汽水换热站自动控制系统及改进方案

庄冰 杜成业 穆桐

摘要：以某市集中供热项目汽水换热站为例，本文从工艺流程、控制系统方案、功能及改进方法等几个方面，对汽水换热站自控系统进行了阐述，尤其对控制系统硬件设计、网络构架、控制方法的改进优化措施进行了详细的描述。

关键词：汽水换热站;控制系统;改进方案。

引言

先进的集中供热工艺及控制方法，能提高供热指标、节约人员成本、保护生态环境、提升管理水平。汽水换热站是集中供热重要的组成工艺，其自动控制策略水平及改进方案对于整个供热工艺至关重要。

某市集中供热项目由中冶东方工程技术有限公司设计建设，该项目于2017年11月投产，经过一个供热周期的应用检验，汽水换热站自动控制系统运行平稳，实现了汽水换热站的全自动运行，控制系统功能完全满足业主的生产要求。

1 工艺概述

汽水换热站的主要功能是利用某工厂锅炉生产的富余蒸汽对供热管网水进行换热加热，为各小区二级换热站提供供热热水，工艺流程图如图1所示。

来自锅炉的蒸汽进入汽水换热器，换热后冷凝成水，再经凝结水回收装置返回锅炉。各二级换热站的回水，先经过除污器滤除水中杂质，然后循环泵加压后进入汽水换热器，经过蒸汽换热升温后，为各二级换热站提供热水。补水泵为供热管网补水，保证回水压力稳定。

2 控制系统组成

汽水换热站控制系统包括现场检测设备、PLC控制系统、操作台、HMI操作站、UPS电源、变频器、就地操作箱、阀门等设备。

换热站控制系统采用Siemens S7-1500系列PLC，通过Profibus-DP总线网与低压配电室的变频器等设备通信，同时通过以太网光纤与调度中心与集中供热的监控中心通信，实现远程集中监控。控制系统硬件配置及网络构架如图2所示。

网络结构主要包括以太网和Profibus-DP网两部分。以太网通信速率高、开放性好、易维护、故障诊断方便，用于PLC系统内部通信模块通信、PLC与HMI操作站通信、PLC基础控制级和集中供热监控中心通信。Profibus-DP网络具有传输可靠性高、拓扑结构灵活、诊断功能完善等优点，广泛应用于工业控制领域。本控制系统的Profibus-DP网络采用线形拓扑结构，PLC为主站，变频器和就地I/O为从站。

3 控制策略及改进方案

汽水换热站是一个多种设备协同运行的整体，需要控制多個参数，控制程序采用模块化设计，每一个控制参数都有一个专门的功能块程序与之对应，主程序轮询不同的控制子程序，完成自动控制的功能应答。汽水换热站自动控制的主要控制难点有以下三点：换热器液位控制、循环泵自动控制、换热温度控制。

3.1 换热器液位控制

汽水换热器的液位对换热器的换热效率至关重要，随着供热负荷的变化，蒸汽进气量会相应变化，换热器液位随之波动。换热器内汽水混合，液位检测干扰大，设置就地磁翻板液位计、差压液位变送器和雷达液位变送器检测汽水换热器的液位，确保液位检测的准确性。安装高清球型摄像机监视磁翻板液位计显示的液位，操作人员可以在汽水换热站控制室的监控电视屏监视。

本系统在换热器底部设置出水调节阀和事故排水电动阀。根据液位设定值，液位自动控制程序根据实际液位和设定液位之间的差值，通过PID算法^[2]计算得到调节阀调节趋势，自动调节调节阀开度，使液位趋向于设定值。液位高于报警上限，通过液位控制程序自动打开事故排水电动阀排水，液位正常后，事故排水电动阀自动关闭。

3.2 循环泵自动控制

循环泵为管网回水加压，保证供水和回水压差稳定。通过手动或自动启停循环泵，同时手动设定循环泵供电频率或利用PID算法程序自动调节循环泵供电频率，使二次网的供水压力和回水压差稳定于设定值，保证用户供热稳定。

汽水换热站有三台循环泵，正常生产时，两台工作一台备用，水泵通过变频器控制^[2]。生产过程中，正在运行的循环泵故障停机，备用泵可以自动投入生产，供水和回水压差低于设定的启动备用泵的设定值时，备用泵自动启动。

循环泵连续运行生产，为了提高水泵使用寿命，按一定的时间间隔切换工作泵和备用泵。循环泵在自动模式下，按设定时间间隔，自动切换工作泵和备用泵，泵的启动和停止过程，通过控制变频器控制频率，以每0.5HZ/s的速度逐渐完成，实现无扰切换。

3.3 换热温度控制

供热负荷变化会引起小区换热站回水温度变化，通过调节汽水换热站的蒸汽进气量改变换热效果，使供水温度逐渐达到设定值。蒸汽进气管设置调节阀，根据小区换热站的供水水温设定值和实际测量值之差，自控程序通过PID算法计算调节阀变化趋势，自动调节阀门开度控制汽水换热器的进气量。出水管温度高于设定值，自动减小阀门开度;出水管温度低于设定值，自动增大阀门开度。温度调节具有大滞后的特点，因此PID调节容易出现超调或振荡调节现象，常规的PID控制算法需要改进。

为了即保证调节阀调节速度，又能避免过度超调，在自动控制模式下，为调节阀设定了阀门开度上下限和调节死区，同时采用改进的变PID参数调节法。根据设定温度和实际温度差值的绝对值，自动调整PID参数的P、I值。控制子程序流程图如图3所示。

为了提高供热效率，供水水温设定值需要根据室外温度改变，根据温度变送器检测的室外温度，控制程序通过曲线函数计算出供水温度设定值，实现供水水温设定值随室外温度的自动改变，提高了供热效率，降低了操作人员的劳动强度。

4 总结

本文阐述了某城市集中供热汽水换热站的控制系统，介绍了控制系统的硬件配置和网络构架、以及控制难点及改进措施。汽水换热站投产运行后，自动控制系统运行平稳，工艺生产参数自动控制效果良好，提高了换热效率，节省了大量劳动力，产生了较好的经济和社会效益，具有较高的推广应用价值。

参考文献

[1]吴中俊，黄永红.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2009：103.

[2]杨云英.变频节能技术在循环供水系统中的应用[J].冶金自动化，2012，（S2）：640-643

（作者单位：中冶东方工程技术有限公司自动化所）