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RTU在城市热网自动控制系统中的应用

RTU在城市热网自动控制系统中的应用

引言
我国北方地区的冬季漫长而寒冷,暖气、地热等供暖方式已经成为这里人民冬季室内御寒的主要手段。随着城市供热管网的改造工程逐步深化,小区锅炉供暖的形式已在逐渐推出舞台,由一个热电厂负责几个片区的供热已经成为目前城市供热的发展趋势。目前由于各区域的距离远近,管网质量,换热设备等硬环境参差不齐,也存在着供热效率低、供热不平衡、能量浪费、热网波动严重等诸多问题。
该项目是我国北方某城市市政供热系统。该供热管网是以某热电厂为热源,总供暖面积540万平方米,热网半径约6千米,采用间接式供暖。一次网供、回水温度为130/70℃,供水压力14.7公斤/平方厘米。30座热力站和公用系统。
根据用户的具体要求,对于该供热自控系统,既要根据室外温度的变化调节二次侧供水温度,保证终端热用户的室内变化不超出某一范围(18±2℃,最低不低于16℃),这样既保证终端热用户有一个舒适的生活、工作环境,也可以最大限度地节约能源,同时也要实现在换热站的无人值守的情况下中控室可以远程调度每个热力站的参数,保证整个热网的热力平衡,供热系统可以安全可靠地运行。并初步实现热网热量的计量。

系统控制策略分析
目前我国北方地区大部分采用城市集中供热形式,一个热电厂负责几百万平米的供热面积是很普遍的事情。供热系统是一个大惯性系统,供热面积越大惯性越强;各热力站之间存在一次网的水力耦合问题,热力站越多、网络越复杂这种耦合也就越强烈,这都给热网的水平热力调节带来了极大的控制难度;目前我国由随着“分户供暖”工作的逐步实施部分热用户已经采取了分户按流量计费的供暖收费方式,这和传统的按面积收费对供热公司的供暖理念有着本质差别。按热量收费时,供热公司只要尽可能地满足各用户的用热需求,为了节省采暖费,热用户会自动限制自己的用热量;而按面积收费时,热用户不会自觉节省热量,供热公司要在保证热用户的基本供热效果的前提下尽可能减少供热量来达到节能增效的目的。
考虑到上述社会现象,根据历年的气象统计,东北地区平均每个供暖季只有有30天能够达到最低气温,而每个供暖季共有135天的时间,也就是说仅有22%的时间热网处于满负荷运行状态。在其余的时间里,例如初寒期和末寒期,室外温度偏高,系统并不需要如此多的热量。由此采用分阶段改变流量的调控方案以便节省能耗。即在处寒期和末寒期,改变热水流量。由于热网规模较大,大容量的泵的启停工作量很大,所以应慎重选择流量改变的负荷转折点,计算最不利点压差和相应的供回水温度,确保系统供热质量不受影响。
针对该系统我们对一次网采用流量分段控制方案。热用户室内温度是控制系统的目标参数,室内温度主要取决于换热器的效率和二次网的综合供热能力。在这两个因素不变的前提下,热用户室内平均温度取决于二次网的供回水平均温度和当时的室外温度。我们把室外温度范围划分成几段,设置一定的模糊区域以防止系统频繁调节导致抖动,在不同的温段内我们通过改变一次网调节阀的开度来控制二次网的供回水平均温度。
根据控制策略分级执行的原则,该系统可以分成以下几部分:
·热力站就地监控系统:以SuperE RTU为核心,现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的启停状态等信号传输到控制器,由其进行A/D转换并作出判断和处理,实现现场的就地控制。
·现场仪表和执行机构:包括温度、压力、热量、流量、液位等传感器和变频器、阀门执行器等执行机构。
·通讯系统:以有线电话网(PSTN)为传输介质,实现热网热源调度中心与热力站就地监控系统的通讯;以双绞线(以太网)为传输介质,实现中控室内部工作站与厂区办公管理系统的通讯。
·热网热源调度中心:作为整个供热系统的运行调度枢纽,能够完成所有的数据处理和控制功能。

热网热源调度中心监控系统
在中央控制室能对整个热网控制系统进行在线实时数据采集、控制,并实现管网分析与仿真、故障诊断、报警、历史数据处理、趋势显示、报表打印等功能。中控室系统结构如图1所示:


中央控制室由一台通讯处理机,一台工程师站和若干台工作员站组成,它们之间由快速以太网互连,并可通过此网络接入企业管理信息网。所有的控制命令均是通过组态好的客户定制系统中文人机界面操作。如启停某一设备、手动或自动执行顺序控制、SuperE RTU控制方式的切换及对现场SuperE RTU参数设定值的修改等。
上位机开发平台我们选用了MCGS5.5组态软件配合C语言程序实现控制系统的通讯、管理、监控和显示。该系统提供了一个完整的对象数据库,将用户接口、控制功能块、以及整个系统和设备的控制信息综合在一起,以满足监控要求。考虑到与下位机通讯的稳定性、现场的实施方便及易操作性、经济合理性。我们采用分组交换的通讯方式,既能保证上位机与下位机之间通讯的稳定性,又能保证工程现场实现的易操作性。软件系统结构设计如图2所示:


系统运行、操作监督管理系统实现对系统信息的管理。它与下位机通讯并给用户提供了对下位机操作的平台;采集数据的集中分析模块在系统运行时从下位机取得数据,将取得数据进行分析、处理,并将处理后的数据进行存储,同时提供接口与其他模块交互使得其他模块可以取得系统的信息,提供历史数据。
系统运行、操作监督管理系统模块实现用户显示界面并完成与用户的交互并完成对前台显示的组态过程。在系统运行时与用户交互,显示下位机的运行状态,并接收用户输入,产生相应的控制信息,通知系统管理模块控制下位机运行。
信息生成及数据通迅模块负责生实现上、下位机之间的数据通讯。

热力站就地监控系统控制原理
热源厂通过输汽管道将过热蒸汽输送到各换热站,在换热站中蒸汽经热交换器将采暖热水加热,循环泵通过供热管道将热水送到各热用户。因此,换热站作为热源厂与热用户之间的中间环节,其供热品质的好坏对改善热网热力工况,提高供热质量起着重要作用。就地控制系统能够根据室外环境温度及不同的供热时段采取具有一定前瞻性的供热策略,使每一个换热站按照设计迅速达到热平衡,不但可以极大地节约能源,而且可以对热网的水力平衡起到不可忽视的积极作用。
换热站工艺流程如图3所示:


为了达到设计目的,需对换热站内的参数进行测量与控制。具体监控表如表1所示。


由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同,很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量,而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度,因此本系统采用控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。控制原理框图见图4。


图4中T0表示室外大气温度5 min内的平均值,TS表示供、回水温度的设定值,T1表示供水温度测量值,T2表示回水温度测量值。图中红线所示的反馈回路需要控制系统通过远程方式采集多个典型热用户的室内温度,并求出其平均值来修正TS的给定。因为热用户的室内温度并不是每个热网控制系统都有条件对该值进行监控,所以这里我们在该方案中不考虑此回路。




补水控制
供、回水压力是热网安全运行的重要参数。供水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片的破裂;循环热水的流失会使回水压力过低,有可能形成热水汽化,引起热交换器的剧烈振动。恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制,但考虑到成本问题以及此处对压力的稳定性要求并不高,只要压力不超出某一范围即可,所以采用开关补水控制方案。补水控制逻辑中涉及到的供水压力P1和回水压力P2间的关系可参看相关资料。
供热量及换热器效率计算
换热器中供热蒸汽提供的热量部分被热水吸收,也就是说换热器的效率不可能为100%。换热器的换热效率一方面由换热器的结构决定,另一方面由于换热器内部结垢而使效率降低,当换热效率低于某一值时(例如75%),系统做出提示报警,提示操作人员及时除垢。
过热蒸汽经换热器后变成凝结水,因此其提供的热量为:
Q1=W*γ (2-1)
式中,W—外网蒸汽质量流量,
γ—过热蒸汽汽化潜热。
当系统不补水时,供水流量M1等于回水流量M2,此时瞬时供热量为:
Q2=Cp*M2(T1-T2) (2-2)
当系统处于补水状态时,供水流量M1等于回水流量M2与补水流量M3之和,此时瞬时供热量为:
Q'2=Cp*[M2*(T1-T2)+M3*(T1-T3)] (2-3)
式中,T1为供水温度,T2为回水温度,T3为补水温度,Cp为水的比热容,因压力和温度都不太高,为简化计算,取Cp=4.1868(MJ/T·C),流量单位是t/h,热量单位是MJ。因此,当不补水时换热器的热效率为:
n=Q2/Q1 *100% (2-4)
当补水时换热器的热效率为:
n=Q'2/Q1 *100% (2-5)
前馈+反馈控制算法
因补水温度较低,当补水泵开启时,会使供水温度迅速降低,而且由于压力的变化需经常开关补水泵,所以这是引起供水温度波动的一个重要原因,采用前馈控制会使系统性能得到较大改善。比较式(2-2)、(2-3)可以看出,如果要保证补水前后供水温度T1不变,需在开启补水泵的同时,加大供热蒸汽量,多提供:ΔQ2=Q'2-Q2=Cp*M3*(T1-T3)的热量。考虑到换热器的热效<
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