一、前言
在城市集中供熱系統(tǒng)中，熱力站作為熱網(wǎng)系統(tǒng)面對(duì)系統(tǒng)熱用戶最后一級(jí)調(diào)節(jié)單元，熱力站的控制效果直接決定熱用戶的采暖效果。太原市熱力公司所轄城市熱網(wǎng)包含400余座熱力站，供熱面積覆蓋太原市總采暖面積的60%，所有熱力站均采用間連型熱力換熱站。
在間連熱網(wǎng)熱力站中，二次網(wǎng)供回水壓力、溫度及流量均是影響供熱效果的重要因素，而二次網(wǎng)各供參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是依靠對(duì)二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵的控制。傳統(tǒng)的熱力站控制中，循環(huán)泵與補(bǔ)水泵一般都采用工頻泵，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型時(shí)已經(jīng)決定了系統(tǒng)二次網(wǎng)的主要參數(shù)，但是相對(duì)的，系統(tǒng)的適應(yīng)性、擴(kuò)展性及各參數(shù)的精確調(diào)整均受到極大限制。
太原熱力公司自99年起，開(kāi)始逐步對(duì)太原集中供熱熱網(wǎng)的各個(gè)熱力站進(jìn)行自動(dòng)控制化改造。對(duì)于原有的熱力站，統(tǒng)一增加自控儀表、PLC及變頻設(shè)備；對(duì)于新建的熱力站，在設(shè)計(jì)時(shí)即在工藝系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入自控設(shè)備。自控系統(tǒng)輔助將熱力站的控制精確化，結(jié)合熱網(wǎng)中控室全網(wǎng)平衡系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行全網(wǎng)均勻調(diào)節(jié)，達(dá)到較好的控制效果。本文著重介紹自控系統(tǒng)及變頻器在熱力站控制中的應(yīng)用。
二、 熱力站自控系統(tǒng)構(gòu)成
間連型熱力站自控系統(tǒng)按設(shè)備類型分，可分為：溫度、壓力變送器，流量計(jì)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，循環(huán)泵及補(bǔ)水泵；按控制回路分，則可分為：一次網(wǎng)流量控制回路、二次網(wǎng)循環(huán)控制回路、二次網(wǎng)定壓回路。
在熱力站自控系統(tǒng)中，一次網(wǎng)流量控制回路主要通過(guò)調(diào)節(jié)一次回水調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。二次網(wǎng)的調(diào)節(jié)回路則是通過(guò)調(diào)節(jié)二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。一次網(wǎng)的控制指令主要由熱網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)全網(wǎng)平衡算法下發(fā)，而二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵變頻器轉(zhuǎn)速則由站內(nèi)PLC系統(tǒng)依據(jù)各熱力站所帶熱網(wǎng)的實(shí)際情況計(jì)算得出。
熱力站自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。
圖1 典型熱力站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
三、系統(tǒng)控制思想
在集中供熱工程中由于各用戶的建筑面積、暖氣片性能及房屋保溫質(zhì)量各不相同，很難確定一組典型的室內(nèi)溫度作為直接被控量，而供、回水的平均溫度從整體上反映了各用戶暖氣片的平均溫度，因此一般的供熱系統(tǒng)都是根據(jù)室外環(huán)境溫度及不同的供熱時(shí)段來(lái)控制供、回水平均溫度的方法來(lái)間接控制用戶室溫。
在太原各熱網(wǎng)控制中，由于在進(jìn)行熱力站自控改造的同時(shí)，對(duì)熱網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)也進(jìn)行了調(diào)整。目前太原各個(gè)熱力分公司熱網(wǎng)調(diào)度中心都加設(shè)了全網(wǎng)平衡系統(tǒng)，調(diào)度中心通過(guò)與個(gè)熱力站進(jìn)行通訊，獲取熱網(wǎng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)室外溫度情況對(duì)全網(wǎng)熱力站的供熱效果進(jìn)行均勻調(diào)整。
各熱力站從控制中心獲取對(duì)應(yīng)的二次網(wǎng)供回水平均溫度，站內(nèi)系統(tǒng)將獨(dú)立控制回路分為二次網(wǎng)供回水平均溫度控制回路和一次網(wǎng)流量控制回路，根據(jù)平均溫度的偏差確定一次網(wǎng)流量的設(shè)定值，然后調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度使流量達(dá)到設(shè)定值。
站內(nèi)的控制系統(tǒng)還根據(jù)熱力站的實(shí)際情況對(duì)二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵進(jìn)行調(diào)速，
系統(tǒng)根據(jù)二次網(wǎng)供、回水平均溫度的溫差，通過(guò)變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)總流量和溫度的調(diào)節(jié)。使循環(huán)水泵按照實(shí)際負(fù)荷輸出功率，減少不必要的電能損失，實(shí)現(xiàn)小流量大溫差的運(yùn)行模式。通過(guò)此舉，可以及時(shí)地把流量、揚(yáng)程調(diào)整到需要的數(shù)值上，消除多余的電能消耗，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。通常熱力系統(tǒng)會(huì)設(shè)計(jì)兩臺(tái)變頻泵，這不僅是為了系統(tǒng)備用，也是為了防止系統(tǒng)超調(diào)。如果負(fù)荷不夠，則泵的轉(zhuǎn)速加大，達(dá)到100％時(shí)還不滿足要求，則啟動(dòng)第二臺(tái)泵。同時(shí)系統(tǒng)還可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)切換各循環(huán)泵，也提供低水壓保護(hù)和連鎖功能。
控制系統(tǒng)的二網(wǎng)供、回水壓力是熱網(wǎng)安全運(yùn)行的重要參數(shù)。供水壓力過(guò)高可能造成熱水管道及用戶暖氣片的破裂；供、回水壓力過(guò)低，使得部分熱用戶無(wú)法的到足夠熱量。恒壓控制的最佳方案是對(duì)補(bǔ)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速控制，但考慮此處對(duì)壓力的穩(wěn)定性要求并不高，只要壓力不超出某一范圍即可，所以也可以采用開(kāi)關(guān)補(bǔ)水控制方案。
四、熱力站控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
1、一網(wǎng)回路控制：
熱力站的一次網(wǎng)回路控制，主要是熱負(fù)荷控制。通過(guò)控制調(diào)節(jié)一次網(wǎng)回路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)熱力站的一次熱水的流量。在全網(wǎng)控制系統(tǒng)中，全網(wǎng)控制中心根據(jù)目前室外溫度情況，參考熱源的運(yùn)行情況及各熱力站反饋的二次網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出各熱力站一次網(wǎng)控制閥門的開(kāi)度指令或二次網(wǎng)目標(biāo)控制溫度。熱力站系統(tǒng)根據(jù)全網(wǎng)控制中心下發(fā)的指令，調(diào)節(jié)一次網(wǎng)流量調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)全熱網(wǎng)的熱資源均勻分配。
一次網(wǎng)回路控制中主要的參考對(duì)象為熱力站一、二次網(wǎng)供回水溫度；一網(wǎng)控制的對(duì)象為一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥；控制目的為提供熱力站必須的供暖熱量。
2、二次網(wǎng)循環(huán)泵控制：
熱力站系統(tǒng)二次網(wǎng)循環(huán)泵是通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)速。
傳統(tǒng)熱力站系統(tǒng)循環(huán)泵通常采用工頻泵，循環(huán)泵選定后，熱力站二次網(wǎng)的流量無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，從而造成熱力站系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)室外溫度及實(shí)際供熱需求來(lái)調(diào)整，造成熱力及電力資源的浪費(fèi)。而且大功率的工頻泵在起停時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。
目前，熱力系統(tǒng)自控改造中，對(duì)15KW以上的循環(huán)泵普遍使用變頻控制。一般的循環(huán)泵均采用壓差控制方式，即循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速受二次網(wǎng)供回水壓差調(diào)整。壓差控制的方式可以通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)二網(wǎng)流量以滿足供熱需求，從而減少浪費(fèi)。
在熱力站循環(huán)泵控制中，我們采用供回水溫差結(jié)合供回水壓差控制的方式。
熱力站控制系統(tǒng)根據(jù)各系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)定一個(gè)供回水壓差目標(biāo)值。設(shè)定此供回水壓差值以滿足二次管網(wǎng)的供暖水循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，熱力站PLC系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量二次網(wǎng)供回水溫差來(lái)對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行修正。當(dāng)二網(wǎng)供回水溫差偏大時(shí)，則需提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，加大二網(wǎng)流量，提高二網(wǎng)回水溫度，改善供熱效果；當(dāng)二網(wǎng)供回水溫差過(guò)小時(shí)，需適當(dāng)降低循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，減小二次網(wǎng)的流量，實(shí)現(xiàn)小流量大溫差的運(yùn)行模式。這種調(diào)整可以起到節(jié)約電能及熱能的效果，在大型熱網(wǎng)中，這種節(jié)能手段就能取得可觀的效果。
3、二網(wǎng)定壓補(bǔ)水控制：
二次網(wǎng)的補(bǔ)水控制采用的是定壓控制，傳統(tǒng)熱力站中往往采用壓力表電節(jié)點(diǎn)控制。隨著城市集中供熱的發(fā)展，系統(tǒng)的熱負(fù)荷越來(lái)越大，熱力站系統(tǒng)所帶的供暖面積都比較大，并且供熱網(wǎng)條件不一，二網(wǎng)系統(tǒng)的水力損失較大。嚴(yán)重的水力損失使得二次網(wǎng)的補(bǔ)水系統(tǒng)壓力加大，補(bǔ)水頻繁。而傳統(tǒng)的工頻補(bǔ)水泵的頻繁起停，容易造成二次管網(wǎng)壓力的波動(dòng)。
在熱負(fù)荷較大的系統(tǒng)中，我們采用補(bǔ)水泵變頻控制，對(duì)補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行精確的微調(diào)。當(dāng)系統(tǒng)失水時(shí)，二網(wǎng)壓力下降，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)變頻器控制補(bǔ)水泵以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)當(dāng)前壓力與目標(biāo)壓力的差值均勻調(diào)整，從而避免補(bǔ)水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)對(duì)二次網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。
4.現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面
在現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面上，可以通過(guò)操作面板任意調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的各種運(yùn)行狀態(tài)，例如：一、二次網(wǎng)供回水溫度及溫差，變頻器最大最小運(yùn)行頻率等，并可隨時(shí)查閱以往運(yùn)行記錄。根據(jù)用戶要求可將當(dāng)前參數(shù)以畫面、曲線、報(bào)表的形式在屏幕上顯示。
五、熱力站自控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
在熱力站中使用變頻器及可編程控制器，充分發(fā)揮變頻器的調(diào)速和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)及可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。
通過(guò)熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn)，過(guò)去主要依靠人工調(diào)節(jié)的控制手段得到了徹底改善，熱網(wǎng)的運(yùn)行得到合理控制，失調(diào)現(xiàn)象得到了有效地解決，消除了熱網(wǎng)中各站冷熱不均的現(xiàn)象。按需供熱、節(jié)能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運(yùn)行方式，既保證了遠(yuǎn)端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過(guò)熱現(xiàn)象直接提高了熱網(wǎng)的供熱效果。
作者簡(jiǎn)介
剌慧東 男 現(xiàn)供職于山西省太原市熱力公司材料設(shè)備處，分管技術(shù)工作，兼任山西省城鎮(zhèn)供熱協(xié)會(huì)特聘電氣專家。
參考文獻(xiàn)
[1] 王亦昭、劉雄，供熱工程，機(jī)械工業(yè)出版社，2007年8月；
[2] 佚名，RTU在城市熱網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，自動(dòng)化在線，2007年；
