熱力站節能減排中自動控制技術的應用

李勇強

（太原熱力集團有限責任公司第五供熱分公司，山西太原 030000）

過去熱力站在控制供熱量時，通常是對一次管網中的電動調節閥門開度值進行調節，簡單地說就是通過對一次管網中的流量進行調整來達到調節二次管網供水溫度的目的。但是這種調節方式會受閥門節流作用的影響，導致一些能量被白白損失，與節能減排理念嚴重不符。在科學技術高速發展的當下，此種熱力調節方式已經無法滿足熱力站的具體運行需求，所以要充分利用自動控制技術來實現熱力站的節能減排，例如變頻調節技術。在應用過程中能夠自動控制水泵，代替傳統的閥門調節，因此可有效避免閥門位置處的節流損失。

1 自動控制技術及節能原理分析

1.1 自動控制技術的系統組成

熱力站中的自動控制系統主要有變頻控制器、控制界面、PLC 系統和儀表等重要設備組成。控制界面多為觸屏結構，能夠直接與PLC 系統相連，工作人員可以通過操控控制界面來調節換熱器、變頻器、循環泵和調節閥等供熱設備，而且所有的供熱溫度、壓力等數據都會顯示在控制界面中。在自動控制系統中，PLC 系統是整個系統的核心，PLC 技術主要依托可編程邏輯控制器來實施，此控制器具有非常復雜的組成元件：CPU 處理器、通信元件、存儲器、電源、接口電路以及功能模塊等，其工作運行程序為：采樣輸入、執行用戶程序以及刷新輸出，程序每循環一次也就是控制器的一個掃描周期。在使用過程中能夠自動調節參數實現對供熱系統的自動控制，同時也能夠結合實際工作需求轉化控制方法，在自動控制和手動控制中進行隨意切換，并具有更智能的故障診斷能力，能夠實時監測控制系統中的各類運行參數是否正常，一旦發現異常會立即發出警報，方便工作人員快速判斷故障原因和故障位置，確保所有供熱設備的穩定運行。變頻控制器能夠自動控制水泵，并根據PLC 系統的信號進行相應的補水操作。儀表所顯示的數據是工作人員的主要參考數據，借助儀表指示對供熱系統進行相應調節。

1.2 變頻調速技術

若想優化調節熱力站中的水泵流量，水泵轉速是控制要點。在對水泵的轉速進行調節時，有多種調節方式可供選擇，例如液壓耦合、定子調壓以及變頻調速等，其中以變頻調速的調節方式最為普遍[1]。變頻調速技術的應用原理為：將頻率為50Hz 的交流電轉變為直流電，然后在逆變器的作用下轉換成其他頻率的交流電，因為一旦水泵電源頻率發生改變，就會同時改變水泵轉速，進而實現對水泵轉速進行優化調節的目的。水泵轉速與電源頻率的關系式如式（1）所示：

其中：n-水泵轉速，r/min；f-電源頻率，Hz；SN-電機的額定轉差大小，P-電機極對數[2]。

通過上述公式不難看出，如果電機極對數與電機額定轉差大小固定不變，那么電源頻率和水泵轉速之間存在正比關系，也就是說頻率越高轉速越大，頻率越低轉速越小。

1.3 節能原理

供熱管網擁有的阻力特征曲線與水泵擁有的特征曲線存在直接聯系，如果供熱系統的流量降低時，那么工作人員則可以通過調節閥門來進行流量控制。但是當閥門關小后，就會相應增大閥門處的摩擦阻力，進而增加整個供熱管網中的阻力，所以會在一定程度上增加水泵揚程。如果采用變頻調速的方式，就不會改變供熱管網的阻力特征曲線，水泵特征曲線僅和電機轉速有關，一旦供熱系統中流量減少時，只需適當降低電機轉速就可減少水泵揚程，因此可有效實現節能減排目標[3]。

2 熱力站自動控制系統運行原理

熱力站自動控制系統運行原理如圖1 所示。

圖1 熱力站自動控制系統運行原理

2.1 二次管網計費方式為熱計量方式

如果用熱計量方式作為二次管網的計費方式，那么可以通過調控流量來控制供熱系統的供熱量，也就是調節供水溫度。假設在二次管網中，室外溫度值與供水溫度值存在著某種聯系，那么可以借助變頻裝置調控一次管網中的水泵電機轉速，從而達到控制一次管網流量的目的，如此可有效保證二次管網中的供水溫度固定不變。

2.2 二次管網計費方式不使用熱計量方式

如果二次管網并不以熱計量方式為計費方式，同時也沒有使用變流量的方式調節循環流量，那么在二次管網中的真實循環流量通常大于設計循環流量，此時如果僅僅調節二次管網中的供水溫度，將很難有效調節供熱系統溫度。這是因為如果單純地調節二次管網中的供水溫度，就證明二次管網中的循環流量固定不變，因為循環流量明顯高于設計循環流量，所以供熱會出現明顯的超標情況[4]。在這種情況下，技術人員應該以二次管網的供回水平均溫度值作為調節參數，而非單純的二次管網供水溫度。因為室外溫度值與二次管網中的供回水平均溫度值存在函數關系，所以技術人員只需控制二次管網中的供回水平均溫度值處于設定范圍區間，即可有效保證供熱系統的供熱量滿足供熱需求。但是通常情況來說，調節供回水溫度值的難度要遠大于調節二次管網供水溫度值，這是因為二次管網通常表現一定的滯后性特征，當前測得的回水溫度并不能真實反映出二次管網的回水溫度。

3 熱力站自動控制系統運行效果分析

在自動控制系統的支持下，可以將傳統的單級循環水泵供熱系統轉化成雙級泵供熱系統，這一舉措可有效降低循環水泵的工作揚程與系統內的循環流量，如此可大大降低循環水泵功率，同時通過對循環流量的控制可實現良好的節能效果，能為供熱站創造更大的經濟利益。

以某供熱站為例，該供熱站的增壓水泵功率值為50kW，增壓水泵全天候不間斷運行，負荷均值為72%，如果按照120d 的供暖期進行計算，在使用自動控制系統后，能夠節約的電量為90252.29kW·h，那么在單個供暖周期可為供熱站節省近5 萬元的成本支出。

在自動控制系統中，系統的調節是利用閉環的方式進行完成的，能夠結合系統的熱負荷情況進行隨時的在線調節，如果系統在運行過程中出現一定偏差，自動控制系統也可以實現快速準確的調整，能夠有效保證熱力系統的安全穩定運行，同時在運行過程中可以起到顯著的節能減排效果。在自動控制技術的支持下，水泵電機轉速與運行工況被進一步優化，因此能夠有效延長水泵設備的生命周期，不僅能夠有效降低供熱站的成本支出，同時也可最大限度地節省供熱企業的設備維修和養護費用，而且在自動控制系統的作用下，供熱系統運行更平穩，最大限度地緩解了系統對電網的沖擊，有著十分顯著的社會意義。

4 熱力站自動控制技術的應用價值

4.1 有助于提高生產資源的利用率

PLC 系統與變頻調節器的聯合實現了熱力站的機電一體化建設，通過實時監測室內外溫度的變化，可以對電機的運行狀態進行優化控制，以此來動態調整能量輸出，可以在滿足居民供熱需求的基礎上最大限度降低能耗、提高生產資源的利用價值[5]。自動控制技術不僅能夠實現生產資料的最優配置，同時還能夠有效控制煙氣的排放量，提高熱力站的生產環保水平，有助于打造環境和經濟共贏的局面。

4.2 實現綠色生產目標

如今環保已經成為社會各界所關注的重點問題，熱力站在生產運營過程中也必須充分尊重環保理念，能夠結合時代的發展趨勢和社會的具體需求切實改變傳統的生產模式，需要充分利用自動化技術提高供熱系統的自動化和智能化水平，借助PLC自動控制系統動態調整生產方案，能夠高度結合各類參數的變化對生產操作進行優化調節。例如，當外界環境偏高時，自動控制系統可自動控制泵水量使其降低從而達到降低供熱的目的；而在夜間溫度偏低時，又能自動加快電機轉速來增加供熱量，確保民眾能夠時刻處于在舒適的環境中，這在滿足供熱需求的基礎上可有效降低能源消耗，真正實現供熱站的綠色生產。總的來說，無論是站在生產的角度還是站在經濟的角度，自動控制技術不僅可以提高熱力站的生產效率，同時也降低了熱力站對人力和資源的依賴，能夠有效避免資源損失，可起到顯著的節能降耗效果[6]。

綜上所述，如果供熱系統所面臨的用戶需求較為單一，那么通過采取一系列有效措施對供熱站進行調控，就可收獲到很好的節能減排效果。但是如果供熱系統相對較多而且用戶要求較為復雜，就必須構建二級調控系統，如此才能保證對供熱系統的優化調節。在調節二次管網時，通常采用質量并調的模式，不僅要保證系統的水力平衡，還要在此基礎上結合供熱系統的差異進行有針對性的調節，如此才能收獲到更好的節能減排效果。