换热站控制系统的开发与实现

1 引言

集中供热系统是城市的基础设施之一，也是城市现代化水平的标志之一。发展集中供热对节约能源、改善环境质量、提高人民生活水平都具有重要的意义。因其具有良好的社会效益、环境效益和经济效益，故而在城市发展和完善集中供热中是非常必要和迫切的。

城市集中供热信息管理调度及自动化控制系统对于保证供热系统优质供热、安全运行、经济节能、环境保护具有十分重要的作用。通过建设城市集中供热信息管理调度及自动化控制系统，可收集到全市供热工程的全部主要信息，集中监视、综合分析、协调调度、提高效率，使供热行业管理从粗放型向集约型转变，促使供热行业控制水平整体提高。

降低热能损失是供热行业节能最主要方向，本文的目的在于提供供热控制方案，通过自动控制使热损失降到最低。通过提供工艺控制功能库，保证满足负载的同时使这些设备在相应工艺条件下，发挥最大的效率，最大程度地降低能源的损耗。

2 换热站的工作原理

集中供热又称区域供热，以热水和蒸汽为载能体，通过管网为一个区域的所有热用户供热。通常是由一个和多个供热设备集中供热，例如供热锅炉、热电联产装置、温泉地热、低温供热核反应堆的热源及工业余热等。集中供热系统是由热源、热用户和热网三部分组成。热源负责制备热媒，热力网负责热媒的输送，热用户是指用热场所。集中供热系统的热用户有供暖、通风、热水供应、空气调节及生产工艺等用热系统。

各热用户用热系统的热负荷，按其性质可分为两大类:季节性热负荷和常年性热负荷。热水供热系统按系统的密闭性可分为开式和闭式两种型式。在闭式系统中，热网的循环水仅作热媒，供给热用户热量，而不从中取出使用。在开式系统中，热网循环水部分或全部从热网中取出，直接用于生产或热水供应。

由于供热系统中热用户的热负荷并不是恒定的，如供暖通风热负荷随室外气象条件变化，热水供应和生产工艺用热随使用条件等因素变化。要保证供热质量，满足各热用户要求，并使热能的制备和输送合理，就要对供热系统进行运行调节一一也就是供热调节。

在城市集中热水供热系统中，供暖热负荷是系统最主要的热负荷，甚至是唯一的热负荷。因此，在供热系统中，通常按照供暖热负荷随室外温度的变化规律，作为供热调节的依据。供热调节的目的，在于使供暖用户的散热设备的放热量与用户热负荷的变化规律相适应，以防止供暖热用户出现温度过高或过低。
根据供热调节地点不同，供热调节可分为集中调节、局部调节和个体调节三种调节方式。集中调节在热源处或供热网处进行。局部调节在换热站或热用户引入口进行，个体调节直接在散热设备处进行调节。集中供热调节容易实施，运行管理方便，是最主要的供热调节方法。

集中供热系统的换热站是供热网路与热用户的连接场所，在其内安装有与用户连接的有关设备、管道、阀门、仪表和控制装置。它的作用是根据热网工况和不同的条件，采用不同的连接方式，将热网输送的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量以满足用户的需求;同时还应根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。根据规模和设置地点不同，换热站又可分为首站、区域换热站、集中换热站和用户换热站。热力输配网络控制的重点是换热站的控制。

换热站主要完成从供热一次网到二次网的热量交换，置换出的二次网的热水温度一般在40℃~65℃之间。换热站监控系统可对热网的温度、压力、流量、开关量等进行信号采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态，及水箱液位等各个参数信息，进而对供热过程进行有效的监测和控制。在供热期间可按室外温度调节二次网供回水温度（可手动、自动切换），达到按需供热，实现气候补偿节能控制；也可以进行分时分区节能控制，实现供热全网热量平衡及节约能源。

系统结构图如图1所示。

图1 换热站的工作原理

3 换热站控制系统设计

现场PLC控制站主要由液晶显示操作终端和控制系统两部分组成。彩色液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示，并接受一些参数设定的输入信息。控制系统采用性价比较高的和利时LM系列PLC，包括CPU模块、I/O模块，背板等，系统集成多种通讯接口，适用于各种通讯网络。

现场PLC控制站主要功能是对各换热站、供热沿线各节点、热用户运行参数（一、二次网温度、压力、流量等）、各种设备运行状态进行实时监控及采集，并根据气象环境和负荷的变化按预先设定的控制策略对换热站循环泵、补水泵和调节阀进行自动调节，来实现换热机组的完全自动控制。如果有通讯网络的支撑，现场监控站还可以将反映换供热运行的数据传送到调度中心，同时接收调度中心发来的调度控制指令。

LM的连接图如图3-1所示。

图3-1 LM连接图

4 换热站控制系统的主要功能

ì 一次网电动调节阀控制

换热站控制系统具有气候补偿和恒温供水功能，即根据气候的变化自动调节供热量。应用可编程控制器（PLC），根据室外温度的变化和当地热负荷曲线，决定二级网侧的供热量，实测供热量和设定值相比较后，进行PID闭环调节，控制器输出信号至电动调节阀，调节电动调节阀的开度，从而改变一级网侧的流量，实现二级网侧供热量调节。

ì 二次网循环泵变频控制

实现二次网供/回水压力差值PID控制，从而保证最不利点正常供暖。压差设定值可根据经验参数或经验曲线进行设定。

ì 补水泵变频控制

自动补水是由二次网侧回水管路上的压力变送器检测的压力信号与控制器上回水压力设定值比较后输出一个控制信号，通过PID控制来调节补水泵的转速，从而实现二次网回水自动补给。

ì 保护功能

失压保护：二次网侧回水压力低于超低限设定值时，自动停止循环泵运行，并关闭电动调节阀，自动补水系统投入运行，开始补水。自动补水系统投入运行后二次网侧回水压力仍继续降低即发声光信号报警。

断电保护：停电后自动关闭电动调节阀，切断热源，控制器及变频器自动复位并使各种设定参数和运行状态参数保持原断电前设置。

超温保护：二次网供水温度超过80℃（操作面板可调设定值）时，一级网侧电动调节阀关闭。一次网回水温度超过70℃（操作面板可调设定值）时启动高限制保护，以一级网回水温度为目标控制电动调节阀门开度。一次网侧供水温度超过120℃时立即关闭一级网侧电动调节阀并报警。

超压保护：二次网供水压力超过设定超高限值（操作面板可调设定值）循环泵停止运行并关闭一次网侧电动调节阀。

监测水箱液位，具备报警保护功能。水箱液位为4～20mA信号输入，停补水泵信号由控制器送出，停泵水位可以人为设定。

经过搭建这样的换热站自动控制系统，最终可以实现换热站的无人值守，带来以下功能效果：

n 宏观掌握供热系统运行状况、运行质量。

n 保证供热系统的运行参数。对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决各换热站的耦合影响，消除热网水平失调，平衡供热效果。

n 以节省总供热量为目标，在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量，从而达到提高经济效益的目的。

n 更好地进行供热系统设备的维护及管理。及时检测报告供热系统故障，做到防微杜渐，防患未然。

n 为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。通过记录的热网运行历史数据，在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出主要能耗来源，为今后的节能改造提供条件。

5 结论

该套自动化集中监控系统具有以下优点：①系统完成温度、压力的自动控制，连续稳定运行；②提供完整的人机交互接口，用户可以通过现场触摸屏完成对系统的监视和操作；③通过控制算法完成供热的时间与温度曲线控值，达到节能目的。

PLC控制系统作控制站，实现了对换热站或换热机组的自动控制；实现了良好的人机对话，方便操作人员在触摸屏上了解现场的各种实时数据并进行参数设置或手动控制，同时通过PLC控制系统实现自动故障保护功能；维护人员可以直接从触摸屏上灵活组态和方便查找现场设备故障原因，达到了既显示直观又节省费用的目的。本设计经北京和利时自动化驱动技术有限公司在多个热网项目中具体实施实现，已得到了非常好的实际应用效果。

参考文献

[ 1 ]曹宏麟，换热站节能控制系统研究[J]，山西建筑

[ 2 ] 余宝法、李百红、赵海恒，供热系统的自动控制策略[J]，西南交通大学学报

[ 3 ]张潮海、柏长华等，节能控制技术在秦皇岛热网中的应用[J]，区域供热

[ 4 ] 和利时PLC——面向解决方案的PLC[J]，国内外机电一体化技术