.8噸（當(dāng)然蒸汽消耗量和環(huán)境溫度的變化也有一定的關(guān)系），起到一定的節(jié)能降耗效果。

3）管網(wǎng)安全泄壓得到保證。改造前沒有安全閥，靠操作人員憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整管網(wǎng)壓力，人為操作具有滯緩性，每人的經(jīng)驗(yàn)和能力也不一樣，容易導(dǎo)致管網(wǎng)超壓造成泄漏（部分管線使用年限較長，腐蝕較嚴(yán)重，管網(wǎng)一旦超壓就會(huì)泄漏，造成搶修。）；改造后通過壓力控制電磁閥實(shí)現(xiàn)安全泄壓，保證了管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，減少泄漏和搶修次數(shù)，根據(jù)回訪操作人員，了解到管網(wǎng)泄漏率減少約80%。

4）管理水平標(biāo)準(zhǔn)化。改造后各換熱站內(nèi)PLC按照SCADA系統(tǒng)的預(yù)先設(shè)定值，現(xiàn)場控制無需人為操作和干預(yù)，就能實(shí)時(shí)將現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)信號(hào)上傳至集中控制室內(nèi)操作站，也可上傳至調(diào)度室，調(diào)度人員可了解各用熱情況，做出相應(yīng)調(diào)整。如表1所示。

表1 運(yùn)行前后差異對(duì)照表

5 結(jié)束語

換熱站無人值守升級(jí)改造運(yùn)行后，一方面大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員配置，有效控制了維護(hù)和人工費(fèi)用成本，另一方面控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制精度以及安全生產(chǎn)的管理水平得以提高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，這對(duì)動(dòng)力廠的經(jīng)濟(jì)效益和生活區(qū)職工的冬季取暖提供了更為有利的保障。□

[1] 劉媛,劉曉峰,高志斌.PKS軟件在西二線管道SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用與優(yōu)化.儀器儀表用戶[J],2013,20(2):64-66.

[2] 莊文浩.PLC在油田控制系統(tǒng)中的選型與應(yīng)用.儀器儀表用戶[J],2013,20(2):54-56.

[3] 李成,徐磊.楊禹.論山西綜合調(diào)控中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).儀器儀表用戶[J],2013,20(2):49-51.

[4] 郝銳,周菲.基于EPA的OPC服務(wù)器的開發(fā)研究.自動(dòng)化與儀表[J],2008,23(4):25-27.

[5] 尤保常,王建華,楊源源,等.MES系統(tǒng)在連續(xù)過程生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用.自動(dòng)化與儀表[J],2008,23(1):30-32.