全廠換熱站現(xiàn)場無人值守設計的實現(xiàn)

張友兵，張海蓉，胡東力

（中國石油工程建設公司新疆設計分公司，烏魯木齊 830019）

0 引言

換熱站穩(wěn)定運行與均衡供熱的關鍵在于熱網(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，導致用戶普遍不熱；或者前端用戶壓差高，流量超過設計值，末端壓差不足，流量低于設計值造成近端用戶過熱；以及熱網(wǎng)失水嚴重，超過了系統(tǒng)補水裝置的補水能力，系統(tǒng)因為不能及時補水而壓力降低等；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)負荷隨之改變（可通過設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定是關鍵。出現(xiàn)局部停站或升負荷時，可采用計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)驗值，計算出總熱量的平衡情況后，通過預調(diào)整蒸汽的設定值控制好一次換熱站的負荷，從而起到協(xié)調(diào)整個熱網(wǎng)平衡的作用。由此可見合理的設備選型和管線鋪設對換熱站的設計固然重要，采用必要的溫度和壓力控制手段也不可忽視。

1 擬建項目的背景

目前烏石化動力廠下轄有14個換熱站，其中9號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號低溫換熱站提供熱源；1、2、3、4、5、6、7、8、12號低溫換熱站均位于生活區(qū)，為生活區(qū)提供熱水和冬季供暖；10號換熱站位于化肥廠內(nèi)，利用蒸汽換熱為化肥廠供暖；11號換熱站位于檢修公司院內(nèi)，為檢修公司供暖；13號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。

這些換熱站多建于上世紀八九十年代，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)建設時間的不同，所采用的系統(tǒng)和設備也不盡相同，大多數(shù)換熱站控制系統(tǒng)均沒有自動化控制（現(xiàn)場操作工憑經(jīng)驗只能粗調(diào)，控制精度低），所有換熱站設備數(shù)據(jù)無法上傳集中管理。各種運行生產(chǎn)數(shù)據(jù)還需要大量的手工報表反應生產(chǎn)狀況，消耗大量人力和財力，這種方式不僅管理置后，也不能及時的了解現(xiàn)場設備的運行情況，不利于設備和系統(tǒng)的運行管理。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，節(jié)能降耗無從談起，更談不上提高安全生產(chǎn)的標準和科學管理的水平。為了實現(xiàn)分散控制、集中管理、提高控制精度、降低勞動強度、節(jié)約能源，全廠各換熱站的PLC改造后必須實現(xiàn)無人值守、自動運行的模式。

2 設計思路的確定

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，不利于節(jié)能降耗，不利于集中管理的特點。本次設計根據(jù)各換熱站不同的儀表配置特點，對現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)進行升級改造，實現(xiàn)低溫系統(tǒng)自動定壓、自動補水、自動泄壓、高低供水溫度自動控制等，達到現(xiàn)場無人值守的自動化控制水平。同時升級通訊功能，將換熱站各項數(shù)據(jù)通過冗余的通訊方式，上傳至集中控制室內(nèi)SCADA（SCADA提供一個完全開放的平臺，其結構簡單、配置靈活、維護方便、性價比及可靠性高）[1]，實現(xiàn)分散控制，集中遠程顯示、報警及控制，達到管控一體化的自動化水平，提高生產(chǎn)管理效率，降低勞動強度和節(jié)能降耗的目的。

3 無人值守設計的實現(xiàn)

3.1 設計的目標

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。目前動力廠一級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，設備管網(wǎng)無法高效運行，也不能保證職工在采暖期間達到高效的供熱環(huán)境。為了達到節(jié)能降耗、降低勞動強度、減少維護成本、提高管理水平的目的，將現(xiàn)有換熱站分為現(xiàn)場儀表、通訊設施、控制系統(tǒng)幾大類進行改造，達到現(xiàn)場無人值守的自動化水平。

3.1.1 控制系統(tǒng)的設計

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)實際情況分為升級（現(xiàn)有的封閉控制系統(tǒng)僅改造與通訊相關軟硬件）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)升級部分（1#、7#地暖、8#、11#、13#、熱水站，共6個站）：現(xiàn)有封閉型、自成一體的PLC系統(tǒng)，不具備通訊功能，通過本次升級改造實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的通訊功能，并負責完成原有PLC的組態(tài)工作，達到集中化管理的要求。控制系統(tǒng)更新部分（2#～6#、7#散熱器、10#、12#，共8個站）：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)設置指令。

2）控制系統(tǒng)具有“手動控制+遠程控制+自動控制”的功能。系統(tǒng)既能獨立自動運行，實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守的自動控制，也能接受遠程控制指令和現(xiàn)場手動控制指令執(zhí)行相應的動作。手動控制指令優(yōu)先級別高于遠程控制指令，遠程控制指令級別高于自動控制指令。

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

4）圖表曲線功能。系統(tǒng)針對某一點或整個系統(tǒng)自動做出日、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）各控制站設置手/自動狀態(tài)切換功能，并具備通過現(xiàn)場觸摸屏人機界面，實現(xiàn)操作方便快捷，易學易懂的特點。

6）當某一臺換熱站內(nèi)PLC出現(xiàn)故障，不影響其它控制站的正常運行。

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，增設不同的儀表、閥門及必要的控制手段，既要提高自動化程度，又要盡量控制一次性投資成本為原則，進行如下改造：

1）現(xiàn)場增加Pt100熱電阻、壓變送器、流量、液位、補水閥、泄壓閥、溫度控制閥、電磁閥、視頻攝像機等儀表及閥門，并結合成熟的計算機技術和網(wǎng)絡視頻技術為換熱站實現(xiàn)遙測、遙控、視頻監(jiān)控、集中管理、現(xiàn)場無人值守、自動運行的功能。

2）加裝變頻控制設備實現(xiàn)自動控制補水泵轉速，以及根據(jù)天氣變化、供回水溫度及壓力的設定值，實現(xiàn)自動控制主循環(huán)泵的轉速。

3）在二次管網(wǎng)上設置泄壓閥，當壓力達到設定值時自動開啟泄壓閥實現(xiàn)自動泄壓。

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

5）增設換熱站失電高溫水電動閥自動關閉功能。

6）換熱站配備兩臺互備補水泵，正常時只需一臺補水泵變頻運行即可滿足系統(tǒng)補水需要，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常（失水嚴重）時，實現(xiàn)另一臺補水泵能自動投入變頻運行，直至工頻轉速。將循環(huán)泵、補水泵的電壓、電流以及狀態(tài)信號送至各換熱站控制系統(tǒng)。

7）與換熱站補水系統(tǒng)連接的用戶軟化水箱內(nèi)水位低于設定值的最低液位時，打開水箱進水電磁閥，同時換熱站自動補水系統(tǒng)停止運行，以防補水泵因缺水運行造成損壞。

8）各換熱站內(nèi)設置視頻攝像機，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)場設備運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轉以太網(wǎng)卡、3108交換機及組態(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口串口服務器以及3108交換機，并重寫IP；更新部分統(tǒng)一更換為具有RS-485通訊功能，同時增加4口串口服務器、3108交換機以及組態(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。各換熱站PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信速度：過程控制級不低于10Mb/s，監(jiān)控級與管理級不低于100 Mb/s。通信系統(tǒng)最大負荷應小于40%[2]。

3.2 換熱站各相關系統(tǒng)的構成

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)絡結構[3]，配置3套操作站（含綜合監(jiān)控軟件運行版以及綜合監(jiān)控軟件開發(fā)版），1套交換機柜和1臺UPS電源（220VAC 5KVA）以及各PLC控制站至SCADA之間的傳輸介質等構成現(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服務器實時采集現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)，緩存于它的存儲緩沖器中供客服端使用，同時將客服端的控制信息寫入現(xiàn)場設備中)[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數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)管控一體化，現(xiàn)場換熱站無人值守，自動運行的模式。控制系統(tǒng)要求結構精簡、配置靈活、維護方便、符合開放性標準、性能價格比高，以保證系統(tǒng)安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行特點為原則，以節(jié)能降耗、降低勞動強度，減少運行維護人員，實現(xiàn)分散控制、集中管理為目的。如圖1所示。

圖1 各系統(tǒng)之間的通訊拓撲圖

4 運行效果分析

自改造以來系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各換熱站現(xiàn)場PLC由運行人員倒班操作轉為無人值守、自動運行的模式，自動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；同時降低勞動強度，減少人員配置，有效控制了人工成本；徹底解決了生活區(qū)職工夏季熱水供應和冬季取暖的問題，職工生活品質得以改善。由表1可見，改造后具有以下特點：

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個人負責換熱站的日常管理；14個司泵工負責1、8、12號換熱站的冬季運行和夏季洗澡水的供應；冬季供暖時，各換熱站全部投入運行，使用其他單位支援供暖人員61人，零時用工8人。改造后主要減少了供暖人員和零時工約40人，每人每月假如平均按3000元計算，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)驗調(diào)整閘閥開度（現(xiàn)場無閥位顯示），很難調(diào)節(jié)到預期的溫度值；改造后控制系統(tǒng)自動調(diào)整閘閥開度（能反饋閥位顯示），可得到預期設定的溫度值。通過回訪操作人員了解得知，由人工手動操作改造為自動運行方式后，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（當然蒸汽消耗量和環(huán)境溫度的變化也有一定的關系），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)驗調(diào)整管網(wǎng)壓力，人為操作具有滯緩性，每人的經(jīng)驗和能力也不一樣，容易導致管網(wǎng)超壓造成泄漏（部分管線使用年限較長，腐蝕較嚴重，管網(wǎng)一旦超壓就會泄漏，造成搶修。）；改造后通過壓力控制電磁閥實現(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）管理水平標準化。改造后各換熱站內(nèi)PLC按照SCADA系統(tǒng)的預先設定值，現(xiàn)場控制無需人為操作和干預，就能實時將現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)信號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，做出相應調(diào)整。如表1所示。

表1 運行前后差異對照表

5 結束語

換熱站無人值守升級改造運行后，一方面大大降低勞動強度，減少人員配置，有效控制了維護和人工費用成本，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，實現(xiàn)節(jié)能降耗，這對動力廠的經(jīng)濟效益和生活區(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)控中心的設計與實現(xiàn).儀器儀表用戶[J],2013,20(2):49-51.

[4] 郝銳,周菲.基于EPA的OPC服務器的開發(fā)研究.自動化與儀表[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)中的應用.自動化與儀表[J],2008,23(1):30-32.