自动化控制系统在城市集中供热领域的应用研究

摘 要：随着生活水平的提高，对生活环境又提出了更高的要求，集中供热也成为大型化方向发展必然趋势。坚持科学态度，积极采用新技术、新工艺、新设备，既体现技术先进、经济合理，又保证安全可靠。在这种形式下，必须采用智能的自动化系统才能满足集中供热智能化需要。

关键词：自动化系统；集中供热；应用；节能

在冬季，我国的北方由于气温较低，都需要进行采暖，采暖的能耗量较大，更加重了能源紧张的局面，在目前居民住宅的集中供热系统结构中采用自动控制系统进行节能取得了较好的成效。伴随着我国科技的不断进步和经济发展，自动控制技术被应用在集中供热节能方面，并且取得了一定的效果。但是，从最近几年来我国自动控制技术在集中供热节能应用的成果来看，尚不理想，存在一定的问题。

一、城市热网自控状况和问题

随着集中供热规模不断扩大，现有热网监控设施已很难满足当今现代化管理的需要。供热设备已不断老化，另一方面不具备与当现主流自控设备兼容和扩容的能力，无论在软件上还是在硬件上已满足不了信息处理、热网调节和生产管理的需求。热力站运行以有人值守为主，多数热力站自控仪表只具备显示功能，无法上传数据和接收上级指令。随着热网所带负荷逐年增大，一次网水力失调情况日渐严重，热网前端热力站循环水量远远高于正常值，后部热力站一次网流量严重不足，现有的调节方式根本无法解决失调现象。在不得已的情况下，采取了在一次网流量不足的热力站内增设加压泵以提高局部流量。这种办法在一定程度上缓解了原来流量不足的情况，但因为总循环水量没有增加，虽然解决或缓解了原有的一些流量不足问题，又会有新的问题产生。

三、集中供热自动化控制系统关键技术

1.自动化控制系统基本组成。自动化控制系统为集中供热系统中热用户与供热管网中的关键元件，对提高供热质量和改善热网工况起着关键作用。为了提高供热品质，一方面，需要对系统运行中的各项参数进行实时监测；另一方面，二级管网的供水温度需要依据环境温度的具体值去调节，这样就能够保证热用户的室内温度在一定温度范围内变化，可以节约大量能源，同时使用户的生活和工作环境更加宜人。变频器的输出可以通过调节PLC来制，来改变电机的转速，进而调节循环泵或补水泵的输出，达到管网压力和供暖负荷的要求。

2.系统组成及功能。系统可分为硬件控制系统和软件控制系统两部分。其中硬件控制系统主要由S7-200PLC、M430变频器、触摸屏组件及换热器、电磁调节阀、循环泵、补水泵等组成；软件控制系统主要由STEP7程序及Wince程序组成。预计实现的功能主要有：（1）通过S7-200采集和处理压力、温度、流量等模拟量参数；（2）换热站自动控制，在HMI上实时显示各类参数，以及自动控制设备运行状态，并能够进行故障诊断；（3）环境温度与供水温度之间的对应曲线可以根据供热对象的特性以及当地气候条件来给出；（4）供水压力的自动控制主要是由压力传感器结合PLC及变频器来完成；（5）采用手动控制和自动控制相结合的控制方式。当HMI或PLC出现故障时为确保回水压力准确稳定需将自动控制模式切换为手动操作控制。

三.热网自动化控制系统控制策略

1.在热源供热能力充足的条件下，依据用户室温和室外温度等气象参数情况预测各热力站需求耗热量（热力站总负荷）以及热源合理的输出热量，根据预测热力站总负荷，调度热源生产（热源输出热量），确定调整各热力站控制参数和控制策略，自动进行全网平衡调节，将热源生产热量按用户需求分配到各热力站。实现“均衡输送、按需供热”。

2.在热源不足或热源事故工况下，能将有限的热量平衡地分配到各热力站。

3.根据多热源联网下的生产数据，生成相应的控制策略。多热源联合运行的全网平衡策略（包括一次网采用管道加压泵和一次网采用电调阀及泵阀联动三种形式）：一次网均匀性控制，消除水力失调带来的能源浪费；管网初期冷态运行时，采用流量设定进行初步调节，在系统升温正常运行后，热源单位应充分结合供热单位现有运行模式制定出不同工况下的全网平衡控制策略组，以适应热源单位的运行要求。

4.处于热网前段的采用电动调节阀控制；处于热网中段的采用加压泵及电动调节阀联合控制，二者并联布置；处于热网末端的采用加压泵控制。

5.热网前段、中段、末端划分基本原则：水力计算时分别计算平峰及尖峰期两种水力工况，以兼顾为原则确定以下控制方式。a两种工况下资用压差均充足的热力站采用电动调节阀控制。b两种工况下资用压差均不足时（资用压差小于6mH2O），采用加压泵控制。c介于上述两种情况之间的热力站采用加压泵及电动调节阀联合控制，二者并联布置。

四、集中供热自动化控制系统参数控制

1.供热系统供水温度控制。当环境温度发生变化时控制系统可以通过PLC来控制二级管网的供水温度，以适应环境的变化，保持恒定地室内温度。同时根据天气及负荷的变化，自动调整供热方式。

2.供熱系统流量及定压控制。由于供热系统各部位阻力变化较大，造成了系统的流量、压力的分布不均，造成水力失调、冷热不均现象显著。水压只有在达到以下基本要求时才能保证供热系统正常情况运行：（1）保证热网提供可能消耗的最大压力给用户，室内系统能够承受；（2）保证不损坏散热器件；（3）保证供热系统不倒空，水量充足。因此，制定合理静水压线和恒压点就必须监测和分析系统的水压。常用的定压方式有定压罐定压、膨胀水箱定压、补水泵变频调速定压等。现集中供热系统采用补水泵变频调速定压较多，其基本原理是根据控制系统的压力变化，调整电源频率，改变补水泵转速，以便及时控制补水量，保证系统有一个恒定的恒压点。

五、集中供热自动控制节能效果

1.可以有效降低单位的热能消耗

通过实施自动控制系统，可以有效对系统进行监控，降低热网水力失调的程度，使各用户系统热能分布均匀。另外，控制系统通过调节流量调节阀开度，使供热系统中的换热站水泵实现自动控制，避免人工调节在时间上的滞后性和对经验的依赖性。

2.可有效降低单位降耗

在针对换热站进行增设水泵变频设备的过程中，要针对水泵电机频率进行自动控制，通过改变电动机电流和频率，达到节能的效果。在进行变频的过程中，它的调节范围较宽，并且能够保持较高的效率，实现精度化运行。它能够有效的消除电动机启动过程中的大电流，延长水泵的使用寿命。另外，通过自动化设备的合理布置，采取分区供电方式，减少了电缆长度，选用合适的电缆材质和截面，降低输电过程中的电能损耗。

3.综合效益更大程度的提高

通过自动控制设备的增加，改变了传统换电站需要人员留守的现象，降低了供热人工成本和劳动强度。特别是提高了供热系统的安全性、可调性和可靠性，能够提高热用户的供热效果。集中供热自动控制系统可实现供热能源配置、提高能源利用率，间接减少污染物排放，改善城市环境质量和居民的生活质量，具有显著的社会和环境效益，是提高人民生活质量的公益性基础设施。

参考文献：

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[4] 史瑞芳.关于供热系统节能方法的探讨[J].黑龙江科技信息，2016（2）：63.

作者简介：

张宏楠（1990.01-），男，满族，吉林省伊通县，学历：本科学历，助理工程师，研究方向：供热技术.