廊坊大学城换热站热网监控系统方案.docx

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廊坊大学城换热站热网监控系统方案

廊坊市大学城换热站改造项目

技

术

方

案

济南耐威科自控技术有限公司

2013-4-19

方案

一、对当前（2012-2013供热季）我们的供热能耗的综合分析，

一、概述

随着国家大力提倡城镇集中供热，各地供热公司新建换热站大多都是无人值守换热站，同时对老的换热站的改造也在向无人值守换热站靠拢。

我公司研发的无人值守换热站监控系统集现代计算机技术、自动控制技术、通讯技术及测控技术于一体，并针对供热系统热源、管网、终端用户三个部分，提出三个主要环节的信息化管理平台，实现了热源控制一体化、管网监控智能化、终端用户信息化。

然而无人值守换热站监控系统可对热网的温度、压力、流量、开关量等进行信号采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态，及水箱液位等各个参数状态，进而对供热过程进行有效的监测和控制。

在供热期间可按室外温度调节二次网供回水温度（可手动、自动切换），达到按需供热，实现气候补偿节能控制，也可以进行分时分区节能控制，可以实现供热全网热量平衡及节约能源。

二、控制目的

　　1、宏观掌握供热系统运行状况、运行质量。

2、保证供热系统的运行参数。

对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决各换热站的耦合影响，消除热网水平失调，平衡供热效果。

3、以节省总供热量为目标，在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量，从而达到提高经济效益的目的。

4、更好地进行供热系统设备的维护及管理。

及时检测报告供热系统故障，作到防微杜渐，防患未然。

5、为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。

通过记录的热网运行历史数据，在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出主要能耗来源，为今后的节能挖潜改造提供条件。

三、系统组成

无人值守换热站监控系统由上位机—通讯—下位机构成；

（一）上位机由工控机、系统软件、彩色液晶显示器、键盘及鼠标等构成；上位机即为监控中心的监控系统。

上位机既是底层下位机数据传输的接受者，也是管理者对整个热网系统进行调控并将命令下发到下位机的施令者。

上位机监测界面直观、方便的把当前所有数据显示出来，并将完成各个监测点温度、压力、流量、热量、开关量等参数的采集、整理、存储，具有数据查询、统计、打印报表等功能；且在上位机可操控底层设备的启动、停止等功能。

可调控补水泵、循环泵的启动、停止及频率参数设定。

为了解决供热系统中热量的生产和系统热网所需的热量经常不相匹配的供热问题，本公司专门研制、开发了一套适用于供热系统锅炉的监控系统软件。

本系统软件采用先进的计算机技术和高可靠的PLC设备开发而成。

软件可根据室外温度和整个热网所需热量的对应表关系自动完成锅炉系统中各电气设备的运行工作（如炉排、鼓风机、引风机等的转速），使得锅炉输出的热量既不因过剩而浪费，又能满足整个热网所需的热量，实现了热源和热网的联动运行，有效地使热量的生产和消费有机结合在一起。

本系统软件主界面采用Flash制作，美观、直观、友好、操作简单、方便、可靠。

（二）通讯的方式主要有市话网、宽带网、专用网和GPRS、几种方式，数据的传输具有高效、实时、准确等优点。

可根据不同的现场环境选取合适的通讯手段。

无人值守换热站监控系统远程通讯功能可以分为远程采集、远程控制、远程调节。

1、远程采集：

可以定时采集，也可以实时采集；

2、远程控制：

对电动阀、循环泵、补水泵进行控制，实现策略性及定向自动控制；

3、远程调节：

可以实现现场控制器的远程调控，修改控制策略，修改报警参数值等。

（三）下位机由PLC控制器、触摸屏、变送器、传感器等组成。

下位机是上位机命令的执行者，同时兼具把底层设备的数据上传。

同时也可利用触摸屏在下位机进行操作设置，并可实现气候补偿供热、分时分区供热等。

四、系统特点

1、监测界面直观、简洁，可方便操作、性能稳定，功能可按需二次开发，数据传输率高；

2、下位机操作采用触摸屏方式，技术先进、操作简单、数据显示简洁明了

3、监控系统对运行人员、维护人员、管理人员赋予不同的权限，不同的人员具有不同的操作权限，从而避免了操作不当所造成的系统故障；

4、监控中心软件具备报警管理功能，每条报警信息应该包含报警站点、报警发生时间、报警参数及当前值等详细信息；

5、操作人员可通过上位机控制底层设备，无须去现场操作，可靠性高，节省人力物力。

五、自动控制实现

（一）数据采集

　　换热站为双环路系统，控制器点数均以双环路点数标准设计。

另外循环泵和补水泵均采用变频，变频和控制器安装在各自的配电柜中。

在供热公司建立一个监控中心，监控中心和各个换热站的通讯采用的ADSL方式或GPRS无线方式，现场控制器采用PLC控制器。

要达到自动控制首先要了解当前系统的运行情况，所以数据采集是实现自动控制的大前提。

供热系统的参数模拟量居多，开关量相对较少。

另外，供热系统的参数相对变化较慢，所以对提供数据采集的控制器要求为：

1、数据稳定可靠，并不要求过高的采集频率。

2、有一定的分析计算能力，例如计算瞬时流量、计算供回水压差、温差等。

3、有一定数据存储能力，提供给远程的上位机管理软件。

4、工作方式切换功能。

5、参数设定功能。

可接受监控中心的远程参数设定，也可接受现场触摸屏的参数设定；6、温度、压力、流量信号的采集功能；

7、通讯功能。

内置通讯连接接口，作为被叫方，接受监控中心的访问命令、控制命令；

8、连网全系统自动控制功能。

根据监控中心下载的局部控制目标参数实现自动控制。

采用专家PID调节算法、滞后调节等算法，调节换热器的一次管网高温水流量（通过控制电动调节阀实现），从而控制二次网的供/回水温度；

9、独立自动控制功能。

根据运行人员通过现场触摸屏设定的参数，独立完成控制任务。

10、手动控制功能。

运行人员通过对现场触摸屏直接设定电动调节阀开度，直接调整换热站一次管网高温水流量。

（二）远程通讯

　　通讯网络承担工作站与各个现场控制站之间的数据传输，数据交换，是整个监控项目的桥梁，是保证热网监测系统正常运行的关键。

监控系统采用的通讯方式有多种形式。

应依据项目的实际情况决定采取何种通讯方式。

　　热网监控系统的通讯从通讯方式可以分为：

市话网、宽带网、专用网和GPRS网。

　　1、市话网通讯方式的特点：

（1）供热管网存在一定的滞后性，无须实时在线。

所以，通讯方式采用拨号方式也不失一种好方法。

（2）有线通信时，要先拨号以后才能通信，速度比较慢。

运行费用较低。

　　（3）维护均由电信部门负责。

　　（4）系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

　　（5）覆盖面广，信号稳定。

　　2、宽带网通讯的特点：

（1）用于已完供热管网，无须土方开挖。

（2）申请ADSL方式通讯，只须按月交纳一定的费用，即可实现网上通讯，无自维护量。

　　（3）永远在线：

用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

　　（4）每次登录Internet只需要一个激活的过程，一般仅需要1到3秒钟。

　　（5）高速传输：

由于ADSL采用了先进的分组交换技术，数据传输快。

系统在数据传输过程中可申请加密机制，数据可以在公网上安全地传输。

　　（6）系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

　　（7）系统依托相应的软件，可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输。

　　3、专用线路的特点：

（1）敷设专用通讯光缆，特别适用于新建供热管网，可与供热管道一同敷设，减少土方开挖量，可以大大降低运行费用，但维护量大，维修费用多。

（2）用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

　　（3）系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

　　4、GPRS无线通信的特点

（1）永远在线：

通信时，不需要象PSTN那样要先拨号以后才能通信。

用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

（2）快速登录：

GPRS无线终端一开机，即已经与GPRS网络建立了连接。

每次登录Internet只需要一个激活的过程，一般仅需要1到3秒钟。

　　（3）高速传输：

由于GPRS采用了先进的分组交换技术，数据传输的最高理论值可达171.2kb/s。

　　（4）按量计费：

GPRS网络按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用。

没有数据流量传输时，用户即使在线，也不收费。

　　（5）覆盖面广：

目前，GPRS网络已基本覆盖了所有GSM网络，偏远地区不再是数据传输的盲区。

　　（6）可移动性：

企业对系统所有设备有自主权，无需与运营商交涉，可以自由分配。

　　（7）可靠性强：

系统具有纠错、重发机制，从而确保数据的完整性和正确性。

其次，系统具有自动恢复功能，在GPRS网络状态不稳定的情况下，保证系统稳定工作，而无需人工干预。

　　（8）安全性高：

系统在数据传输过程中加入了加密机制，数据可以在公网上安全地传输。

　　（9）无人职守：

系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

　　（10）灵活方便：

系统依托相应的软件，可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输。

　　热网监控系统远程通讯从功能可以分为三部分，远程采集、远程控制、远程调试。

　　1、远程采集

　　远程数据采集可以定时采集，也可以循环采集，即可以采集当前的实时数据，也可以采集过去的历史数据（要求数据采集设备能存储至少一周的历史数据，已备通讯设备故障时数据不会丢失）。

　　2、远程控制

　　远程控制是无人值守换热站的重要环节，包括对阀门的控制（手动开关阀门）、控制策略的选择（经验调节、定温调节、手动调节等）供水温度值的设定、循环泵的起停、补水泵的起停等。

　　3、远程调试

　　理想的通讯方式不但解决了数据的远程采集和控制，还可以实现现场控制器的远程维护，修改控制策略，修改报警参数值，等等。

可以减少去现场的次数，并且可以迅速的了解现场控制器的工作情况，大大提高了工作效率。

　　（三）温度控制

　　要使用户家里温度更加舒适，必须保证换热站供出的温度（热量）合适，这样我们就根据不同情况对换热站的二次出水温度进行控制。

控制方式大致分为，经验调节、定温调节、分时段调节三种。

　　1、经验调节

　　即根据以往的供热经验，在不同的室外温度条件下，保证不同的二次网供水温度。

各个控制器输入二次供水温度调节曲线，系统通过检测二次网供水温度和室外温度，自动调节一次网的阀门开度从而达到二次网的设定供水温度值，实现换热站的质调节。

管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此曲线进行修改。

　　2、定温调节

　　用户可任意设定供水温度值，系统将自动调节一次网的流量从而使二次网供水温度稳定在此设定值。

管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此设定值进行修改。

　　3、分时段调节

　　在不同的时间段设定不同的二次网供水温度，本方式支持在不同的时间段修正固定的供水温度设定值（经验调节曲线或固定供水温度），这样可生成一条更经济的运行曲线。

管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此曲线进行修改。

如下图所示，固定供水温度运行（红色）＋分时段修正运行时的实际供水温度（黑色）曲线：

　　（四）压力控制

　　无人值守换热站中压力控制主要是二次供水压力（或者是二次供回水压差）和二次回水压力的控制。

分别通过调整循环泵变频频率和补水泵变频频率实现。

变频恒压供水已经用得到很多，这里就不再说明。

需要强调的是几种故障和相应的保护措施。

　　1．二次供水压力过高，供热系统中，此故障是个比较严重的故障，需要系统停止运行进行检查，否则有可能会造成用户家里暖气片的损坏。

　　2．二次回水压力过高，系统设置超压泄水电磁阀，报警发生时自动打开电磁阀泄水。

　　3．二次回水压力过低，为了保护循环泵，此报警发生时系统应该停止运行并报警。

　　4．补水箱水位过低，应该停止补水，避免补水泵长期无水运行造成损坏。

　　5．补水箱水位过高，应该关闭自来水，避免不必要的浪费。

　　6．有些换热站生水压力不足或防止短时间停水，应该设置生水箱。

　　另外，控制器和变频器进行通讯，设定和读取变频器的参数如：

工作电压、工作频率、工作电流等，以便了解水泵电机的运行情况。

通讯方式可以通过一根通讯电缆实现。

　　（五）报警管理

　　无人值守换热站的监控中心软件具备报警管理功能，每条报警信息应该包含报警站点、报警发生时间、报警参数及当前值等详细信息。

软件对过去的报警可以按站点或按时间进行查询，并记录报警的处理人和处理时间。

　　（六）权限设置

　　监控系统对运行人员、维护人员、管理人员赋予不同的权限，不同的人员具有不同的操作权限，从而避免了操作不当所造成的系统故障。

综合上述我们结合现场的实际情况对现有的三个换热站进行技术改造，具体方案如下：

1、对第一换热站的改造。

1、对现场进行的改造，在现有的基础上新增以下监测控制点（详见系统图）

监测控制点Ⅰ：

一次供水温度变送器、压力变送器、调节电动阀等设备，通过新增以上设备可以检测一次供水的温度和压力，为自动控制提供依据，调节电动阀可以调节进水的进水量从而达到节能的效果。

与现有没有温控阀控制的情况相比较普通温控阀具有以下特点：

①自动恒定出口温度。

②不需人工调节进汽阀门开度，节省人力。

③所谓节能只是节省超温运行的能量浪费。

示意图：

出水温度

95℃

阴影部分为用热量

70℃

环境温度

-15℃0℃

计算：

用汽量：

Gq=cmΔt用于暖气片采暖：

Δt=95-70=25℃

监测控制点Ⅱ：

一次回水温度变送器，该设备可以检测一次回水的温度，为自动控制提供依据。

监测控制点Ⅲ：

室外温度传感器，可以检测室外温度，根据室外环境温度变化，自动调整出口温度，克服室外环境温度变化造成的室内温度波动，达到节能、舒适之目的。

示意图：

例:

①当室外温度为-15℃时，换热器出水温度95℃

②当室外温度为10℃时，换热器出水温度70℃

即室外温度达到零上10℃时，换热器停止加热循环水（不必采暖）

③由此，当室外温度为

=-2.5℃时，

换热器出水温度

=82.5℃

以避免出水95℃，造成室内温度过高、干燥、用户开窗散热。

④95℃、70℃、-15℃、10℃各点均可根据用户要求和系统运行情况自行设定。

计算：

用汽量：

Gq=cmΔt用于暖气片采暖：

Δt=（82.5-70）=12.5℃

监测控制点Ⅳ：

补水箱液位压力变送器，可以检测补水箱液位，根据液位高低与补水泵进行联锁从而达到保护补水泵电机和二次水的目的。

监测控制点Ⅴ：

二次回水温度变送器、压力变送器，可以检测二次回水的温度与压力为循环泵和补水泵的变频自动控制提供依据，从而达到节能的效果。

监测控制点Ⅵ：

二次供水的温度变送器、压力变送器，可以检测二次供水的温度与压力为自动控制提供依据。

监测控制点Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ：

分别去教学楼分支、男生宿舍分支和女生宿舍分支温度变送器、电动三通调节阀，可以检测分支的温度，电动调节阀可以根据各分支的实际情况进行调节二次水流量（例如白天增加教学楼分支流量，减小两宿舍分支流量，夜里增加两宿舍分支流量减小教学楼分支流量，根据时间段进行调节）。

该功能是根据建筑物功能性的使用时间来自动控制整个机组的运行、停止。

可在每天中分几个时段自动启停（可达十个）

可在每周内分几个时段自动启停（如周一至周五工作，周六、日休息、停机）

示意图：

（教学楼）

用汽计算：

每天仅运行时间：

上午8：

00~11：

30

下午14：

00~17：

30

中午11：

30~12：

00依赖系统余热供暖。

下午17：

30~18：

00依赖系统余热供暖。

全天供暖时间：

原来：

8：

00~18：

0010个小时

现在：

8个小时

节能：

10-8/10×100%=20%

宿舍楼时段与之相反（此处暂不分析）

综上所述在不用温控阀：

不节能、不省力、不安全，人为因素较多。

用温控阀：

不节能或微少节能用热量：

Q1=cmΔt=cm（95-25）=cm×25

用室外温度补偿：

用热量：

Q2=cmΔt=cm（

-70）=cm×12.5

用能：

×100%=50%

用能源编辑：

用热量：

Q3=cmΔt

dt

用能：

×100%=

×100%=70%

总体用能源：

Q=50%×70%=35%

节能：

100%-35%=65%

②、对电气控制柜的改造，拆除现有的循环泵控制柜和补水泵控制柜，新增的循环泵变频控制柜和补水泵变频控制柜，增加变频控制柜的目的就是可以根据二次供水与二次回水的压差、时间段、以及其他检测的参数对循环泵和补水泵进行变频调节控制，没有改造前循环泵长期在固定的最大水流量下工作。

由于昼夜的温度变化及用户负荷的变化，换热站实际的热负载在绝大部分时间内远比设计负载低。

图1所示是换热站循环泵电机年度使用状况负载变化的统计情况。

由图1可见，一年中循环泵电机的负载率在50％以下的运行时间约占全部运行时间的50％以上。

一般冷（热）水设计温差为5~C，冷却水的设计温差5—7℃最为理想，而事实上全年绝大部分运行时间里冷（热）水、冷却水的温差仅为2—4~C，水泵系统长期在低温差、大流量情况下工作，即长期处在”大马拉小车”的状态下运行。

造成大量的能源浪费和设备损耗。

导致换热系统运行成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用增加。

概括来说，由于设计的余量需要、气温的变化以及用户使用负载的变化等因素营造了空调系统的节能空间。

因此，通过对空调水泵变频控制技术的改造和应用，可使水泵的转速随系统负载的变化而自动调整，使水泵流量输出与空调负载实际需求功率最大限度的实现动态平衡，达到综合节能的目的。

对于水泵来说，流量q与转速n成正比，温差At与转速n成反比，扬程h与转速n的二次方成正比，而轴功率与P与转速n的三次方成正比，表l告诉我们上述参数量的关系变化：

即水泵平均转速下降10％，水泵节能率为27．1％，水泵平均转速下降20％，水泵节能率为48．8％，水泵平均转速下降30％，水泵节能率为65．7％，如此类推。

表1水泵各参数随转速的变化

由表1可见：

水泵的转速降低，可以节约大量的电能。

空调系统运行时，空调主机大部分时间在非满负荷（部分负荷）状态下运行，蒸发器和冷凝器、吸收器所需的换热量也随着减少（水量不变时温差变小），此时如果维持机组冷水和冷却水温差不变，可以减少冷冻水及冷却水流量（即减小泵的转速）。

因此，通过水泵的变频控制来改变水系统的流量可以节约大量的电能。

如图2．曲线所示：

A0是一水泵系统本来的特性曲线；A1是通过系统阀门调节使流量减小的系统特性曲线；NO是水泵标准工况特性曲线；N1是变频后的水泵特性曲线，系统本来的特性曲线与水泵标准工况特性曲线交于B0点。

当需要水泵流量减小时，用调节系统阀门的方法时（水泵标准工况特性曲线不变），交与B2点；用水泵变频的方法时（系统本来的特性曲线不变），交与Bl点，则cl、C2、Bl、B2间的面积就是水泵变频所节约的电能。

比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。

另外，从图中还可以看出：

阀f-IN节时将使系统压力升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力将随泵转速的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。

对于泵类设备采用变频调速后的节能效果，可以根据已知泵类在不同控制方式下的流量一负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

以一台冷却泵为例，冷却泵电机额定功率75kW。

根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90％负荷，l3小时运行在50％负荷；全年运行时间在11月15号到3月10号共计130天。

则每年的节电量为：

W1=75XllX27．1％X130=29064.75kWhW2=75X13X87％X130=110272.5kWh

W=W1+W2=29064.75+110272.5=139337.25kWh

W1=45XllX27．1％X130=17438.9kWhW2=45X13X87％X130=66163.5kWh

W=W1+W2=17438.9+66163.5=83602.4kWhX3=250807.2

该站4台循环泵一台75KW，三台45KW，如果每度电按O．8元计算，则每年可节约电费31万元。

3、新增PLC控制柜，通过新增的PLC控制系统对现场设备进行优化的自动化控制，实现换热站的无人值守，从而达到降耗的目的。

通过以上改造后可以发现无人值守换热站很好的实现了对换热站设备的自动控制，提高了供热质量。

满足了用户需求的前提下，节约了大量的人力、物力资源，减少了不必要的浪费。

同时，管理人员可以更清楚的了解各个换热站的运行数据，使管理更加有地放矢，有效的提高了供热管理水平；提高了热力系统的运行管理水平；为热力系统的运行管理提供一个良好的支持环境；提高公司效益。

通过热网智能监控系统，管理人员可以更清楚的了解各个换热站的运行数据，使管理更加有地放矢，有效的提高了供热管理水平；提高了热力系统的运行管理水平；为热力系统的运行管理提供一个良好的支持环境；节约了大量的人力、物力资源，减少了不必要的浪费，大大提高公司效益。

对于第二换热站和第三换热站的改造参照上述第一换热站的改造方案，

项目图纸见下页

后附管理平台的运行画面截图

进入系统主画面

登录画面

登陆后画面

点击想要查看的小区名称进入小区布局图

点击想要查看的楼号，可以查看该楼内用户的相关情况，如图：

表1锅炉房基础信息统计表

供热面积

总面积___________m2，其中居民住户面积__________m2,学校、办公等公共建筑面积___________m2,其它建筑面积__________m2

锅炉信息

锅炉型号

容量

（MW）

台数

主要技术参数

生产厂家

锅炉安装年份

严寒期锅炉实际运行台数

备注

额定供水温度

（额定蒸汽温度）

额定回水温度

（额定蒸汽压力）

额定热效率

设计排烟温度

锅炉1

锅炉2

锅炉3

锅炉4

燃烧机型号

燃烧机生产厂家

燃烧机调节方式

锅炉1燃烧机

比例调节（）滑动调节（）两段火调节（）其他（）

锅炉2燃烧机

比例调节（）滑动调节（）两段火调节（）其他（）

锅炉3燃烧机

比例调节（）滑动调节（）两段火调节（）其他（）

锅炉4燃烧机

比例调节（）滑动调节（）两段火调节（）其他（）

采暖系统控制方式

手动控制（）自动控制（）

换热站设备信息

循环水泵型号及参数（一次泵）

型号____________________

流量（m3/h）______________

扬程（mH2O）______________

变频□

台数

配用电机功率（KW）

最冷天实际运行台数

补水泵型号及参数

型号____________________

流量（m3/h）_