神東礦區換熱站自動化改造措施

王小龍

（神東煤炭集團，陜西 神木 719315）

0 引言

隨著城市發展，居民生活水平隨之提高，建筑能耗將逐漸超越交通、工業等其他行業能耗最終居于社會能耗消耗的前位。在我國，冬季采暖能耗是建筑能耗中占比最大的組成部分，與相處同一緯度的其它發達地區或國家相比，我國建筑物單位面積采暖平均能耗是上述國家或地區的2～4倍［1］。分析單位建筑面積采暖能耗高的原因：一是建筑物圍護結構保溫效果差，早期建筑外墻未進行保溫作業且使用的鋼窗密封性差，導致用戶側熱損失大；二是傳輸管網及管網附件的閥門、伸縮器等未進行保溫，或由于維護不當使得原有保溫層脫落，造成輸配管線熱損失大；三是由于各新建建筑物的采暖管網未進行整體規劃，而是直接與城區主管網碰接，造成管網水力失調嚴重，換熱站為保證管網末端或部分循環不暢熱用戶室內溫度，使用大流量小溫差的供熱方式，造成供暖系統耗能高。

供熱系統是一個多參量、大滯后的復雜系統，隨著科學技術的迅速發展帶動了通訊技術及自動化控制技術的發展，使得換熱站溫度、壓力、流量、熱量、閥門開度等的遠程控制成為了可能，這對解決傳統供熱系統能耗高、水力失調嚴重、勞動強度大等問題具有積極的促進作用，使得無人值守換熱站、自動化控制供熱系統等紛紛涌現［2］。自動化控制供熱系統使傳統供熱模式與自動化控制相結合的全新供熱方式逐步走入人們視野，該供熱方式就是根據地區資源優勢，選擇合適供熱方式的前提下，進一步借助科學技術尤其是信息傳輸、自動化控制系統的發展，實現供熱系統自動化、智能化控制。自動化控制供熱系統是集現代計算機技術、自動控制技術和通訊技術為一體，可全面監測熱網運行參數，控制熱網供熱溫度。為此，結合實際存在問題對換熱站進行試點改造，以期有針對性地解決供熱系統熱源、管網、終端用戶三者之間存在的問題，為“按需供熱”提供有效技術保障。

1 礦區供暖概況

神東煤炭集團水暖服務處現有集中換熱站9座，集中供熱面積為203萬m2，供熱區域有辦公樓、公寓、車間、廠房等，供熱綜合能耗高達94 W/m2。供熱系統跑冒滴漏、設備或管道保溫破損、換熱站未按照室外溫度及時調整供回水參數、建筑物外墻保溫及門窗密閉性差、系統水力失調等均是造成綜合能耗高的原因，其中最主要的原因是缺乏前期的統一規劃，造成現有供熱系統水力失調嚴重。換熱站為保證用戶用熱需求達到國家規定標準基本采取粗放式供熱方式，即提高供水溫度，增大系統循環流量，這就直接導致距離換熱站較近的用戶室內溫度明顯偏高，部分用戶甚至開窗散熱造成熱耗增加。同時水力失調還會導致供熱系統藥耗、電耗、水耗等增加。此外，礦區現有供熱系統還存在自動化、智能化水平低，無法實現實時動態遠程監控功能；無法根據負荷的變化，按需供熱；供熱系統的設備老舊自動化程度低，無法實現自動化控制目的；系統運行管理成本費用高。

礦區供熱系統正處于更新設備、改造管網、增設自動化控制系統階段。近些年運行過程中，逐漸暴露出能耗高、水力失調嚴重、人工成本高等問題。為解決上述問題集團提出實施換熱站自動化改造項目，即在滿足礦區熱用戶用熱需求的前提下，從現有供熱系統中增加室溫監測系統、管網水力平衡調節的智能化、生產調度管理系統、公建節能控制系統、視屏監控系統、能源管理系統等方面提高自動化、標準化水平。

2 改造原則

換熱站是連接熱網與熱用戶間極為重要的環節，其工作安全性、穩定性、可靠性直接影響供熱質量，換熱站自動化改造在滿足系統安全穩定運行的同時還可實現節能、減員、增效［3］。利用工控技術、計算機技術、通訊技術，結合傳感器、閥門等設備構成換熱站自動化控制系統，可根據室外溫度、用熱情況、熱用戶室溫對熱力系統進行科學、規范的管理。實施換熱站自動化改造，可通過計算機采集記錄各種工藝參數，如：溫度、壓力、流量、電壓等，供熱數據的收集及對換熱站高能耗設備實時計量監測，有助于合理分析經營考核指標，降低運行成本，提高供熱管理水平，也為今后供熱智能化打下良好基礎［4］。

此次項目建設過程中，將供熱系統的可靠、安全、穩定性作為設計的首選原則。在實用性方面，系統針對熱網運行存在實際問題進行整體規劃，充分考慮到通信系統、網絡體系、硬件平臺及軟件功能必須能夠滿足整個熱網管理的需求。在可擴充性方面，系統使用的網絡協議、通訊方法、數據庫、采集控制器等均采用統一標準，使得系統兼容性、擴充性顯著提高［5］。系統設計時要求其不僅能滿足當前需求，而且可滿足將來業務增長和新技術發展要求，支持將來系統不斷更新升級。

3 改造方案

3.1 換熱站基本情況

此次改造選取鐵東換熱站及北二區換熱站作為試點換熱站進行改造。后期將根據試點換熱站運行存在問題對方案進一步優化后對其余7所換熱站依次進行改造。

鐵東換熱站位于地下室，負責鐵東小區供熱、自來水、直飲水、中水的供應，各系統切換運行及備用系統啟動均需運行工現場進行操作，站內各類型水泵均為變頻控制。北二區換熱站為地上站，站內水泵僅配備軟啟動器無法調節水泵運行頻率。此外，兩座換熱站內的壓力表、溫度表、流量計均需現場手動記錄數值，不具備遠傳和存儲功能，供熱溫度、壓力的調節需依靠運行人員手動調整閥門開度實現。總體而言，兩座換熱站無法對一次網、二次網運行參數進行實時監測，室溫調整僅依靠運行工憑借經驗調節閥門開度，且現有儀表功能單一，無水、電、熱等參數計量設備，無終端住戶室溫監測設備，換熱器等設備無保溫裝置，控制系統自動化程度低。

3.2 自動化系統總體架構及改造

自動化控制系統包括PC機（工程師站、操作站）、服務器（數據采集服務器）等。換熱站自動化系統改造其核心為確定系統溫度、壓力的采樣點及其控制邏輯。控制邏輯是換熱站自動化改造的重要環節，通過溫度傳感器、壓力傳感器、熱量表、流量表等計量儀表的安裝，可將系統運行情況進行收集匯總，并通過預先設定的溫度、壓力等控制邏輯，控制系統會自動調節電動調節閥開度、泵的運行頻率及泵的啟停狀態等，使系統運行參數趨于預設值。

溫度采集點及控制邏輯：此次換熱站自動化改造項目溫度參數采集點包括：一次網總供回水溫度、子系統一次網回水溫度、各換熱器一次網回水溫度、子系統二次網供回水溫度、各換熱器二次網供水溫度、集水器各分支回水溫度、室外溫度、室內溫度、電機表面溫度。系統供水溫度的調節主要有兩種方式，其中一種方式是根據室外溫度的高低調整系統供水溫度。采取該方式時首先需要在滿足室內溫度要求的前提下繪制室外溫度與系統供回水溫度之間的關系圖，控制系統根據收集的室外實時溫度及給定的室外溫度——供回水參數曲線自動調節一次側電動調節閥開度，以使供水溫度達到或接近設定值［6］。該方式的運行過程較為合理且相對節能，但不適用于室外溫度劇烈變化的地區或時間段，這主要是由于隨著集中供熱的不斷普及系統管網熱容量逐漸增大，使得室外溫度突變時供熱系統無法快速響應，這時需要人工提前介入對供水溫度進行調整，這也就產生了第二種調節方式，即在系統中直接設定供水溫度而不根據室外溫度設定供水溫度，系統將自動調節一次側電動調節閥開度，從而使二次側供水溫度達到或接近設定值［7］。

壓力采集點及控制邏輯：此次換熱站自動化改造項目壓力參數采集點包括：一次網總供水壓力、一次網總回水壓力、子系統一次網回水壓力、一次側除污器兩端壓力、二次側除污器兩端壓力、子系統二次供水壓力、分系統二次回水壓力、循環泵出入口壓力。供暖系統最佳調節方式是質量并調，即在改變供水溫度的同時管網循環流量也隨之改變。系統壓力的調節主要是通過壓差控制方法，即通過循環泵、補水泵變頻調節來實現。根據室外溫度設定適宜的壓差值，系統會自動調節泵運行頻率使實際壓差值達到或接近供回水壓差設定值［8］。

安裝無線室溫傳感器：選取二次網前端5%、中端10%、末端15%的熱用戶安裝無線溫度傳感器，該無線室溫傳感器內置電池可定時發送溫度參數，而后利用無線室溫接收器通過DTU傳輸模塊將實時數據傳至換熱站控制系統。換熱站根據系統界面顯示可監測熱用戶室內溫度，根據無線室溫傳感器反饋數值及時調節該二次網系統供回水溫度、壓力，從而避免能源浪費實現節能減排［9］。

換熱器保溫制作：現有換熱器采用巖棉外包鐵皮的方式進行保溫，該方式存在維修拆卸不便、恢復困難且經濟性差的問題。此次改造中換熱器選用雙面涂層硅膠布與高密度硅酸鋁制成的保溫衣外包保護層的方式進行保溫。雙面涂層硅膠布具有耐高溫、防腐蝕、強度高的特點是一種高性能、多用途的復合材料，而硅酸鋁復合保溫材料具有無毒無害、耐高溫、耐水、收縮率低、抗裂等特點。

3.3 換熱站保溫效果對比

北二區換熱站：站內有4臺管殼式換熱器，換熱器原有保溫為巖棉外包鍍鋅鐵皮，此次改造換熱器保溫使用的是雙面涂層硅膠布與高密度硅酸鋁制成的保溫衣外包鋁板外殼。改造期間，對現有保溫表面溫度、拆除保溫后換熱器表面溫度、加裝保溫衣后換熱器表面溫度、加裝鋁板外殼后換熱器表面溫度進行了測量及對比。原有保溫層表面測得43.1℃，換熱器拆除保溫后表面測得60.7℃，換熱器加裝保溫衣后表面測得33.6℃，換熱器加裝鋁板外殼后表面測得24.6℃。北二區換熱器保溫效果對比，如圖1所示。

圖1 北二區換熱器保溫效果對比

鐵東換熱站：站內有4臺板式換熱器，原換熱器未加裝保溫，此次改造換熱器保溫使用雙面涂層硅膠布與高密度硅酸鋁制成的保溫衣外包PVC外殼。改造期間對未加裝保溫的換熱器表面溫度、加裝保溫衣后換熱器表面溫度、加裝PVC板外殼后換熱器表面溫度進行了測量及對比。換熱器未做保溫表面測得60.3℃，換熱器加裝保溫衣后表面測得34.7℃，換熱器加裝PVC外殼后表面測得28.1℃。鐵東換熱器保溫效果對比，如圖2所示。

圖2 鐵東換熱器保溫效果對比

3.4 自動化系統實現的功能

此次換熱站自動化改造根據運行實際存在問題并結合現有科學技術水平的發展，通過在現有系統中安裝電動調節閥、熱量閥、遠傳溫度計、遠傳壓力表、流量計、無線室溫傳輸模塊等計量、控制儀表，系統可根據室外氣溫、用戶室內反饋溫度及時調整供熱負荷，實現“集中監控、智能調節、專業巡檢”的管理模式，系統還可對站內各運行參數進行遠程監控，為熱網經濟高效運行提供分析基礎和分析依據。該系統對于熱量的集中管理、合理調配等具有積極促進作用，為今后的節能挖潛改造提供條件，符合綠色智能供熱的發展理念，還可降低運行成本，實時掌握設備運行情況［10］。此外系統還可實現室溫實時顯示、泵的遠程啟停、各類主要數據的收集儲存、站內壓降分析、能耗分析等功能。

系統可顯示當前換熱站運行的工藝流程，并將采集到的換熱站供回水溫度、室外溫度、電機溫度、泵狀態參數、閥門開度、當前熱量等信息通過合理的布局進行展示。具有操作權限的工作人員可以登陸系統，根據自動控制系統運行情況將操作人員或系統計算分析得到的被控參數設定值（如系統供水溫度、壓力、水箱液位等）發送至相應的現場控制單元，現場控制單元通過調整泵的啟停或運行頻率、增減電動調節閥閥門開度等改變現場的控制參數數值［11］。

換熱站自動化改造另一項主要工作是完成對現場模擬量（如壓力、溫度、熱量、流量等）、狀態量（如泵的啟停狀態、水位高低狀態等）的采集、傳輸，為系統自動控制提供數據支撐。系統可以通過現場控制單元采集換熱站供回水溫度及壓力、熱耗、電耗、水耗等參數，各類數據將以數據文件的形式存儲在存儲器內［12］。采集到的各類參數可以通過數值、曲線、圖表等多種形式進行展示，便于了解當前溫度、壓力等參數的最大值、最小值及變化趨勢。系統還可以根據歷史數據形成日、周、月等多種報表，為安全運行生產、故障分析、系統改造提供必要的數據支撐［13］。

控制系統可對收集的異常數據及事件進行報警處理。操作人員根據換熱站的實際運行工況，設定供熱系統運行參數的限值，系統在運行過程中如果超過預先設定限值系統則進行報警處理［14］。這樣便可以及時發現系統存在問題，提高換熱站運行的安全性。通過故障報警功能，操作人員可方便地查看系統報警情況和各個換熱站的運行情況。當發生報警時，在報警窗中會按照設置的過濾條件實時顯示相關信息，報警信息包括報警變量描述、報警日期、報警時間、報警變量名、報警類型、報警組、報警界限［15］。

此次換熱站自動化改造在鐵東小區安裝24塊無線溫度傳感器，北二區安裝74塊溫度傳感器。傳感器安裝于具有區域代表性的樓層或住戶，如安裝于供暖管網末端住戶，或安裝于某一棟樓兩側的底層、中層、高層。無線溫度傳感器傳輸的信號被統一整合在系統中，通過界面可實時查看各傳感器所顯示溫度，便于分析室溫異常的原因并進行系統調整。

4 存在的問題及解決措施

神東礦區換熱站自動化系統已運行一個采暖期，在運行過程中逐漸暴露出現有系統存在的不足之處，根據存在問題提出了解決措施，為礦區換熱站自動化改造的進一步發展奠定了基礎。

4.1 存在的問題

遠傳溫度傳感器與就地溫度傳感器顯示數值存在偏差，采集數據失準直接導致控制系統預判信息失準，使整個系統運行偏離實際情況供熱系統水力失調問題依然存在。此次換熱站自動化改造過程中未在各供暖支網安裝電動調節閥，只能通過無線溫度傳感器反饋數值調整某一區域閥門開度以達到升溫或降溫目的，閥門調整工作量大且需反復調整。管網泄漏時無法及時查找泄漏點。換熱站自動化改造過程中未在一次網配備管網檢漏裝置，致使系統管網在出現泄漏后，由于無法及時發現泄漏點造成系統補水量大，供熱溫度無法及時提升。改造過程中車間未安裝視頻監控系統。若換熱器接合面、水泵密封處出現滴漏或車間地面出現浸水情況時無法及時發現。對運行工培訓不到位。換熱站雖然實施了自動化改造但依然需要員工進行現場巡查，且出現故障時需要員工及時維修。但由于前期培訓不到位及員工主觀能動性不強，導致故障出現時無法及時排除，加之系統連鎖保護容易致使整個供熱系統停運。

4.2 解決措施

使用已標定溫度傳感器重新比對。使用紅外溫度傳感器檢測溫度與遠傳溫度傳感器及就地溫度傳感器數值進行比對并進行調整，或關閉三通閥更換就地溫度傳感器重新進行比對。增加水力平衡調節系統。支管網中安裝電動調節閥，同時通過編程及邏輯判斷實現供熱系統自平衡，既可實現實時水力平衡又可實現節能減排。增加分布式感溫光纖檢漏裝置。在管道檢漏系統中感溫光纖既是傳輸數據的載體也是檢漏傳感器，光纖可通過溫度變化快速發現漏點。增加視屏監控功能。在車間主要設備附近安裝攝像頭并將畫面傳至控制室，便于實時了解現場運行情況［16］。對員工進行全面培訓。培訓應包含理論培訓及現場培訓，使得員工能夠獨自診斷產生故障原因并能獨自消除故障。

5 結語

隨著用戶對冬季室內舒適度的要求不斷提升，依靠人工調整供熱參數的方法依然不可取，這不僅是由于依靠人工手動調整閥門精度差且存在遲滯性，而且還由于現有供熱系統存在熱耗、水耗等能耗居高不下，系統水力失調致使冷熱不均等問題嚴重。隨著科技發展及節能環保工作的開展，現有換熱站粗獷管理模式將被逐步取締，取而代之的是向著“無人值守、集中監控、智能調節、專業巡檢”的方向發展。換熱站自動化改造可在保證用戶室內溫度的前提下大幅降低運行費用，還可降低各類能耗指標實現降本增效。