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岳 俊
（太原市热力集团有限责任公司， 山西 太原 030006）
伴随着国民生活质量的改善和政府对大气污染的严格控制，今日的冬季供暖产业拥有着巨大的技术革新和可观的发展前景，同时也面临着前所未有的挑战和挫折。传统的区域煤炭锅炉，存在供热面积小、热量分配不均匀、环境污染严重、资源消耗量大等短板，急需被新兴的技术取缔，因此集中供热技术应运而生。热电联产电厂以及调峰热源厂作为基础热源，将高温热水通过城市热网源源不断地输送到每家每户，在热网的中间环节起到关键作用的热力站，热力站又名换热站，取其字面意思就是通过一定的介质将高温高能危险热源转换为可控可调节的热源，在换热的过程中起到关键作用的是换热器。经过换热站可控可调节的热源才满足通过楼宇管网进入到居民家中，达到供暖的效果，而可控可调节就要用到自动化控制技术。自动化控制技术[1]在供暖领域占据着举足轻重、不可替代的地位，通过一系列仪器仪表等自控设备可以实现长距离、高精度、安全可靠地控制热源输出，进而高效满足热用户的用热体验，提升了居民的幸福感和获得感，积极响应了国家对节约资源和保护环境的强大号召。
换热站的自动控制离不开各种电子设备的正常有序工作，为了达到现阶段国家要求的工业自动化水平，积极引入国际先进的自控设备。图1 所示为城市供热系统图，在热网的运行过程中起到重要作用的电子设备主要有：
1.1 控制类
PLC 控制柜、电动阀、变频器。在换热站的控制中起着大脑中枢作用的就是PLC 控制柜[2]，该设备是一套集成设备，内部含有人机交互触摸屏、CPU 模块、电源模块、通讯模块以及I/O 模块等，为了实现数据的上传和下发，I/O 模块又分为AI（模拟量输入）模块、AO（模拟量输出）模块、DI（数字量输入）模块、DO（数字量输出）模块。其中AI 主要实现数据的采集功能，AO 用于对被控设备进行连续控制，DI 和DO 主要是完成对现场设备的监测和控制，CPU 模块通过功能信号线完成各种自动控制操作。
在各换热站一次网供水端起调节流量作用的是电动阀，电动阀的开度主要是由二次网的回水温度决定的，其具体控制流程如图2 所示。
首先根据室外温度对二次网回水温度进行设定，其次通过温度传感器进行实时温度数据采样，设定值与采样值进行比较通过一定的算法计算出阀门的开度，最后实现对电动阀阀门开度的控制，阀门的开度决定了一次侧供水端的流量，通过板式换热器的换热过程，从而使二次侧回水温度满足现场实际要求。在节能降耗的大环境中起到关键作用的就是变频器，换热站内循环泵和补水泵的生产运行离不开变频器的控制，PLC 根据现场的供求关系计算出泵类所需的合理转速，调节变频器的输出频率，在节约电能和系统正常运转的前提下对循环泵或者补水泵的转速进行变频调速。
1.2 泵类
循环泵、补水泵。一级热网内以及用户管网中热水的流动离不开循环泵，循环泵通过电机运转将冷热水进行交换，从而使热量源源不断地输送到热用户。二次侧供回水管网上的压力变送器实时采集压力值，将供水压力和回水压力的压差与实际设定值进行比较，并将比较值上传到PLC 控制器中，进行数据处理，通过DO 模块将控制信号下发到变频器，变频器通过调节循环泵电机的运行频率实现对转速的控制。当供回水压差比较值大于给定值，变频器给定频率减小，循环泵降低出力，从而使供回水压差减小；
当压差比较值小于给定值，变频器给定频率增加，循环泵提高出力，从而使供回水压差增加。换热过程中难免导致二级管网出现失水现象，而且在实际的生产运行中也存在跑水、偷水等情况，为了维持供热系统的正常可靠运转，就需要实时为二次网进行补水，由变频器控制的补水泵在其中承担着重要的角色。当二次网回水管道上的压力传感器检测到的压力值低于定压补水的设定值后，PLC 控制柜通过DO 模块下发控制信号控制相应继电器实现对二次网进行补水过程；
当二次网回水压力达到设定值时，控制补水泵的继电器断开，停止补水。
1.3 表计类
热量计、远传水表、水箱液位。本系统采用的热量计为超声波热量计，通过超声波的方法实时测量管网中的流量以及换热过程中释放或吸收热量，通过温度差可以计算出累积热量、累积流量、瞬时热量、瞬时流量等参数。
二次网中的水量会因为各种原因缺失，通过直接补水或者间接补水方式可以满足二次网的水量要求，远传水表通过检测补水量的多少，为查偷水、漏水和站内用水量提供了重要的参数指标。水箱中液位的上限值和下限值通过触摸屏给定，水箱液位将采集到的液位值通过AI 模块输入到PLC 中，触摸屏可实时查看水箱中水位的高低，防止水箱中液位太低或者太高，影响生产运行。
1.4 传感器类
传感器包含温度传感器、压力传感器。温度传感器又称温变，主要分布在一次网供水端、一次网回水端、二次网供水端、二次网回水端、用户室外以及各分支管上，用于实时检测温度，本系统采用的温变是PT-100 系列，其测量范围为0～150 ℃。温变实时采集温度的变化，并将温度值转化为电信号，通过AI 模块输入到PLC 进行转化处理。压力传感器又称压变，主要分布在一次网供水端、一次网回水端、二次网供水端、二次网回水端、以及各分支管上，用于实时检测水压，本系统采用的压变是DPG8001 系列，其测量范围为0～1.6 MPa。压变实时检测水压的变化，并将压力值转化为电信号，通过AI 模块输入到PLC 进行转化处理。
将自控设备、PLC 以及全网平衡软件等搭建控制平台，通过热网的自动化调节，实现了热能的均衡分配，达到了均匀供热的目的[3]。全网平衡技术的实现主要采用均匀性调节策略[4]，根据现场温度变送器实时采集二次网供回水温度值，软件计算平均温度，判断站内流量是否满足运行要求。将提前设定好的供回水平均值与实际值进行比较，若实际值大于设定值，则调小一次网侧电动阀的开度，进而一次网供水侧的流量减小，同时PLC 下发控制信号到变频柜进行变频调速，循环泵降低转速运行，满足用户侧的用热要求。若实际值小于设定值，则调大一次网侧电动阀的开度，进而一次网供水侧的流量增大，同时PLC 下发控制信号到变频柜进行变频调速，循环泵提高转速运行，满足用户侧的用热要求。热网采用全网平衡技术实现自动化控制，能够将热源近端过剩热量自动分配到热源远端，在不需要电厂注入过多热量的前提下，进一步提升了供热效率和水平。表1 为进行全网平衡调节的热力站温度数据，下页表2 为不进行全网平衡调节的热力站温度数据。从表中数据可以得出，将热力站加入到全网平衡控制，系统的总体失调度仅为1.24，若热力站没有进行全网平衡控制，则系统的失调度高达10.68，说明全网平衡技术对于系统均匀性调节起到了关键性作用。
表1 进行全网平衡热力站温度数据对比
表2 不进行全网平衡热力站温度数据对比
传统换热站的正常运转离不开大量的人力物力支持，在生产运行过程中由于人工以及各种环境因素的影响难免出现操作失误、调节精度不够、指令下达延迟等情况，造成供暖设备损坏、热源分配不均衡、生产成本增加等不良后果。为了规避上述风险，无人值守技术应运而生。换热站无人值守技术首先是借助各种自动化设备采集站内的温度、压力、流量等运行参数以及监控画面，其次通过专用网络上传到中控室进行电脑分析和人工处理，最后根据站内运行工况对自控柜下达相应操作指令，实现一次网供水电动阀、循环泵以及补水泵等自控设备的远程调节。
热力站无人值守系统主要由自动化控制系统、全网平衡系统、故障报警系统以及视频监控系统四部分构成[5]。其中自控化控制系统、全网平衡系统前文已经介绍，这里不再赘述。换热站无人值守的稳定运行，离不开故障报警系统的可靠保证，PLC 采集各种报警信号，包括变频器故障报警、失温失压超温超压报警、循环泵补水泵停泵报警、水箱液位超高超低报警等，并将数据回传到中控室进行专人应答处理，有效降低生产事故的发生。在日常的站内巡视工作中，离不开视频监控等终端设备，每座换热站内都在配电室、大门以及重要运行设备处安装摄像头，首先通过专用视频宽带将实时画面上传到各自工段的中心站，其次通过打包转发将各工段的视频发送到中控室进行阅览和回放，最后安排专人值守排查，及时发现站内突发情况。这种分级分层视频传输方式有效避免了网络冗余问题，同时节约了大量人力物力，图3 所示为视频监控系统网络结构。
随着换热站自动化设备的不断引入，全网平衡技术的推广以及无人值守技术的应用，供热领域取得了前所未有的发展，实现了对热力站的远程监控和自动控制，提高了供热服务质量，达到了节能降耗的要求，提升了供热单位的经济效益和精细化管理水平。
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