智能采暖控制系统的改造

2022-06-24程洁

机械工程与自动化 2022年3期

程洁

(保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071056)

0 引言

为响应政府关于节能减排低碳管理的号召，实现国家“2030碳达峰，2060碳中和”的战略目标，各个企业都加入了环保大军。热交换站作为采暖设施的重要组成部分，其蒸汽及水电能源消耗量巨大，因此，本文作者在保证某企业供热系统稳定运行的前提下，为降低能源消耗、满足社会发展进程的需要，融合节能减排的理念，对该企业供暖系统进行智能化改造，以实现最终的发展目标。

1 现采暖控制系统及存在的问题

某企业是生产大型设备的工业企业，厂房高大且数量多，分布不集中,每年的采暖期为11月15日至次年的3月15日,采暖方式采用汽水换热器热水供暖和蒸汽直接供暖两种模式。蒸汽从电厂进入厂区蒸汽管道，在入口处安装蒸汽流量计用以计量蒸汽总量。

原热交换站主要处理设施包括：1台软化水设备；1台储水箱；3台热水循环泵；3台汽水换热器，单台传热面积为75.3 m2；另外有2台65 W-50补水泵用以补充系统管道损失的水压。原热交换站系统图如图1所示。

图1 原热交换站系统图

在企业日常运行过程中，设备的启动和阀门的开关都是由操作人员手动完成的，蒸汽的用量大小和阀门的开度无法根据负荷情况进行实时调节，因此，实际上整个厂区是采用24 h持续供暖的。同时，没有相应的数据采集，无法对能源的使用情况进行数据分析，这样，就对企业的管理制度有着非常严苛的要求，倘若执行力度不到位，很大程度上会造成能源的过度消耗。

换热器采用R1123管壳式汽水换热器，该换热器由于使用年限较长，极易发生内漏，近年来，换热器的维修频率已大大升高。

2 解决方案

2.1 设计思路

针对该系统存在的问题，对其进行智能化改造。智能采暖控制系统是以S7-200/SMART CPU及模拟量输入输出模块为中心的控制系统，实时监测整个系统的运行参数和运行状态，其中包括室外温度、供水温度、回水温度3个温度测点，进行温度采集与数字量转换，并根据设定供水温度，与室外温度进行程序计算，输出0 V～10 V信号控制蒸汽电动调节阀输出，控制供水温度。这样，无论外界温度如何变化，供水温度都会随之进行调节，维持供水温度在合理的范围内。同时，蒸汽使用量可与数据终端进行实时通讯，进行数据传送，形成小时历史记录，并通过U盘存储，方便企业随时掌握能源使用情况并做出相应的调整。整个采暖控制系统可通过供暖循环泵启闭进行供水温度控制，供暖循环泵关闭，调节阀相应关闭。系统具有停电保护及停泵保护功能，停电或停止循环水泵时系统自动关闭调节阀。

2.2 改造后的系统组成

目前PLC控制系统应用最为广泛，有着较高的可操作性和极强的可靠性。改造后的系统采用PLC模块控制，将室外温度、供水回水温度以及蒸汽流量的调整量作为控制输出，并依照一般模糊控制器来进行设计。根据室外温度的变化及用户设定的不同时间段对室内温度的要求，利用室外温度补偿运算出所需的供暖水温，运用PID调节控制规律实时与实际供水温度比较来调节蒸汽电动阀开度，精确控制供水温度，避免发生用户室温过高的现象而浪费蒸汽，实现供热系统供水温度与室外温度的自动控制，满足不同用户对供热的需求[1]。

改造后的热交换站主要设施及控制原理：将原3台热交换器组更换成1台10 t的循环水箱，水箱内安装蒸汽喷射器，直接对水加热，节约了占地面积，循环水箱视觉上更为直观，避免内漏现象，缩短维修时间。水箱上安装有液位传感器及温度传感器，实时显示当前水箱液位情况以及水箱内热交换后的热水温度，自动调整补水排水状态。蒸汽管道上安装有蒸汽调节阀，其开度大小随供水温度的变化进行调节。采集供水温度、回水温度、室外温度3个温度，并进行显示。

2.3 系统的运行

在整个热水网络启动前，需要先开启循环水泵，使水通过除污器将水中杂物沉淀在除污器内，冲洗时间应以循环水达到清洁为准。冲洗结束后，应拆除循环水箱出口位置的除污器，清洗干净后再安装好，然后给系统充软化水。软化水设备在使用过程中进水口应一直处于开启状态，如果短期不需要软化水则可以关闭出水阀门，进水口不得关闭，并保持正常工作时的水压；操作人员定期观察盐箱内盐的剩余量，盐少于盐箱三分之一时补充，添加时盐不能超过盐箱的二分之一。

户外网路充水完成后，即可转入系统的启动运行。首先开启循环水泵，此时应在其出口阀门关闭的情况下进行，逐渐开大出口阀门，在调节过程中，网路压力应保持稳定。网路的供水压力为0.4 MPa～0.6 MPa，回水压力为0.15 MPa～0.25 MPa。循环水泵运行后观察水泵运行状态、水箱水位及供回水压力，保证供回水压力达到正常状态，循环系统正常运行。打开采暖系统蒸汽管道的两个手动阀门，采暖系统自动调节阀门将自行打开给采暖系统加热。此时，观察蒸汽压力、供回水温度，系统将按照用户设定的采暖温度自动调节蒸汽阀门，整个供暖系统才算正式运行。改造后的热交换站系统如图2所示。

图2 改造后的热交换站系统

2.4 监控系统的设计

系统采用触摸屏人机交互界面，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。触摸屏作为替代传统控制面板和键盘的智能化操作显示器，可用于参数设置和数据显示，以曲线等形式描绘自动化控制过程；可简化PLC的控制程序，并对PLC控制程序进行监控和操作控制。现场将采集的温度、开度等信息转化为0 V～10 V的标准信号传送至PLC，再经过比较、运算等处理后转换成0 mA～20 mA的电流信号，驱动调节阀以满足供暖需求。通过与PLC的数据交换，对各监测点温度、水泵开启情况等参数进行实时采集、分析，并向现场控制器发出控制和参数设置的指令[2]。供暖温度根据正常供暖需求设定，供暖管道按照冬季环境温度取补偿系数为0 ℃～5 ℃，根据该厂的生产作息，夜间12点以后到次日早8点为休息时间，此时可采用节能供暖温度，温度仍然可按需调节。同时，当水箱水位实际显示值低于水箱补水启动值时，系统自动打开补水电磁阀门补水，当水箱水位升到水箱补水停止水位设定值时补水阀门自动关闭，停止补水。当水箱水位实际显示值高于水箱排水启动设定值时，系统自动打开排水电磁阀门排水，当水箱水位实际显示值低于水箱排水停止设定值时排水阀门自动关闭，停止排水。当水箱水位值低于水箱保护水位设定值时，系统会自动启动蜂鸣器报警，提示值班人员及时将循环水泵停止，防止循环水泵无水干烧。这样便减少了由于人员操作不合理造成的能源浪费。监控主画面如图3所示。