智能采暖控制系統的改造

程 潔

(保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

0 引言

為響應政府關于節能減排低碳管理的號召，實現國家“2030碳達峰，2060碳中和”的戰略目標，各個企業都加入了環保大軍。熱交換站作為采暖設施的重要組成部分，其蒸汽及水電能源消耗量巨大，因此，本文作者在保證某企業供熱系統穩定運行的前提下，為降低能源消耗、滿足社會發展進程的需要，融合節能減排的理念，對該企業供暖系統進行智能化改造，以實現最終的發展目標。

1 現采暖控制系統及存在的問題

某企業是生產大型設備的工業企業，廠房高大且數量多，分布不集中,每年的采暖期為11月15日至次年的3月15日,采暖方式采用汽水換熱器熱水供暖和蒸汽直接供暖兩種模式。蒸汽從電廠進入廠區蒸汽管道，在入口處安裝蒸汽流量計用以計量蒸汽總量。

原熱交換站主要處理設施包括：1臺軟化水設備；1臺儲水箱；3臺熱水循環泵；3臺汽水換熱器，單臺傳熱面積為75.3 m2；另外有2臺65 W-50補水泵用以補充系統管道損失的水壓。原熱交換站系統圖如圖1所示。

圖1 原熱交換站系統圖

在企業日常運行過程中，設備的啟動和閥門的開關都是由操作人員手動完成的，蒸汽的用量大小和閥門的開度無法根據負荷情況進行實時調節，因此，實際上整個廠區是采用24 h持續供暖的。同時，沒有相應的數據采集，無法對能源的使用情況進行數據分析，這樣，就對企業的管理制度有著非常嚴苛的要求，倘若執行力度不到位，很大程度上會造成能源的過度消耗。

換熱器采用R1123管殼式汽水換熱器，該換熱器由于使用年限較長，極易發生內漏，近年來，換熱器的維修頻率已大大升高。

2 解決方案

2.1 設計思路

針對該系統存在的問題，對其進行智能化改造。智能采暖控制系統是以S7-200/SMART CPU及模擬量輸入輸出模塊為中心的控制系統，實時監測整個系統的運行參數和運行狀態，其中包括室外溫度、供水溫度、回水溫度3個溫度測點，進行溫度采集與數字量轉換，并根據設定供水溫度，與室外溫度進行程序計算，輸出0 V～10 V信號控制蒸汽電動調節閥輸出，控制供水溫度。這樣，無論外界溫度如何變化，供水溫度都會隨之進行調節，維持供水溫度在合理的范圍內。同時，蒸汽使用量可與數據終端進行實時通訊，進行數據傳送，形成小時歷史記錄，并通過U盤存儲，方便企業隨時掌握能源使用情況并做出相應的調整。整個采暖控制系統可通過供暖循環泵啟閉進行供水溫度控制，供暖循環泵關閉，調節閥相應關閉。系統具有停電保護及停泵保護功能，停電或停止循環水泵時系統自動關閉調節閥。

2.2 改造后的系統組成

目前PLC控制系統應用最為廣泛，有著較高的可操作性和極強的可靠性。改造后的系統采用PLC模塊控制，將室外溫度、供水回水溫度以及蒸汽流量的調整量作為控制輸出，并依照一般模糊控制器來進行設計。根據室外溫度的變化及用戶設定的不同時間段對室內溫度的要求，利用室外溫度補償運算出所需的供暖水溫，運用PID調節控制規律實時與實際供水溫度比較來調節蒸汽電動閥開度，精確控制供水溫度，避免發生用戶室溫過高的現象而浪費蒸汽，實現供熱系統供水溫度與室外溫度的自動控制，滿足不同用戶對供熱的需求[1]。

改造后的熱交換站主要設施及控制原理：將原3臺熱交換器組更換成1臺10 t的循環水箱，水箱內安裝蒸汽噴射器，直接對水加熱，節約了占地面積，循環水箱視覺上更為直觀，避免內漏現象，縮短維修時間。水箱上安裝有液位傳感器及溫度傳感器，實時顯示當前水箱液位情況以及水箱內熱交換后的熱水溫度，自動調整補水排水狀態。蒸汽管道上安裝有蒸汽調節閥，其開度大小隨供水溫度的變化進行調節。采集供水溫度、回水溫度、室外溫度3個溫度，并進行顯示。

2.3 系統的運行

在整個熱水網絡啟動前，需要先開啟循環水泵，使水通過除污器將水中雜物沉淀在除污器內，沖洗時間應以循環水達到清潔為準。沖洗結束后，應拆除循環水箱出口位置的除污器，清洗干凈后再安裝好，然后給系統充軟化水。軟化水設備在使用過程中進水口應一直處于開啟狀態，如果短期不需要軟化水則可以關閉出水閥門，進水口不得關閉，并保持正常工作時的水壓；操作人員定期觀察鹽箱內鹽的剩余量，鹽少于鹽箱三分之一時補充，添加時鹽不能超過鹽箱的二分之一。

戶外網路充水完成后，即可轉入系統的啟動運行。首先開啟循環水泵，此時應在其出口閥門關閉的情況下進行，逐漸開大出口閥門，在調節過程中，網路壓力應保持穩定。網路的供水壓力為0.4 MPa～0.6 MPa，回水壓力為0.15 MPa～0.25 MPa。循環水泵運行后觀察水泵運行狀態、水箱水位及供回水壓力，保證供回水壓力達到正常狀態，循環系統正常運行。打開采暖系統蒸汽管道的兩個手動閥門，采暖系統自動調節閥門將自行打開給采暖系統加熱。此時，觀察蒸汽壓力、供回水溫度，系統將按照用戶設定的采暖溫度自動調節蒸汽閥門，整個供暖系統才算正式運行。改造后的熱交換站系統如圖2所示。

圖2 改造后的熱交換站系統

2.4 監控系統的設計

系統采用觸摸屏人機交互界面，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。觸摸屏作為替代傳統控制面板和鍵盤的智能化操作顯示器，可用于參數設置和數據顯示，以曲線等形式描繪自動化控制過程；可簡化PLC的控制程序，并對PLC控制程序進行監控和操作控制。現場將采集的溫度、開度等信息轉化為0 V～10 V的標準信號傳送至PLC，再經過比較、運算等處理后轉換成0 mA～20 mA的電流信號，驅動調節閥以滿足供暖需求。通過與PLC的數據交換，對各監測點溫度、水泵開啟情況等參數進行實時采集、分析，并向現場控制器發出控制和參數設置的指令[2]。供暖溫度根據正常供暖需求設定，供暖管道按照冬季環境溫度取補償系數為0 ℃～5 ℃，根據該廠的生產作息，夜間12點以后到次日早8點為休息時間，此時可采用節能供暖溫度，溫度仍然可按需調節。同時，當水箱水位實際顯示值低于水箱補水啟動值時，系統自動打開補水電磁閥門補水，當水箱水位升到水箱補水停止水位設定值時補水閥門自動關閉，停止補水。當水箱水位實際顯示值高于水箱排水啟動設定值時，系統自動打開排水電磁閥門排水，當水箱水位實際顯示值低于水箱排水停止設定值時排水閥門自動關閉，停止排水。當水箱水位值低于水箱保護水位設定值時，系統會自動啟動蜂鳴器報警，提示值班人員及時將循環水泵停止，防止循環水泵無水干燒。這樣便減少了由于人員操作不合理造成的能源浪費。監控主畫面如圖3所示。

圖3 監控主畫面

3 結語

企業通過節能改造，采用蒸汽直噴加熱水箱代替汽水換熱器，結構簡單、成本低、故障率低，同時減少了設備占地面積。智能采暖控制系統實現了熱交換站半自動運行，降低了人員勞動強度，解決了由于人力資源匱乏和人員技能水平不均而引發的能源浪費問題，提高了能源利用率，使經濟效益得到大幅度提升。