多模式聯(lián)合自動(dòng)化注水在集中供熱中的應(yīng)用

王 堃

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

1 概述

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，城市化腳步不斷加快，城市采暖系統(tǒng)正在成為人們生活所必須的重要保障。城市采暖系統(tǒng)分為獨(dú)用鍋爐房供熱和集中供熱兩種，集中供熱相比獨(dú)用鍋爐房供熱具有節(jié)能、環(huán)保、恒溫、清潔、經(jīng)濟(jì)、節(jié)約土地等諸多優(yōu)點(diǎn)。集中供熱已成為未來(lái)城市采暖的發(fā)展趨勢(shì)，其管理模式也在逐漸發(fā)生變化。傳統(tǒng)的管理模式一般采用有人職守的方式，值班人員24 h輪換留守所在熱力站并監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，然后再將運(yùn)行參數(shù)記錄上報(bào)給調(diào)度部門(mén)。這種管理模式效率低下，所需人員規(guī)模龐大，造成了人力資源的浪費(fèi)；而且，長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作容易使人產(chǎn)生疲勞，尤其在夜間值班，工人精力更加不易集中，極易造成事故發(fā)生，危及設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全與生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定；再者，各個(gè)熱力站通過(guò)電話進(jìn)行調(diào)度調(diào)節(jié)，無(wú)法直觀的進(jìn)行全網(wǎng)平衡，運(yùn)行調(diào)整不夠及時(shí)準(zhǔn)確，難以達(dá)到最佳的供熱效果，從而浪費(fèi)了大量能源。現(xiàn)如今的管理模式已經(jīng)向無(wú)人值守的方向發(fā)展，而自動(dòng)化控制的應(yīng)用則為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守模式提供了技術(shù)支持，使其能夠解決傳統(tǒng)管理模式的種種問(wèn)題。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、不間斷性可以最大程度的提高工作效率，節(jié)約成本。

集中供熱系統(tǒng)的熱介質(zhì)有兩種：蒸汽和熱水。熱水介質(zhì)具有熱能效率高，調(diào)節(jié)方便，蓄熱能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好，輸送距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型集中供熱項(xiàng)目之中。熱水供熱系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)中失水是不可避免的，如果不及時(shí)注水，系統(tǒng)的壓力就會(huì)下降，無(wú)法保證管網(wǎng)的正常運(yùn)行。熱水網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)會(huì)損失一部分水量，發(fā)生故障時(shí)還會(huì)增加額外的水量損失，對(duì)這些損失的水量應(yīng)及時(shí)予以補(bǔ)充。

2 現(xiàn)狀分析

集中供熱管網(wǎng)由一次網(wǎng)和二次網(wǎng)構(gòu)成。一次網(wǎng)是指從熱源到換熱站之間的部分，二次網(wǎng)是指從換熱站到用戶庭院管網(wǎng)的部分。熱介質(zhì)循環(huán)所需的動(dòng)力由循環(huán)泵提供。

一、二次網(wǎng)通過(guò)換熱站隔離開(kāi)來(lái)，相互獨(dú)立，熱量通過(guò)換熱站進(jìn)行傳遞，這樣做可以防止二次網(wǎng)發(fā)生的失壓故障影響到一次網(wǎng)壓力，進(jìn)而影響到全網(wǎng)的供熱效果。一二次網(wǎng)各自擁有一套自己的注水系統(tǒng)，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降時(shí)，其注水系統(tǒng)會(huì)將開(kāi)式儲(chǔ)水箱中的軟化水通過(guò)補(bǔ)水泵注入管網(wǎng)之中，用以保障其壓力維持在正常水平。為防止自來(lái)水中的鈣鎂離子造成的結(jié)垢影響管道使用壽命，需要先將自來(lái)水通過(guò)軟化罐制成軟化水后再進(jìn)行補(bǔ)給，這就是軟化罐注水。有些換熱站的失水量較低，可以直接使用一次網(wǎng)中的水來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，省去了軟化環(huán)節(jié)，這就是一補(bǔ)二注水。

熱力站目前采用的注水方式如圖1所示。

在使用中，熱力站一般采用單一的注水方式，或采用軟化罐注水，或采用一補(bǔ)二注水。無(wú)論采用哪種方式注水，其補(bǔ)水原理都是相似的，都是先在水箱上部開(kāi)辟進(jìn)水口，然后在進(jìn)水口處安裝浮球閥用以控制其進(jìn)水量。補(bǔ)水泵會(huì)根據(jù)安裝于二次回水管路上的壓力變送器執(zhí)行注水操作，當(dāng)壓力值小于設(shè)定值下限時(shí)啟泵，當(dāng)壓力值不小于設(shè)定值上限時(shí)停泵。

熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、PLC控制柜構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集傳感器包括溫度變送器、壓力變送器、超聲波流量計(jì)，負(fù)責(zé)將運(yùn)行參數(shù)采集并傳回PLC柜。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)換熱器出口處一次回水管道的流量大小，起到調(diào)節(jié)二次網(wǎng)水溫的作用。PLC柜是站內(nèi)自控系統(tǒng)的核心，它通過(guò)接收各項(xiàng)傳感器回傳的參數(shù)，將站內(nèi)運(yùn)行信息實(shí)時(shí)投放到觸摸屏幕上，并可以自行分析和判斷所要執(zhí)行的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化注水、自動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小等行為，也可對(duì)水泵輸出頻率的大小進(jìn)行設(shè)置。

3 多模式聯(lián)合自動(dòng)化注水的實(shí)施方案

3.1 管道與設(shè)備改造

將三種注水方式進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)水側(cè)，分別為一次網(wǎng)進(jìn)水側(cè)和軟化罐進(jìn)水側(cè)。一次網(wǎng)進(jìn)水側(cè)從一次回水管上開(kāi)口并連接管路，其上安裝電動(dòng)關(guān)斷閥A；軟化罐進(jìn)水側(cè)從軟化罐出口處連接管路，其上安裝電動(dòng)關(guān)斷閥B。之后將兩路管道合并，并在合并的管道上安裝電磁閥和電動(dòng)關(guān)斷閥E。然后再將管路分開(kāi)，設(shè)計(jì)兩個(gè)出水側(cè)，分別為二次網(wǎng)出水側(cè)和水箱出水側(cè)。分開(kāi)后的管路一趟分支連接二次網(wǎng)進(jìn)水側(cè)，其位置為二次回水管路循環(huán)泵入口前，并于其上安裝電動(dòng)關(guān)斷閥D；另一趟分支連接開(kāi)式儲(chǔ)水箱上方成為其進(jìn)水口，并于其上安裝電動(dòng)關(guān)斷閥C。

另外，將補(bǔ)水泵出口處至二次回水管路循環(huán)泵入口前的管道上安裝電動(dòng)關(guān)斷閥F，并在蓋發(fā)明之前引一趟管路與一次回水管路相連，并在其上安裝電動(dòng)關(guān)斷閥G。

改造后的注水方式如圖2所示。

3.2 自動(dòng)化改造

將電磁閥、電動(dòng)關(guān)斷閥全部接入PLC柜中。

通過(guò)PLC的模擬量輸入模塊采集壓力變送器的壓力值與液位變送器的液位值，通過(guò)PLC的數(shù)字量輸出模塊控制電磁閥、電動(dòng)關(guān)斷閥、補(bǔ)水泵的開(kāi)關(guān)(啟停)操作。

編寫(xiě)PLC控制程序，根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)作為參考用以控制電磁閥、電動(dòng)關(guān)斷閥、補(bǔ)水泵的相關(guān)操作，相關(guān)報(bào)警點(diǎn)，制定出直接一補(bǔ)二注水、間接一補(bǔ)二注水、軟化罐注水、二補(bǔ)一注水四種操作程序。

編寫(xiě)PLC觸摸屏程序，使之能夠顯示出電磁閥操作狀態(tài)、各電動(dòng)關(guān)斷閥操作狀態(tài)、補(bǔ)水泵操作狀態(tài)。加入選擇控件，通過(guò)選擇控件對(duì)四種注水程序進(jìn)行切換。加入操作窗口，通過(guò)操作窗口可以設(shè)置相關(guān)報(bào)警點(diǎn)與定壓點(diǎn)。

4 多模式聯(lián)合自動(dòng)化注水的模式與功能

4.1 直接一補(bǔ)二注水模式

在此模式下，電動(dòng)關(guān)斷閥ACFG關(guān)閉，電動(dòng)關(guān)斷閥BD開(kāi)啟，一次網(wǎng)中的水直接注入二次網(wǎng)。電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E的控制關(guān)聯(lián)二次網(wǎng)回水壓力值，當(dāng)壓力值低于定壓點(diǎn)下限時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E，當(dāng)壓力值上升至定壓點(diǎn)上限時(shí)，關(guān)閉電磁閥，當(dāng)電磁閥失效壓力值上升至壓力報(bào)警點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)關(guān)斷閥E并報(bào)警。

4.2 間接一補(bǔ)二注水模式

在此模式下，電動(dòng)關(guān)斷閥ADFG關(guān)閉，電動(dòng)關(guān)斷閥BC開(kāi)啟，一次網(wǎng)中的水先注入開(kāi)式儲(chǔ)水箱，再通過(guò)補(bǔ)水泵注入二次網(wǎng)。電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E關(guān)聯(lián)水箱液位值，當(dāng)水箱液位低于定壓點(diǎn)下限時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E，當(dāng)水箱液位上升至定壓點(diǎn)上限時(shí)，關(guān)閉電磁閥，當(dāng)電磁閥失效水箱液位繼續(xù)上升至液位報(bào)警點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)關(guān)斷閥E并報(bào)警。補(bǔ)水泵啟停關(guān)聯(lián)二次回水壓力值與水箱液位值，當(dāng)二次回水壓力值小于設(shè)定值下限時(shí)啟泵，當(dāng)二次回水壓力值不小于設(shè)定值上限時(shí)停泵；當(dāng)水箱液位值不大于報(bào)警點(diǎn)時(shí)暫停注水操作并強(qiáng)制停泵，當(dāng)水箱液位值大于報(bào)警點(diǎn)時(shí)恢復(fù)注水操作。

4.3 軟化罐注水模式

在此模式下，電動(dòng)關(guān)斷閥BDFG關(guān)閉，電動(dòng)關(guān)斷閥AC開(kāi)啟，軟化罐制水后先注入開(kāi)式儲(chǔ)水箱，再通過(guò)補(bǔ)水泵注入二次網(wǎng)。電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E關(guān)聯(lián)水箱液位值，當(dāng)水箱液位低于定壓點(diǎn)下限時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E，當(dāng)水箱液位上升至定壓點(diǎn)上限時(shí)，關(guān)閉電磁閥，當(dāng)電磁閥失效水箱液位繼續(xù)上升至液位報(bào)警點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)關(guān)斷閥E并報(bào)警。補(bǔ)水泵啟停關(guān)聯(lián)二次回水壓力值與水箱液位值，當(dāng)二次回水壓力值小于設(shè)定值下限時(shí)啟泵，當(dāng)二次回水壓力值不小于設(shè)定值上限時(shí)停泵；當(dāng)水箱液位值不大于報(bào)警點(diǎn)時(shí)暫停注水操作并強(qiáng)制停泵，當(dāng)水箱液位值大于報(bào)警點(diǎn)時(shí)恢復(fù)注水操作。

4.4 二補(bǔ)一注水模式

在此模式下，電動(dòng)關(guān)斷閥BCD關(guān)閉，電動(dòng)關(guān)斷閥FG開(kāi)啟，軟化罐制水后先注入開(kāi)式儲(chǔ)水箱，再通過(guò)補(bǔ)水泵注入一次網(wǎng)。電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E關(guān)聯(lián)水箱液位值，當(dāng)水箱液位低于定壓點(diǎn)下限時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥E，當(dāng)水箱液位上升至定壓點(diǎn)上限時(shí)，關(guān)閉電磁閥，當(dāng)電磁閥失效水箱液位繼續(xù)上升至液位報(bào)警點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)關(guān)斷閥E并報(bào)警。補(bǔ)水泵啟停關(guān)聯(lián)一次回水壓力值與水箱液位值，當(dāng)一次回水壓力值小于設(shè)定值下限時(shí)啟泵，當(dāng)一次回水壓力值不小于設(shè)定值上限時(shí)停泵；當(dāng)水箱液位值不大于報(bào)警點(diǎn)時(shí)暫停注水操作并強(qiáng)制停泵，當(dāng)水箱液位值大于報(bào)警點(diǎn)時(shí)恢復(fù)注水操作。

5 結(jié)語(yǔ)

采用多模式聯(lián)合自動(dòng)化注水后，三種注水方式均使用電磁閥與電動(dòng)關(guān)斷閥控制進(jìn)水，電磁閥作為主要控制手段，可精準(zhǔn)控制水箱液位，電動(dòng)關(guān)斷閥作為保險(xiǎn)，在電磁閥發(fā)生故障失效時(shí)，可強(qiáng)制切斷注水，防止水箱發(fā)生溢流事故。在大量用水時(shí)，比如供暖前準(zhǔn)備階段對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行注水時(shí)，可使用軟化罐注水；在正常供暖期間，當(dāng)管網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)跑水時(shí)，可使用間接一補(bǔ)二注水，既能節(jié)約人力成本還能避免因二網(wǎng)跑水造成一網(wǎng)壓力不穩(wěn)；當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，直接使用一補(bǔ)二注水，節(jié)約能耗成本。當(dāng)一次管網(wǎng)突發(fā)跑水事故，管網(wǎng)壓力急劇下降，一次網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)已無(wú)法維持正常壓力，大面積供熱系統(tǒng)陷入癱瘓時(shí)，需要多個(gè)熱力站緊急開(kāi)啟二補(bǔ)一進(jìn)行臨時(shí)注水，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)主管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在此前，熱力站運(yùn)行時(shí)采用單一的注水方式，如需變更則需要?jiǎng)佑煤腹ご蟾墓苈罚渲挟a(chǎn)生了大量的材料成本、人力成本以及時(shí)間成本。而現(xiàn)在，只需在PLC柜上點(diǎn)擊觸摸屏切換相應(yīng)注水程序就可以實(shí)現(xiàn)注水方式的切換操作，相關(guān)閥門(mén)操作依靠程序設(shè)定自動(dòng)完成。采用多模式聯(lián)合自動(dòng)化注水極大地提高了工作效率，在減少人工，提升精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作方面效果顯著。在使用中，可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整注水方式。