热力站节能控制系统

陈青峰 童 灵 傅铭峰

(浙江中控自动化仪表有限公司，杭州 310052)

热力站节能控制系统

陈青峰 童 灵 傅铭峰

(浙江中控自动化仪表有限公司，杭州 310052)

以现阶段中国北方集中供热系统存在的问题为出发点，提出了集中监控、热力站内自控、通信支撑、监控中心构建及节能优化算法实现等解决方案。

自动控制 热力站 DCS 集中监控 节能优化

中国的北方地区(秦岭、淮河以北)地处寒温和温湿带，需通过取暖度过寒冷漫长的冬季。目前，中国北方城镇建筑近60%采用不同规模的集中供热系统供热。

欧洲各国在推进供热系统的节能过程中，一直是坚持按整套系统综合考虑的，也就是在以信息化带动工业化的时代背景下，通过提高系统整体运行的能效指标实现供热系统的整体节能。

现有中国大部分的集中供热系统并未采取集中监控的方式，而是在热力站内配备管理人员(站长)，负责仪器和设备的调节。为此，浙江中控自动化仪表有限公司提出并设计了一套热力站节能控制系统，通过自动化技术、集中监控技术和节能优化算法，实现供热系统的整体优化和节能增效。

1 系统构成①

笔者阐述的是一套具有无人值守、供热优化及节能降耗等特点的热力站节能控制系统(图1)，系统整体分为现场层、控制层、通信层和管理层，其中，管理层又可分为热力站监控中心和供热优化算法，具体如下：

a. 现场层。包含调压阀、泵、压力变送器、温度传感器及流量计等一次仪表，还包含热量表、电量表等计量仪表，也可部署视频监控摄像机等。

b. 控制层。通过可组态的控制器，实现站内的循环、补水、供温的自动/手动调节，也可接收来自监控中心的控制信号，用于远程操控。在本系统中，选用了可便捷组态的HRC6000热力站控制器作为站内自控系统的核心。

c. 通信层。包含有线(ADSL+VPN)和无线(4G)两种方式，是整套系统互联互通的关键。

d. 热力站监控中心。包括数据监控服务器和中心管理服务器，并部署有相应的系统软件。

e. 供热优化算法。使用热网平衡优化算法，与热力站集中监控无缝链接，实现系统的自动调节、整体优化和节能运行。

图1 热力站节能控制系统层次结构简图

2 热力站控制系统

热力站分布在城市各处，它通过换热器将一次管网中的高温热水转换成进入住户房间散热器的低温热水。同时，热力站内设有独立的增压系统(循环泵)和补水系统(补水泵和补水水箱)，用于调节二次管网的水压和水量[1]。热力站工艺流程如图2所示。

图2 热力站工艺流程

选用HRC6000热力站控制器(图3)作为热力站控制系统的站内控制设备，该款控制器是面向供热领域的一体化控制设备，拥有行业集成、运行稳定、组态便捷及贴近实用等特点。

图3 热力站控制器构成模块

HRC6000热力站控制器采用32位微处理器和7英寸TFT彩色触摸式液晶显示屏，内置64MB NAND FLASH作为历史数据的存储介质，拥有16路模拟量万能输入和16路电流输入、28路开关量输入、4路脉冲量输入、32路开关量输出、100mA配电输出，拥有RS485和RJ45以太网通信接口，同时，前方面板防护等级符合IP65的要求，可满足热力站内的使用需求。

HRC6000热力站控制器在软件设计上充分考虑热力站的运行特点，将复杂的控制逻辑抽取成行业集成算法，包括：加泵减泵逻辑算法、泵低频保护算法及气候补偿算法等，并配合业务引导式组态软件，实现热力站自控逻辑的便捷组态。由于HRC6000热力站控制器对复杂逻辑的封装，使得工程人员即使不能掌握复杂的组态编程，也可借助“业务引导式”组态软件，通过功能勾选等方式完成组态功能设置。业务引导式组态软件如图4所示。

图4 业务引导式组态设置界面

HRC6000热力站控制器可实现的主要功能如下：

a. 自动控制功能，包括循环自控、补水自控及调节阀/增压泵自控等；

b. 保护功能，包括超温保护、超压保护、失压保护、上下限保护、延时启泵保护、补水低频运行保护及防汽化保护等；

c. 切换功能，包括时间控制、轮换控制及检修控制等；

d. 联锁功能，包括失压联锁、断电联锁、自动泄压联锁、泵阀联锁、补水联锁及水箱液位联锁等；

e. 程序控制功能，可制定节能模式，分时段运行供暖控制程序；

f. 报警功能，包括主动力电失电/缺相报警、泵故障报警、循环泵全停报警、站内非法闯入报警、控制柜的柜门开启、物理量过高或过低报警；

g. 其他功能，包括现场设备间的交互控制、站内数据(电量、水量、热量)的采集和结算、就地控制及远程控制等。

3 系统通信网络

由于热力站分散在城市各处，在热源、热力站和热力管网监测节点与监控中心之间，需要有一套稳定可靠的数据通信网络来支持广域网上的数据传输，实现对各运行系统的监测、控制、调度和管理。通信网络分为有线和无线两套解决方案，可采取有线、无线共存的通信方式，其网络架构如图5所示。

图5 有线/无线通信网的架构简图

有线通信网络。监控中心需要一个固定IP地址(或固定域名)，各站点通过通信运营商网络平台(如ADSL)，并借助拥有VPN功能的路由器，使各个子站通过VPN隧道协议连入监控中心，从而使监控中心与各热力站之间构成一套稳定的实时通信专网。

无线通信网络。对于部分通过有线方式接入困难的热力站，可使用无线通信网络，与有线方式类似，监控中心也需要一个固定IP地址(或固定域名)，并借助运营商的移动通信网络(一般使用4G网络)，使用无线终端自带的VPN功能，构建一套稳定的实时通信专网。

4 热力站监控中心

监控中心即为中心控制站(图6)，主要由监控服务器、中心服务器、操作员工作站、工程师站、防火墙、通信网关、以太网交换机、液晶电视墙、打印机及UPS电源等硬件设备所组成。其核心作用是通过集中监控系统统一管理全系统的运行状态、总供热量及总循环流量等参数，并拥有远程操控热力站内设备运行的功能。

在数据监控服务器和中心管理服务器上，部署SCADA数据监控软件和综合运行管理平台。SCADA数据监控软件负责数据监控、断线续传及流程图监控等功能，并支持有线和无线两种通信连接方式。综合运行管理平台负责数据查询、对比分析、报警提醒、能耗考核、GIS地理信息平台及优化算法注入接口等功能。其中，能耗考核模块通过耗能结算、供热面积管理、能耗报表及能耗排名等功能，使各热力站的能耗对比情况一目了然，从而为节能管理提供数据依据。

图6 监控中心总体层次结构

5 供热优化算法

基于热力站控制系统、系统通信网络、热力站监控中心三大模块的构建，使优化算法注入节能控制系统成为可能，本节将对供热优化算法进行详细阐述。

5.1使用集中监控后的管理模式

使用集中监控系统后，调度监控中心采用的策略是中央监测、现场控制。中央管理工作站主要负责检测显示热网参数(必要时可直接切换成远程控制)和各站的协调，而每个热力站独立地工作。

各热力站采取站内无人值守的管理模式，由热力站控制器完成站内的控制操作；由监控中心值班人员对热力站远程进行参数调整；由机动巡检维护人员对热力站进行故障排查，并由热力站巡检管理系统对机动巡检人员的工作进行考核。以此形成对热力站的自动控制和管理。

5.2该模式存在的问题

在该管理模式中，将各个热力站视为相互独立的控制单元，由各站的控制器独立地对站内设备进行控制和调整，而忽视了热源(锅炉)、网管远近分布和邻近热力站对本热力站的影响，缺乏系统的全局性考虑。

热力站系统是一套耦合性较强的系统，当操作人员手动控制某一阀门动作时，可能会对邻近的热力站、远端的热力站的管网流量产生影响，而后通过回水对热源产生影响，而诸多的耦合因素是操作人员无法估计的。

热力站各自调节，缺乏全局性、系统性的计算，是热力站控制系统的瓶颈，由此，设计和使用了一套热网平衡优化算法，并通过优化算法注入接口，与集中监控系统实现交互数据的对接，以此解决该管理模式存在的问题。

5.3热网平衡优化算法的实现

简单地说，热力站平衡算法就是考虑各热力站、管路输送时间、区域性优化方案和其他诸多因素，通过热源(锅炉)的实时和历史数据，由热网平衡优化算法计算出执行要求，并将执行要求发送至各热力站内的控制系统，从而达到整体节能的目的。

目前，热力站节能控制系统作用于各热力机组相关的控制对象为：质调节(二网温度)和量调节(二网流量)。质调节由二网供温的设定值控制一网变频或阀门开度控制，如图7所示。量调节则由二网供回压差的设定值控制二网循环泵系统，如图8所示。

图7 热网平衡质调节

图8 热网平衡量调节

平衡调节的相关策略如下：

a. 当热源充足时，各机组按配置的控制策略，执行节能控制调节。当热源不足时，需要整体降负荷，以此达到平衡的目的。

b. 用户可为每个机组设定“启用流量控制”或“启用二网温控”，在不同的选择情况下，组态界面也不相同。

c. 当热源不足时，按照优先级进行协调摊派，修正设定值。

d. 系统可为每个机组配置组策略，组策略为最高权限。

平衡调节的设定方式如下：

a. 周期性地向某一数据点下发某一数据值，并维持设定时间长度，维持时间结束后，可回归原先值或保持当前值；

b. 定时向某一数据点下发某一数据值，并维持设定时间长度，维持时间结束后，可回归原先值或保持当前值；

c. 检查策略间是否存在冲突。

5.4节能效果

浙江中控自动化仪表公司将该系统成功应用于合肥热电集团、山东鱼台、黑龙江铁力宇祥、山东日照建设热力、张家口桥西、山西怀仁及河北威县等热力站无人值守和综合运行系统，取得了良好的节能效果和用户满意度，主要体现在：

a. 通过现场无人值守的监控管理，撤销了站内人力驻守，采取换热站内自控+中心站远程操控相结合的方式，既节省了管理成本，又提高了住户满意度；

b. 实时掌握站内设备的运行状态和报警信息，有效调度机动队伍的巡检路线，使得站内问题得到快速处理，从而保护站内设备、保障供热运行；

c. 通过热网平衡算法中的质调节，降低了热能的无故散损，减少了总体供热量，从而每个供热季可为热力公司节省10%～15%的燃料消耗；

d. 通过热网平衡算法中的量调节，增大了二次网的运行温差，避免了大流量小温差的发生，从而为热力公司节约20%以上的电能消耗。

6 结束语

笔者从目前中国的集中供热现状出发，提出并构建了一套由热力站控制系统、系统通信网络、热力站监控中心三大模块和供热优化算法组成的热力站节能控制系统，并对热网平衡优化算法进行了详细的阐述。在实际应用中，该系统增强了供热系统的自动化水平、提高了集中供热综合管理能力、节约了先前因操作不当而损失的热能。并利用热网平衡优化算法，节省了供热系统的热能和水泵运行的电能，使得热力站能够安全、稳定、节能运行，提升了城市供热系统所带来的经济效益和社会效益。

[1] 曹宏麟.换热站节能控制系统研究[J].山西建筑,2010,36(1):207～208.

Energy-savingControlSystemforHeatingSupplyStations

CHEN Qing-feng, TONG Ling, FU Ming-feng

(ZhejiangSUPCONInstrumentCo.,Ltd.,Hangzhou310052,China)

Starting with discussing the matters which bothering central heating system in North China, the schemes of centralized monitoring, auto-control over heating supply stations, communication support, establishing monitoring center and adopting energy-saving and optimization algorithms there were proposed.

auto-control, heating station, DCS, centralized monitoring, energy-saving and optimization

2016-04-07(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)07-0763-05