汽水換熱站自動控制系統及改進方案

莊冰 杜成業 穆桐

摘要：以某市集中供熱項目汽水換熱站為例，本文從工藝流程、控制系統方案、功能及改進方法等幾個方面，對汽水換熱站自控系統進行了闡述，尤其對控制系統硬件設計、網絡構架、控制方法的改進優化措施進行了詳細的描述。

關鍵詞：汽水換熱站;控制系統;改進方案。

引言

先進的集中供熱工藝及控制方法，能提高供熱指標、節約人員成本、保護生態環境、提升管理水平。汽水換熱站是集中供熱重要的組成工藝，其自動控制策略水平及改進方案對于整個供熱工藝至關重要。

某市集中供熱項目由中冶東方工程技術有限公司設計建設，該項目于2017年11月投產，經過一個供熱周期的應用檢驗，汽水換熱站自動控制系統運行平穩，實現了汽水換熱站的全自動運行，控制系統功能完全滿足業主的生產要求。

1 工藝概述

汽水換熱站的主要功能是利用某工廠鍋爐生產的富余蒸汽對供熱管網水進行換熱加熱，為各小區二級換熱站提供供熱熱水，工藝流程圖如圖1所示。

來自鍋爐的蒸汽進入汽水換熱器，換熱后冷凝成水，再經凝結水回收裝置返回鍋爐。各二級換熱站的回水，先經過除污器濾除水中雜質，然后循環泵加壓后進入汽水換熱器，經過蒸汽換熱升溫后，為各二級換熱站提供熱水。補水泵為供熱管網補水，保證回水壓力穩定。

2 控制系統組成

汽水換熱站控制系統包括現場檢測設備、PLC控制系統、操作臺、HMI操作站、UPS電源、變頻器、就地操作箱、閥門等設備。

換熱站控制系統采用Siemens S7-1500系列PLC，通過Profibus-DP總線網與低壓配電室的變頻器等設備通信，同時通過以太網光纖與調度中心與集中供熱的監控中心通信，實現遠程集中監控。控制系統硬件配置及網絡構架如圖2所示。

網絡結構主要包括以太網和Profibus-DP網兩部分。以太網通信速率高、開放性好、易維護、故障診斷方便，用于PLC系統內部通信模塊通信、PLC與HMI操作站通信、PLC基礎控制級和集中供熱監控中心通信。Profibus-DP網絡具有傳輸可靠性高、拓撲結構靈活、診斷功能完善等優點，廣泛應用于工業控制領域。本控制系統的Profibus-DP網絡采用線形拓撲結構，PLC為主站，變頻器和就地I/O為從站。

3 控制策略及改進方案

汽水換熱站是一個多種設備協同運行的整體，需要控制多個參數，控制程序采用模塊化設計，每一個控制參數都有一個專門的功能塊程序與之對應，主程序輪詢不同的控制子程序，完成自動控制的功能應答。汽水換熱站自動控制的主要控制難點有以下三點：換熱器液位控制、循環泵自動控制、換熱溫度控制。

3.1 換熱器液位控制

汽水換熱器的液位對換熱器的換熱效率至關重要，隨著供熱負荷的變化，蒸汽進氣量會相應變化，換熱器液位隨之波動。換熱器內汽水混合，液位檢測干擾大，設置就地磁翻板液位計、差壓液位變送器和雷達液位變送器檢測汽水換熱器的液位，確保液位檢測的準確性。安裝高清球型攝像機監視磁翻板液位計顯示的液位，操作人員可以在汽水換熱站控制室的監控電視屏監視。

本系統在換熱器底部設置出水調節閥和事故排水電動閥。根據液位設定值，液位自動控制程序根據實際液位和設定液位之間的差值，通過PID算法^[2]計算得到調節閥調節趨勢，自動調節調節閥開度，使液位趨向于設定值。液位高于報警上限，通過液位控制程序自動打開事故排水電動閥排水，液位正常后，事故排水電動閥自動關閉。

3.2 循環泵自動控制

循環泵為管網回水加壓，保證供水和回水壓差穩定。通過手動或自動啟停循環泵，同時手動設定循環泵供電頻率或利用PID算法程序自動調節循環泵供電頻率，使二次網的供水壓力和回水壓差穩定于設定值，保證用戶供熱穩定。

汽水換熱站有三臺循環泵，正常生產時，兩臺工作一臺備用，水泵通過變頻器控制^[2]。生產過程中，正在運行的循環泵故障停機，備用泵可以自動投入生產，供水和回水壓差低于設定的啟動備用泵的設定值時，備用泵自動啟動。

循環泵連續運行生產，為了提高水泵使用壽命，按一定的時間間隔切換工作泵和備用泵。循環泵在自動模式下，按設定時間間隔，自動切換工作泵和備用泵，泵的啟動和停止過程，通過控制變頻器控制頻率，以每0.5HZ/s的速度逐漸完成，實現無擾切換。

3.3 換熱溫度控制

供熱負荷變化會引起小區換熱站回水溫度變化，通過調節汽水換熱站的蒸汽進氣量改變換熱效果，使供水溫度逐漸達到設定值。蒸汽進氣管設置調節閥，根據小區換熱站的供水水溫設定值和實際測量值之差，自控程序通過PID算法計算調節閥變化趨勢，自動調節閥門開度控制汽水換熱器的進氣量。出水管溫度高于設定值，自動減小閥門開度;出水管溫度低于設定值，自動增大閥門開度。溫度調節具有大滯后的特點，因此PID調節容易出現超調或振蕩調節現象，常規的PID控制算法需要改進。

為了即保證調節閥調節速度，又能避免過度超調，在自動控制模式下，為調節閥設定了閥門開度上下限和調節死區，同時采用改進的變PID參數調節法。根據設定溫度和實際溫度差值的絕對值，自動調整PID參數的P、I值。控制子程序流程圖如圖3所示。

為了提高供熱效率，供水水溫設定值需要根據室外溫度改變，根據溫度變送器檢測的室外溫度，控制程序通過曲線函數計算出供水溫度設定值，實現供水水溫設定值隨室外溫度的自動改變，提高了供熱效率，降低了操作人員的勞動強度。

4 總結

本文闡述了某城市集中供熱汽水換熱站的控制系統，介紹了控制系統的硬件配置和網絡構架、以及控制難點及改進措施。汽水換熱站投產運行后，自動控制系統運行平穩，工藝生產參數自動控制效果良好，提高了換熱效率，節省了大量勞動力，產生了較好的經濟和社會效益，具有較高的推廣應用價值。

參考文獻

[1]吳中俊，黃永紅.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2009：103.

[2]楊云英.變頻節能技術在循環供水系統中的應用[J].冶金自動化，2012，（S2）：640-643

（作者單位：中冶東方工程技術有限公司自動化所）