烏魯木齊市某換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

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(1.西安科利爾能源裝備研發(fā)有限公司，西安 710089; 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

烏魯木齊市某換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

黃戈1，樊小朝2，王楊2，鄭印2，龔文杰2，尹文俊2

(1.西安科利爾能源裝備研發(fā)有限公司，西安 710089; 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

由于供熱系統(tǒng)中用戶換熱站沒有有效的調(diào)節(jié)裝置和根據(jù)熱負(fù)荷的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的自控系統(tǒng)，影響了烏魯木齊市的集中供熱系統(tǒng)整體效果。根據(jù)控制策略分級(jí)執(zhí)行的原則將換熱站系統(tǒng)分為：就地監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及中心控制系統(tǒng)。對(duì)換熱站整體結(jié)構(gòu)以及監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)際，運(yùn)行情況良好。

換熱站；監(jiān)控系統(tǒng)；MCGS

0 引 言

集中供熱系統(tǒng)由熱源、換熱站、熱用戶以及連接它們的供熱管網(wǎng)組成，如圖1所示。

一般大型城市集中供熱網(wǎng)多為間聯(lián)式的，熱電廠提供的高溫過熱蒸汽經(jīng)電廠換熱站汽-水換熱器形成高溫?zé)崴缓笸ㄟ^一次網(wǎng)送至各換熱站，高溫?zé)崴俳?jīng)換熱站水-水換熱器降溫到供暖熱水，由二次管網(wǎng)送至熱用戶[1-2]。烏魯木齊市有40多個(gè)區(qū)域供熱網(wǎng)，每個(gè)區(qū)域供熱網(wǎng)有幾十到上百個(gè)換熱站，因此，換熱站作為熱源廠與熱用戶之間的一個(gè)中間必要環(huán)節(jié)，對(duì)改善熱網(wǎng)熱力工況，提高供熱質(zhì)量起著重要的作用。

圖1 集中供熱系統(tǒng)示意圖

在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家如法國(guó)、德國(guó)、丹麥、芬蘭以及瑞典等國(guó)，集中供熱技術(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟。在我國(guó)，現(xiàn)行的換熱站運(yùn)行管理手段大多處于手工操作階段，對(duì)換熱站的管理大都采用人工方式，存在一些弊端：①浪費(fèi)人力，增加成本；②由于人觀察的局限性，難以發(fā)現(xiàn)事故隱患，易造成事故；③影響了集中供熱的效果[3]。

當(dāng)前烏魯木齊市的一些列“藍(lán)天工程”正在實(shí)施，其中供熱的鍋爐煤改氣工程已經(jīng)完成，大大改善了烏魯木齊市冬季的環(huán)境。但是，還有一些問題影響烏魯木齊市的集中供熱，主要是由于供熱系統(tǒng)中換熱站沒有有效的調(diào)節(jié)裝置和根據(jù)熱負(fù)荷的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的自控系統(tǒng)[9]，從而造成：①不能及時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的熱量供需是否相匹配；②系統(tǒng)中各個(gè)部位的供熱參數(shù)是否運(yùn)行正常；③供熱管網(wǎng)水平失調(diào)；④供熱整體效果不好、浪費(fèi)熱量。因此，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，必須對(duì)現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)，尤其是換熱站的儀表、通信、控制等方面進(jìn)行科學(xué)化、自動(dòng)化的管理[4]。

總之，烏魯木齊市冬季采暖的能耗巨大，在集中供熱系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，換熱站是最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工作的安全性、可靠性直接影響整個(gè)供熱系統(tǒng)的質(zhì)量。因此我們做好換熱站的自動(dòng)監(jiān)控研究工作，對(duì)實(shí)現(xiàn)烏魯木齊的“藍(lán)天工程”有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)控制策略分級(jí)執(zhí)行的原則[5]，該換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)分成以下幾部分：

(1) 換熱站的就地監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)儀表包括壓力、溫度、流量、熱量、液位等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括變頻器、傳感器和閥門等。整個(gè)換熱站以就地控制器(MCGS觸摸屏)為核心，通過安裝的數(shù)據(jù)采集卡將現(xiàn)場(chǎng)的壓力、溫度、流量、熱量、閥門開度、泵的工作狀態(tài)以及液位等信息進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)組CGS觸摸屏，最后對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)就地控制操作。

(2) 中心控制室監(jiān)控系統(tǒng)

中心控制監(jiān)控室是整個(gè)供熱系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)度樞紐，其主要功能是：完成處理所有的數(shù)據(jù)，對(duì)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。該部分主要是編寫軟件、界面以及程序的調(diào)試。

整體系統(tǒng)圖如圖2所示。

(3) 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過此網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)與中心控制室的通訊聯(lián)系；并且使用RS485通信協(xié)議，以雙絞線為傳輸介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)采集裝置與MCGS觸摸屏的通訊聯(lián)系[6]。

圖2 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)

換熱站系統(tǒng)中，熱源鍋爐通過燃燒燃料，給水吸熱后，加熱到一定高溫高壓的熱水，然后由一次管網(wǎng)送至各熱力站，熱水再經(jīng)體積換熱器，將熱能傳遞給二次管網(wǎng)的循環(huán)水，再將熱能輸送到各用戶，最后，釋放熱量后的回水返回二次熱網(wǎng)的回水管網(wǎng)。為了保證整個(gè)供熱系統(tǒng)循環(huán)的正常運(yùn)行，二次管網(wǎng)中的循環(huán)水需要由水泵提供動(dòng)力，從而有了一定的壓頭，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)[7]。

換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)

續(xù)表1 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)

換熱站是熱源與用戶的銜接點(diǎn)，站內(nèi)安裝有與用戶連接的一些有關(guān)的設(shè)備，比如管道、儀表、閥門和一些溫度、流量以及壓力的控制裝置。根據(jù)不同熱網(wǎng)工況和條件，我們要采用不同的連接方式，將熱網(wǎng)輸送的熱水熱量加以調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換，從而滿足熱用戶的不同需求；同時(shí)還要根據(jù)不同的需要，進(jìn)行集中檢測(cè)以及計(jì)量供熱系統(tǒng)中的不同參數(shù)設(shè)備的數(shù)量。因此，我們考慮二級(jí)換熱站的功能，以及主要控制系統(tǒng)的功能需求，初步設(shè)計(jì)了換熱站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖，如圖3所示。

圖3 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

3 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)

我們研究的換熱站是新疆廣匯某小區(qū)的換熱站，它主要是由一臺(tái)汽水換熱器組成的換熱系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)由兩臺(tái)循環(huán)水泵組成，并且補(bǔ)水系統(tǒng)有一臺(tái)補(bǔ)水泵。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方面的要求，換熱站的自控系統(tǒng)采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。面向操作人員，人機(jī)界面(HMI) 主要由上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算(IPC)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作管理；面向生產(chǎn)過程，下位機(jī)由現(xiàn)場(chǎng)的采集卡完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，MCGS嵌入式觸摸屏實(shí)現(xiàn)整個(gè)供熱系統(tǒng)的過程控制。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)，將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)(溫度、流量、壓力等)傳回上位機(jī)，到達(dá)數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[8-9]。

整個(gè)系統(tǒng)主要功能如下：

(1) 數(shù)據(jù)采集及處理

整個(gè)供熱過程中，存在大量的物理參數(shù)，比如壓力、溫度、流量等一些模擬信號(hào)量參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)采集卡對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并處理成數(shù)字信號(hào)。

(2) GPRS數(shù)據(jù)傳輸

GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸單元安裝在供熱現(xiàn)場(chǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳回?cái)?shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行必要的存儲(chǔ)、以及分析，根據(jù)編程進(jìn)行一系列的處理。

(3) 換熱站的運(yùn)行監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)整個(gè)供熱過程的數(shù)據(jù)采集，并且實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分析，進(jìn)行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)，從而及時(shí)的控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制

通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)的MCGS嵌入式觸摸屏及采集卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)就地的自動(dòng)/手動(dòng)控制，達(dá)到人機(jī)互補(bǔ)，從而大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

文中對(duì)新疆烏魯木齊市某換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)控制策略分級(jí)執(zhí)行的原則，將系統(tǒng)分為：換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及中心控制室監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際要求，對(duì)換熱站整體結(jié)構(gòu)以及監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了介紹。

新疆孚德節(jié)能工程有限公司在2012年將此換熱站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于“新疆廣匯100萬平方米既有建筑熱計(jì)量及節(jié)能改造工程”，實(shí)際運(yùn)行情況良好。

致謝：

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51106132)，新疆教育廳項(xiàng)目 (XJEDU2012S05)，新疆大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目(XJU-SRT-13128)的資助，特表示感謝。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]森林工程，2013，29(4)：90-95.

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DesignandResearchofMonitorandControlSystemforaHeatTransferStationinUrumqiCity

HUANG Ge, FAN Xiao-chao, WANG Yang, ZHENG Yin, GONG Wen-jie, YIN Wen-Jun

(1.Xi'anCollierEnergyEquipmentDevelopmentCo.Ltd.,Xi'an710089,China；2.CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830047,China)

The heating system of heat exchange station without user adjustment device for automatic control system of effective and real-time adjustment according to the change of the heat load, the quality of the central heating system in Urumqi city. According to the strategy of classification the implementation of the principle of control system is divided into: in situ monitoring system, communication system and central control system. The overall structure and the heat exchange station monitoring system was designed, and applied to the actual, running in good condition.

Turbine cascades; Steam flow; Numerical simulation

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.003.003

2014-01 27

：2014-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51106132)；新疆教育廳項(xiàng)目 (XJEDU2012S05)；新疆大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目(XJU-SRT-13128)。

黃 戈，烏魯木齊人，工程師，主要從事能源開發(fā)利用，節(jié)能減排。

TK11+4

：A

：1009-3230(2014)03-0010-06