自動化控制系統在城市集中供熱領域的應用研究

摘 要：隨著生活水平的提高，對生活環境又提出了更高的要求，集中供熱也成為大型化方向發展必然趨勢。堅持科學態度，積極采用新技術、新工藝、新設備，既體現技術先進、經濟合理，又保證安全可靠。在這種形式下，必須采用智能的自動化系統才能滿足集中供熱智能化需要。

關鍵詞：自動化系統；集中供熱；應用；節能

在冬季，我國的北方由于氣溫較低，都需要進行采暖，采暖的能耗量較大，更加重了能源緊張的局面，在目前居民住宅的集中供熱系統結構中采用自動控制系統進行節能取得了較好的成效。伴隨著我國科技的不斷進步和經濟發展，自動控制技術被應用在集中供熱節能方面，并且取得了一定的效果。但是，從最近幾年來我國自動控制技術在集中供熱節能應用的成果來看，尚不理想，存在一定的問題。

一、城市熱網自控狀況和問題

隨著集中供熱規模不斷擴大，現有熱網監控設施已很難滿足當今現代化管理的需要。供熱設備已不斷老化，另一方面不具備與當現主流自控設備兼容和擴容的能力，無論在軟件上還是在硬件上已滿足不了信息處理、熱網調節和生產管理的需求。熱力站運行以有人值守為主，多數熱力站自控儀表只具備顯示功能，無法上傳數據和接收上級指令。隨著熱網所帶負荷逐年增大，一次網水力失調情況日漸嚴重，熱網前端熱力站循環水量遠遠高于正常值，后部熱力站一次網流量嚴重不足，現有的調節方式根本無法解決失調現象。在不得已的情況下，采取了在一次網流量不足的熱力站內增設加壓泵以提高局部流量。這種辦法在一定程度上緩解了原來流量不足的情況，但因為總循環水量沒有增加，雖然解決或緩解了原有的一些流量不足問題，又會有新的問題產生。

三、集中供熱自動化控制系統關鍵技術

1.自動化控制系統基本組成。自動化控制系統為集中供熱系統中熱用戶與供熱管網中的關鍵元件，對提高供熱質量和改善熱網工況起著關鍵作用。為了提高供熱品質，一方面，需要對系統運行中的各項參數進行實時監測；另一方面，二級管網的供水溫度需要依據環境溫度的具體值去調節，這樣就能夠保證熱用戶的室內溫度在一定溫度范圍內變化，可以節約大量能源，同時使用戶的生活和工作環境更加宜人。變頻器的輸出可以通過調節PLC來制，來改變電機的轉速，進而調節循環泵或補水泵的輸出，達到管網壓力和供暖負荷的要求。

2.系統組成及功能。系統可分為硬件控制系統和軟件控制系統兩部分。其中硬件控制系統主要由S7-200PLC、M430變頻器、觸摸屏組件及換熱器、電磁調節閥、循環泵、補水泵等組成；軟件控制系統主要由STEP7程序及Wince程序組成。預計實現的功能主要有：（1）通過S7-200采集和處理壓力、溫度、流量等模擬量參數；（2）換熱站自動控制，在HMI上實時顯示各類參數，以及自動控制設備運行狀態，并能夠進行故障診斷；（3）環境溫度與供水溫度之間的對應曲線可以根據供熱對象的特性以及當地氣候條件來給出；（4）供水壓力的自動控制主要是由壓力傳感器結合PLC及變頻器來完成；（5）采用手動控制和自動控制相結合的控制方式。當HMI或PLC出現故障時為確?；厮畨毫蚀_穩定需將自動控制模式切換為手動操作控制。

三.熱網自動化控制系統控制策略

1.在熱源供熱能力充足的條件下，依據用戶室溫和室外溫度等氣象參數情況預測各熱力站需求耗熱量（熱力站總負荷）以及熱源合理的輸出熱量，根據預測熱力站總負荷，調度熱源生產（熱源輸出熱量），確定調整各熱力站控制參數和控制策略，自動進行全網平衡調節，將熱源生產熱量按用戶需求分配到各熱力站。實現“均衡輸送、按需供熱”。

2.在熱源不足或熱源事故工況下，能將有限的熱量平衡地分配到各熱力站。

3.根據多熱源聯網下的生產數據，生成相應的控制策略。多熱源聯合運行的全網平衡策略（包括一次網采用管道加壓泵和一次網采用電調閥及泵閥聯動三種形式）：一次網均勻性控制，消除水力失調帶來的能源浪費；管網初期冷態運行時，采用流量設定進行初步調節，在系統升溫正常運行后，熱源單位應充分結合供熱單位現有運行模式制定出不同工況下的全網平衡控制策略組，以適應熱源單位的運行要求。

4.處于熱網前段的采用電動調節閥控制；處于熱網中段的采用加壓泵及電動調節閥聯合控制，二者并聯布置；處于熱網末端的采用加壓泵控制。

5.熱網前段、中段、末端劃分基本原則：水力計算時分別計算平峰及尖峰期兩種水力工況，以兼顧為原則確定以下控制方式。a兩種工況下資用壓差均充足的熱力站采用電動調節閥控制。b兩種工況下資用壓差均不足時（資用壓差小于6mH2O），采用加壓泵控制。c介于上述兩種情況之間的熱力站采用加壓泵及電動調節閥聯合控制，二者并聯布置。

四、集中供熱自動化控制系統參數控制

1.供熱系統供水溫度控制。當環境溫度發生變化時控制系統可以通過PLC來控制二級管網的供水溫度，以適應環境的變化，保持恒定地室內溫度。同時根據天氣及負荷的變化，自動調整供熱方式。

2.供熱系統流量及定壓控制。由于供熱系統各部位阻力變化較大，造成了系統的流量、壓力的分布不均，造成水力失調、冷熱不均現象顯著。水壓只有在達到以下基本要求時才能保證供熱系統正常情況運行：（1）保證熱網提供可能消耗的最大壓力給用戶，室內系統能夠承受；（2）保證不損壞散熱器件；（3）保證供熱系統不倒空，水量充足。因此，制定合理靜水壓線和恒壓點就必須監測和分析系統的水壓。常用的定壓方式有定壓罐定壓、膨脹水箱定壓、補水泵變頻調速定壓等?，F集中供熱系統采用補水泵變頻調速定壓較多，其基本原理是根據控制系統的壓力變化，調整電源頻率，改變補水泵轉速，以便及時控制補水量，保證系統有一個恒定的恒壓點。

五、集中供熱自動控制節能效果

1.可以有效降低單位的熱能消耗

通過實施自動控制系統，可以有效對系統進行監控，降低熱網水力失調的程度，使各用戶系統熱能分布均勻。另外，控制系統通過調節流量調節閥開度，使供熱系統中的換熱站水泵實現自動控制，避免人工調節在時間上的滯后性和對經驗的依賴性。

2.可有效降低單位降耗

在針對換熱站進行增設水泵變頻設備的過程中，要針對水泵電機頻率進行自動控制，通過改變電動機電流和頻率，達到節能的效果。在進行變頻的過程中，它的調節范圍較寬，并且能夠保持較高的效率，實現精度化運行。它能夠有效的消除電動機啟動過程中的大電流，延長水泵的使用壽命。另外，通過自動化設備的合理布置，采取分區供電方式，減少了電纜長度，選用合適的電纜材質和截面，降低輸電過程中的電能損耗。

3.綜合效益更大程度的提高

通過自動控制設備的增加，改變了傳統換電站需要人員留守的現象，降低了供熱人工成本和勞動強度。特別是提高了供熱系統的安全性、可調性和可靠性，能夠提高熱用戶的供熱效果。集中供熱自動控制系統可實現供熱能源配置、提高能源利用率，間接減少污染物排放，改善城市環境質量和居民的生活質量，具有顯著的社會和環境效益，是提高人民生活質量的公益性基礎設施。

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作者簡介：

張宏楠（1990.01-），男，滿族，吉林省伊通縣，學歷：本科學歷，助理工程師，研究方向：供熱技術.