自動化控制系統(tǒng)在熱力站中應(yīng)用的經(jīng)濟性分析

趙 凱

（太原市熱力集團有限責(zé)任公司小店第一供熱分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

集中供熱是我國北方地區(qū)的主要供熱方式，而熱力站是集中供熱的關(guān)鍵樞紐。隨著環(huán)保綠色理念的推行，傳統(tǒng)的熱力站控制方式已難以滿足社會可持續(xù)發(fā)展的需求。為了降低能源消耗，實現(xiàn)熱力站的節(jié)能綠色發(fā)展，各地?zé)崃菊趯崿F(xiàn)自動化控制系統(tǒng)改造，通過自控的方式，彌補傳統(tǒng)人力控制過程中所存在的不足，在保證供暖需求的同時，提高熱力站設(shè)備控制效果，實現(xiàn)資源利用率最大化[1]。

1 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

本次以某地區(qū)105 號熱力站為例，對其控制系統(tǒng)進(jìn)行分析改造，主要目的是為了實現(xiàn)熱力站的自動化控制，通過優(yōu)化運行參數(shù)，提高供熱系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1.1 中心控制器模塊的配置

本次熱力站自動化控制系統(tǒng)中心控制器模塊選用MOX601-5002，該模塊有10/100MBase-T 以太網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)端口，并具有冗余功能，能夠滿足熱力站自動化控制系統(tǒng)操控需求。系統(tǒng)控制方式為模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊功能實現(xiàn)相互組合和擴展，MOX601-5002控制器內(nèi)置為32 位處理器，其配備有128 MB 的SDRAM，該模塊內(nèi)部包含有1 個GPIO 端口，端口能夠同步記錄順序事件中的I/O 時鐘。除此之外，MOX601-5002 控制器所擁有的接口模塊為熱插拔模塊，能夠在通電情況下進(jìn)行接線端子的鏈接和拔除，不同的接口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息有著一定的差異[2]。供電模塊主要以24 V DC 電源為主，為整個控制系統(tǒng)中心供電。

1.2 軟件程序設(shè)計

1.2.1 二次管網(wǎng)水溫的自動化控制

本次軟件程序設(shè)計是基于模糊PID 控制算法而完成的，在對二次管網(wǎng)水溫進(jìn)行調(diào)控時，室外溫度傳感器采集到室外溫度傳遞到中控系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)將測量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，得出溫度差值，將此差值輸入到模糊PID 算法當(dāng)中進(jìn)行計算，得到一次管網(wǎng)電動閥門開度調(diào)節(jié)值。然后，經(jīng)過I/O 模塊轉(zhuǎn)換為電信號，傳遞給電動閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變一次管網(wǎng)中流入換熱器中的流量，實現(xiàn)二次管網(wǎng)溫度調(diào)整。

1.2.2 循環(huán)水泵壓差控制

某地區(qū)105 號熱力站中配備有3 臺循環(huán)泵，其中，2 臺循環(huán)泵（1 號、2 號）常啟，1 臺為備用泵（3號），循環(huán)泵由變頻器控制。本次設(shè)計軟件程序邏輯如下：在1 號循環(huán)泵啟動，壓力傳感器測量二次管網(wǎng)出、回水管壓力差值后，傳遞至中央控制器中，與預(yù)先設(shè)置的壓力值進(jìn)行對比。如果測試值小于預(yù)設(shè)值，變頻器提高輸出功率，增大1 號水泵轉(zhuǎn)速，直至達(dá)到額定功率。如果測試值依舊比預(yù)設(shè)值小，變頻器將1 號循環(huán)泵切換至工頻，連接2 號循環(huán)泵進(jìn)行增壓，直至測試壓力值與預(yù)設(shè)值一致，2 號循環(huán)泵轉(zhuǎn)速保持恒定。反之，如果二次管網(wǎng)壓力測試值大于預(yù)設(shè)值，變頻器需要降低輸出功率，減小2 號循環(huán)泵轉(zhuǎn)速。如果2 號泵停止后管網(wǎng)內(nèi)部壓力值依舊大于預(yù)設(shè)值，變頻器需要切換至1 號循環(huán)泵進(jìn)行降功率控制，直至所測得的壓力值與預(yù)設(shè)值保持一致。如果1 號循環(huán)泵或2 號循環(huán)泵出現(xiàn)故障，則需要將故障泵連接線接到3 號循環(huán)泵上，確保供熱系統(tǒng)穩(wěn)定、不間斷運行。

1.2.3 補水泵自動控制

補水泵自控模式與循環(huán)水泵自控模式一致，在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，系統(tǒng)啟動后壓力傳感器會測量二次管網(wǎng)回水管壓力值，如果所測得壓力值小于預(yù)設(shè)值，補水泵變頻器開啟，啟動補水泵。同時，增大輸出功率，提高補水泵轉(zhuǎn)速，直至測試壓力值與預(yù)設(shè)值一致后，停止補水。如果測得的壓力值大于預(yù)設(shè)值，則需要降低補水泵變頻器輸出功率，減小補水泵電機轉(zhuǎn)速，進(jìn)而保證二次管網(wǎng)壓力恒定。

2 供熱效果分析

本次所設(shè)計的自動化控制系統(tǒng)主要用于某地區(qū)105 號熱力站當(dāng)中，改造前后該熱力站供熱范圍和供熱建筑沒有變化。改造時間為2021 年6 月30 日—2021 年7 月30 日。105 號熱力站主要用于某片區(qū)內(nèi)3 個小區(qū)的熱力供應(yīng)。因此，在改造完成后需要對熱力站的供熱效果進(jìn)行研究分析。本次研究在供暖初期、供暖中期和供暖末期選取改造前后2 個典型日的某房間溫度作為研究對象，典型日選取為：供暖初期選取2020 年11 月23 日和2021 年11 月30 日，這兩日該地區(qū)氣溫均為-13～3 ℃（中國氣象網(wǎng)）。供暖中期選取2021 年1 月18 日和2022 年1 月5 日，這兩日該地區(qū)氣溫均為-26～-6 ℃（中國氣象網(wǎng)）。供暖末期選取2021 年3 月22 日和2022 年3 月18 日，這兩日該地區(qū)氣溫均為-17～2 ℃（中國氣象網(wǎng)）。房間選取某小區(qū)17 樓03 室，該房間為精裝房，但并未售出，改造前后室內(nèi)家具、窗等均未發(fā)生改變。每日進(jìn)行8次溫度檢測，從00：00 開始，每隔3 h 檢測一次，檢測結(jié)果分別如圖1、圖2 和圖3 所示。

圖1 改造前后供暖初期某小區(qū)1703 室內(nèi)溫度變化情況

圖2 改造前后供暖中期某小區(qū)1703 室內(nèi)溫度變化情況

圖3 改造前后供暖末期某小區(qū)1703 室內(nèi)溫度變化情況

由圖1、圖2 和圖3 可知，在改造前，供暖前期、中期和末期典型日某小區(qū)1703 室的室內(nèi)溫度變化趨勢與室外溫度變化規(guī)律一致，因此，所測得溫度數(shù)據(jù)具有分析研究意義。改造后，1703 室在典型日的溫度變化幅度均小于改造前的溫度變化幅度，并且3 個典型日室內(nèi)溫度均處于18 ℃以上，最高溫度在24 ℃以內(nèi)。由此可見，熱力站經(jīng)過自動化控制系統(tǒng)改造后，能夠有效提高供熱效果，保證溫度平衡，提高用戶的舒適度。

3 經(jīng)濟性分析

某地供暖時間為11 月15 日—3 月31 日，共計136 d。改造之前，某地105 號熱力站運行為人工控制，二次管網(wǎng)水溫控制是由工作人員手動旋轉(zhuǎn)一次管網(wǎng)流量閥所調(diào)控，二次管網(wǎng)內(nèi)部壓力差和回水管壓力是由各管路上的閥門進(jìn)行控制，所有水泵均處于工頻狀態(tài)下運行。為了對熱力站自動化控制系統(tǒng)改造經(jīng)濟性進(jìn)行分析，本次將整個供暖季分為三個階段，其中，供暖初期為11 月15 日—12 月25 日，共計40 d；供暖中期為12 月26 日—次年2 月20 日，共計56 d；供暖末期為次年2 月21 日—3 月31 日，共計40 d。根據(jù)對改造前后典型日中控系統(tǒng)的記錄可知，水泵運行功率如表1 所示。

表1 水泵運行功率

由表1 可知，在自動化控制系統(tǒng)改造完成后，供暖前期、中期和末期典型設(shè)備輸出功率均有不同程度下降。其中，在供暖前期，循環(huán)泵以及補水泵每日消耗功率降低量為440.64 kW·h，節(jié)能率為40.8%。在供暖中期，設(shè)備每日消耗電能量降低203.04 kW·h，節(jié)能率為18.8%。在供暖末期，設(shè)備每日耗電量降低329.76kW·h，節(jié)能量為30.53%。由此可見，自動化控制系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。該熱力站所在地工業(yè)用電費用為0.65 元/kW·h。計算可得整個供暖季該熱力站節(jié)約的電能為440.64 kW·h/d×40 d+203.04 kW·h/d×56 d+329.76 kW·h/d×40 d=42 186.24 kW·h，電能成本能夠降低2.7 萬余元。

4 結(jié)論

1）從硬件和軟件方面建立自動化控制系統(tǒng)，硬件方面選用MOX601-5002 控制器作為中心控制器模塊。軟件方面分別對循環(huán)泵、補水泵二次管網(wǎng)水溫方面進(jìn)行設(shè)計分析。

2）將本文所建立的自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)105 號熱力站中，經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)：改造完成后，典型日內(nèi)某小區(qū)1703 室的室內(nèi)溫度變化更為均衡，并且溫度能夠保證在18 ℃以上，符合供暖要求。

3）某地區(qū)105 號熱力站在應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)后，整個供暖期能夠降低電能消耗量為42 186.24 kW·h，可節(jié)約電費約2.7 萬元。