城市集中供熱系統(tǒng)的調(diào)控原理與熱網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

自從我國(guó)城市提供集中供熱系統(tǒng)以來，城市集中供熱行業(yè)取得了較大的進(jìn)展。其中熱網(wǎng)控制自動(dòng)化的發(fā)展最為顯著。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，熱網(wǎng)控制系統(tǒng)一改以往陳舊、落后的供熱方式，逐步改用了自動(dòng)化控制方式，為城市居民在寒冷冬季的可靠供熱提供了技術(shù)保證。

一、城市集中供熱系統(tǒng)及調(diào)控基本原理

我國(guó)的城市集中供熱系統(tǒng)與國(guó)外的供熱系統(tǒng)相比存在著著極大的差距，這種差距尤其體現(xiàn)在熱網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制上。

現(xiàn)階段，國(guó)外先進(jìn)的熱網(wǎng)控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完善的自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠通過信息網(wǎng)絡(luò)管理、控制熱網(wǎng)，而受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件的制約，我國(guó)的熱網(wǎng)自動(dòng)化控制尚處于初級(jí)階段，各方面的技術(shù)水平、實(shí)踐能力都難以與國(guó)外的供熱系統(tǒng)相比擬，且目前我國(guó)的自動(dòng)化技術(shù)在城市集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展速度比較遲緩。但是，隨著全球化趨勢(shì)的不斷擴(kuò)大，世界各國(guó)間的科學(xué)技術(shù)將得到極大程度的傳播，我國(guó)熱網(wǎng)自動(dòng)化控制形式不斷多樣化，水平不斷提升，設(shè)備越來越先進(jìn)，并且逐漸得到了更廣泛的應(yīng)用。目前，典型的集中供熱系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

本文以某市熱力公司所使用的集中供熱系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹熱網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)所蘊(yùn)含的原理。該公司的熱力自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括熱源廠和熱網(wǎng)中的熱力站兩個(gè)部分，熱網(wǎng)含蓋了71個(gè)設(shè)置了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的熱力站。該系統(tǒng)成功完成了對(duì)全部熱力站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，既包括了其對(duì)站內(nèi)各個(gè)一次網(wǎng)回水電動(dòng)閥門的控制，也包括了中央控制室對(duì)熱力站及其全網(wǎng)的調(diào)控。該城市供熱自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要功能如下：

1.熱源廠中心控制室

熱源廠主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程觀測(cè)71個(gè)熱力站內(nèi)各個(gè)儀器設(shè)施的利用實(shí)施狀況，通過使用無線通訊儀器，將各個(gè)熱力站中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)收集，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的比對(duì)研究，在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上給出正確的結(jié)論。接著，將這些結(jié)論通過遠(yuǎn)程輸送、控制的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱網(wǎng)系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)，使其達(dá)到全面水力平衡。

2.各個(gè)小區(qū)熱力站

每個(gè)小區(qū)熱力站一般是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度值對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。此外也可以直接使用前一系統(tǒng)傳達(dá)的指令，來完成對(duì)一次網(wǎng)回水閥門的調(diào)節(jié)管理。

3.通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)最主要的功能是完成熱力站和中心控制室之間相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸、配置。

二、熱網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行

熱力站的調(diào)節(jié)控制能力強(qiáng)弱直接影響著熱網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，進(jìn)而影響著城市集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)劣。現(xiàn)階段，大多數(shù)大規(guī)模的城市集中供熱系統(tǒng)都是在眾多熱力站調(diào)節(jié)控制的基礎(chǔ)上，才得以統(tǒng)一二次網(wǎng)的供水和回水的平均溫度，進(jìn)而使得城市集中供熱系統(tǒng)所提供的目標(biāo)室溫基本趨于一致。一般而言，這種調(diào)節(jié)方式被稱作是“均勻性調(diào)節(jié)”.簡(jiǎn)單來說，均勻性調(diào)節(jié)是一種以各個(gè)熱力站的二次網(wǎng)供水溫度、回水溫度趨于相同為目標(biāo)的調(diào)節(jié)控制模式，其可以通過對(duì)每個(gè)熱力站一次網(wǎng)回水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的管理控制，完成城市集中供熱系統(tǒng)中對(duì)各個(gè)熱力站所涉用戶平均供熱的目標(biāo)。這種模式可以成功避免了對(duì)遠(yuǎn)離熱源端用戶無法實(shí)現(xiàn)足夠供熱的問題，也防止了部分用戶因緊靠熱源端而獲取過多熱量的問題。均勻性調(diào)節(jié)模式的使用可以大大節(jié)省能源的使用量，以最少的能源資源投入量，獲取最佳的供熱效果，為城市居民的生活提供了極大的便利，提高了人們的生活質(zhì)量與水平。

同時(shí)，為了更好的達(dá)到均勻性調(diào)節(jié)的目標(biāo)，現(xiàn)代城市集中供熱系統(tǒng)還采用了一種適合均勻性調(diào)節(jié)的軟件-全網(wǎng)平衡控制軟件和組態(tài)軟件，將這兩款軟件完美的組合在一起搭配使用，能到達(dá)事半功倍的效果。組態(tài)軟件具有善于利用通訊系統(tǒng)傳輸給各個(gè)熱力站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)只要包括了每個(gè)被控?zé)崃φ镜囊?、二次網(wǎng)供回水溫度與壓強(qiáng)、一次網(wǎng)回水流量和回水相關(guān)電動(dòng)閥門的具體參數(shù)等。而全網(wǎng)平衡軟件則可以依據(jù)上述采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，在進(jìn)行一系列科學(xué)運(yùn)算之后，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制一次網(wǎng)回水電動(dòng)閥門的流量。

第一，位于中央控制室的上位機(jī)具有一定的控制能力，其一般采用的是一臺(tái)穩(wěn)定的、適應(yīng)性強(qiáng)的、質(zhì)量?jī)?yōu)異的工控機(jī)。

在工控機(jī)內(nèi)配置了能夠適應(yīng)具體實(shí)際情況的組態(tài)軟件，該軟件可以很好的采集每一個(gè)熱力站對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)畫面。另外，工控機(jī)上還配有能夠與組態(tài)軟件進(jìn)行協(xié)調(diào)使用的全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)軟件。如此一來，只要利用組態(tài)軟件中所提供的各個(gè)熱力站的實(shí)時(shí)畫面，相關(guān)技術(shù)人員就能收集到二次網(wǎng)供回水的具體穩(wěn)定，再利用全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)軟件進(jìn)行合理運(yùn)算，即可得到一個(gè)科學(xué)的平均目標(biāo)溫度。在實(shí)際使用過程中，一旦出現(xiàn)熱力站的二網(wǎng)供回水的均溫超過了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)溫度的情況，組態(tài)網(wǎng)就會(huì)立即將回水電動(dòng)閥門關(guān)小，用以降低不熱站不必要的熱量損失。

第二，熱力站中的自動(dòng)控制系統(tǒng)在整個(gè)城市集中供熱系統(tǒng)中屬于最基本的組成部分，其運(yùn)行效果的好壞也直接影響著供熱系統(tǒng)供熱的強(qiáng)弱。在熱力站中，其自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由如下設(shè)備構(gòu)成：

1.測(cè)量?jī)x器

測(cè)量設(shè)備主要包括了每個(gè)熱力站系統(tǒng)內(nèi)的一、二次網(wǎng)供回水溫度變送器及其壓力變送器，二次網(wǎng)中使用的用以傳輸?shù)难a(bǔ)水表和一次網(wǎng)中使用的回水流量器。

2.熱力站內(nèi)使用的設(shè)備

站內(nèi)的運(yùn)行設(shè)備主要由集中供熱系統(tǒng)中的循環(huán)泵及變頻器、二次網(wǎng)補(bǔ)水泵、一次網(wǎng)回水調(diào)節(jié)閥及加壓水泵、電磁閥等構(gòu)成。

3.熱力站內(nèi)的自動(dòng)控制器

現(xiàn)階段，我國(guó)各大城市熱網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，一般采用技術(shù)最先進(jìn)的控制器。

4.通訊設(shè)備

目前的通訊設(shè)備主要是無線GPRS通訊傳輸儀器。

第三，在整個(gè)城市集中供熱系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)屬于連接樞紐，其直接負(fù)責(zé)各個(gè)熱力站和中央控制室之間的數(shù)據(jù)傳輸，以此來確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸和上層命令的接受。目前，主要的傳輸通訊方式為光纖、ADSL、GPRS等。各個(gè)熱力公司可以綜合考慮本公司的具體地理位置、使用成本和便利性等問題，選擇最佳的通訊傳輸方式，以實(shí)現(xiàn)最大程度的供熱目標(biāo)。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，熱網(wǎng)系統(tǒng)是最穩(wěn)定的系統(tǒng)之一，其中控室內(nèi)上位機(jī)的各個(gè)部件的運(yùn)行也相對(duì)穩(wěn)定。在熱網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)工作中，應(yīng)該對(duì)一些精密設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的密封，確保各類儀器能夠正常使用。

三、熱網(wǎng)自動(dòng)化控制的監(jiān)控系統(tǒng)組成

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：一是監(jiān)控中心；二是通訊網(wǎng)絡(luò)；三是控制節(jié)點(diǎn)（詳見圖2）。

（1）監(jiān)控中心作為監(jiān)控系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分，主要負(fù)責(zé)選擇全網(wǎng)的控制模式與運(yùn)行形式，促進(jìn)熱網(wǎng)自動(dòng)化控制達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，監(jiān)控中心也具備了圖形、流程、數(shù)據(jù)等的打印功能，確保每個(gè)環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)化操作。

（2）通訊網(wǎng)絡(luò)主要用于連接監(jiān)控中心與控制節(jié)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面控制，從而保證熱網(wǎng)在預(yù)定溫度目標(biāo)值下安全、有效、穩(wěn)定的運(yùn)行。

（3）控制節(jié)點(diǎn)是熱網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的終端和執(zhí)行端，通過通訊網(wǎng)絡(luò)，控制節(jié)點(diǎn)一方面向監(jiān)控中心反饋信息，一方面接受來自監(jiān)控中心的指令，完成自動(dòng)調(diào)節(jié)。

四、熱網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)行的重大意義與總結(jié)

當(dāng)前，城市集中供熱系統(tǒng)中的熱網(wǎng)控制自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，主要通過中控室的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，使各大熱力站得以更好的發(fā)揮作用，從根本上防止遠(yuǎn)離熱源的用戶得不到充足熱量的狀況，也避免了緊靠熱源的用戶出現(xiàn)過熱的情況，使得熱網(wǎng)能夠自動(dòng)呈現(xiàn)一個(gè)比較均勻的溫度狀態(tài)。與此同時(shí)，在熱網(wǎng)自動(dòng)化控制實(shí)施階段，也要全面整治各種弊病。例如，在進(jìn)行全網(wǎng)平衡軟件調(diào)節(jié)時(shí)，循環(huán)泵變頻器并未納入自動(dòng)調(diào)控過程，這就容易出現(xiàn)熱網(wǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的單一性，阻礙了城市集中供熱系統(tǒng)全面的發(fā)揮作用。其次，在使用現(xiàn)代通訊技術(shù)時(shí)，也要注意信號(hào)可能會(huì)干擾數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。

因此，在進(jìn)行熱網(wǎng)自動(dòng)化控制實(shí)施過程中，要盡量避免這些不穩(wěn)定性，保證熱網(wǎng)控制系統(tǒng)可以順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而確保城市集中供熱系統(tǒng)順利發(fā)揮作用。

綜上所述，要想全面實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的自動(dòng)化控制，首先必須善于充分利用現(xiàn)代供熱領(lǐng)域中最新的研究成果，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，完善城市的集中供熱系統(tǒng)。同時(shí)，在熱網(wǎng)自動(dòng)化條件過程中，還必須克服各種弊端，在總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)已知問題，設(shè)計(jì)出更加合理的供熱系統(tǒng)，以保證全網(wǎng)更好的實(shí)現(xiàn)供熱，為城市居民提供更高質(zhì)量的生活水平，促進(jìn)城市化進(jìn)程的加速發(fā)展。