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微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在熱網(wǎng)中的應(yīng)用

北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所 方媛媛

【摘 要】本文介紹了微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)——天氣驅(qū)動(dòng)式專家供熱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)及應(yīng)用效果。該系統(tǒng)集鍋爐集中控制、氣候補(bǔ)償和分時(shí)分區(qū)控制三項(xiàng)技術(shù)于一體，主要通過監(jiān)測(cè)熱網(wǎng)運(yùn)行的參數(shù)變化來分析熱網(wǎng)的運(yùn)行情況，并能保證供熱系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，從根本上改善過量供熱的問題，實(shí)現(xiàn)了按需供熱，體現(xiàn)了熱能利用效率的最大化，在北京市交管局培新街的集中供熱網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。
【關(guān)鍵詞】微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 天氣驅(qū)動(dòng)式 專家供熱控制系統(tǒng) 節(jié)能

1 引 言
隨著人類文明化程度的提高，資源匱乏初見端倪，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，可見節(jié)能減排已成為一種必然趨勢(shì)。2007年10月頒布的《中華人民共和國(guó)能源法》中已將節(jié)約能源定為我國(guó)繼計(jì)劃生育、保護(hù)環(huán)境之后的第三個(gè)基本國(guó)策。在這種背景下，對(duì)現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行節(jié)能改造，在熱網(wǎng)中運(yùn)用先進(jìn)的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用天氣驅(qū)動(dòng)式專家供熱控制系統(tǒng)的控制方式可以使鍋爐在高效率下運(yùn)行，不僅可以節(jié)約能源，并且可以減少排放從而改善了環(huán)境，順應(yīng)國(guó)家提出節(jié)能環(huán)保政策的趨勢(shì)。
2 系統(tǒng)原理
本鍋爐房主要承擔(dān)10.2萬平方米公寓、辦公及住宅的供暖任務(wù)?，F(xiàn)有2.8MW燃?xì)鉄崴仩t三臺(tái)，循環(huán)水泵4臺(tái)，兩用兩備，揚(yáng)程40m，流量150 m3/h。
結(jié)合鍋爐房實(shí)際情況，根據(jù)業(yè)主要求，在不改變管網(wǎng)原有結(jié)構(gòu)情況下，除了在管道上加傳感器外，還配備一套供熱自控系統(tǒng)，進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)［1］。即在不改變供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的前提下，通過改變網(wǎng)絡(luò)的供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)原理圖如圖1-1所示：它所監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)有熱網(wǎng)的供水溫度、回水溫度、煙氣溫度、供水壓力、回水壓力、供水流量等。
基本公式
        Q1=Q2=Q3（1-1）
      Q1=qV（tn-tw）（1-2）
   Q2＝KF（■-tn）（1-3）
      Q3＝Gc（tg-th）（1-4）
Q1——建筑物設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，W；
Q2——散熱器放出的熱量，W；
Q3——熱水網(wǎng)路輸送給供暖用戶的熱量，W；
q——采暖體積熱指標(biāo)，W/m3℃；
V——建筑物外部體積，m3；
tg——供水溫度，℃；
th——回水溫度，℃；
tn——室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；
tw——室外設(shè)計(jì)溫度，℃；
K——散熱器傳熱系數(shù)，W/m2℃；
F——散熱器散熱面積，m2；
G——熱水網(wǎng)路質(zhì)量流量kg/s；
C——熱水的質(zhì)量比熱；c=4.18kJ/kg℃。
由公式（1-1）可知：供熱系統(tǒng)要保證鍋爐供熱量與建筑物的需熱量一致，才能基本滿足供暖舒適要求。本供暖系統(tǒng)編程基本公式：
Q1＝qV（tn-tw）＝?琢（18-?駐t-tw）（1-5）
α——建筑物系數(shù)；
18-?駐t——編程室溫；
由公式（1-5）可知，如果供熱建筑物已定，則建筑物系數(shù)α已定，建筑物的熱負(fù)荷只與編程室溫和室外溫度有關(guān)。
其中，編程室溫主要與建筑物使用功能和使用特點(diǎn)有關(guān)。比如，辦公樓與居民樓供熱需求就大相徑庭，辦公樓晚上6：00到早上7：00這一時(shí)間段，幾乎可以停止供暖，只要保證管路不結(jié)冰就可，但是居民樓必須保證24小時(shí)連續(xù)供暖，而居民樓不同的供暖時(shí)段其熱量的供應(yīng)也是不均勻的，如零點(diǎn)至凌晨5點(diǎn)這一時(shí)段，熱量的供應(yīng)就應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p小。這就是所謂的分時(shí)分區(qū)供暖。
另外一個(gè)影響因素就是室外溫度tw，由于天氣的變化，太陽的輻射，風(fēng)力的變化，導(dǎo)致室外溫度tw是逐時(shí)變化的，此時(shí)要求鍋爐的供熱量隨著tw的變化而調(diào)整，這就是通常所講的氣候補(bǔ)償。
校正公式［1］：
tg=tn+■（tg′+th′-2tn′）（■）1/（1+B）+■（■）（1-6）
th=tn+■（tg′+th′-2tn′）（■）1/（1+B）-■（■）（1-7）
其中，tn、tw、tg、th分別是室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、室外采暖設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)供水溫度、設(shè)計(jì)回水溫度；tn′、tw′、tg′、th′分別是運(yùn)行時(shí)室內(nèi)溫度、室外溫度、實(shí)際供水溫度、實(shí)際回水溫度；B為散熱器指數(shù)。
對(duì)于本系統(tǒng)，供暖供水管上沒有裝溫度傳感器，所以只能讀回水溫度進(jìn)行校正，即對(duì)公式（1-7）進(jìn)行計(jì)算，得出設(shè)計(jì)回水溫度。
  本系統(tǒng)的控制過程見下面的簡(jiǎn)圖。
  3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)
根據(jù)不同的熱負(fù)荷需求調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)鍋爐智能化運(yùn)行，避免了司爐工之前“看天燒火”、憑借經(jīng)驗(yàn)調(diào)整鍋爐出力的做法。并且系統(tǒng)還可分時(shí)分段對(duì)用戶供熱，既保證了能源不浪費(fèi)，又保證了用戶舒適供暖。下面介紹系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。
3.1 集鍋爐集中控制、氣候補(bǔ)償和分時(shí)分區(qū)控制三項(xiàng)技術(shù)于一體
①集中控制
將現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)鍋爐控制器的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，上傳到位于上位機(jī)的集中監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)節(jié)能模型以及鍋爐運(yùn)行的理論最佳值，來處理數(shù)據(jù)，從而達(dá)到全部鍋爐統(tǒng)一、協(xié)調(diào)地工作，節(jié)能效果最大化和延長(zhǎng)鍋爐壽命“兩不誤”。
②氣候補(bǔ)償
根據(jù)室外溫度的變化，按照設(shè)定曲線模型對(duì)供水溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)供水溫度與室外溫度的自動(dòng)氣候補(bǔ)償，避免產(chǎn)生室溫過高而造成能源浪費(fèi)，確保用戶室內(nèi)溫度適宜。能夠根據(jù)室外環(huán)境溫度的變化及一天24小時(shí)的建筑物內(nèi)不同的負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)整鍋爐熱負(fù)荷與之相符，保證鍋爐在較高的效率下運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)氣的效果。
③ 分時(shí)分區(qū)
根據(jù)各種供暖的因素（不同的用戶類型、數(shù)量、形式及特點(diǎn)等）合理調(diào)配鍋爐啟/停的臺(tái)數(shù)、級(jí)數(shù)及組合方式等，保證鍋爐每時(shí)每刻都在高效率的狀態(tài)下運(yùn)行，保證舒適采暖的同時(shí)又減少能源的浪費(fèi)。
3.2 全自動(dòng)智能動(dòng)態(tài)質(zhì)調(diào)節(jié)
與大多數(shù)工程上使用氣候補(bǔ)償器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥不同，本系統(tǒng)通過控制鍋爐啟用臺(tái)數(shù)和開啟時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水溫度的調(diào)節(jié)。目前在國(guó)內(nèi)使用的氣候補(bǔ)償器通常是進(jìn)口的，如西門子、丹佛斯、霍尼維爾等廠家的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)也有一些產(chǎn)品，基本控制原理和方式與國(guó)外產(chǎn)品類似［2］。由于大部分產(chǎn)品核心是單片機(jī)，計(jì)算能力有限，所以它們基本上是提供若干溫度調(diào)節(jié)直（曲）線供用戶選擇，但是，影響供水溫度的因素是很多的，如用戶圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、保溫材料、建筑的朝向、小區(qū)的特點(diǎn)、用戶暖氣片的形式等等，有限的幾條線是不可能滿足所有用戶的要求的。
而本套系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是以組態(tài)軟件為平臺(tái)，根據(jù)用戶用熱性質(zhì)，“量身定做”一套適合本用戶自身特點(diǎn)的供熱曲線，并且曲線形狀根據(jù)用戶需求可以隨時(shí)分段調(diào)整。見圖2-1。
3.3 合理調(diào)配資源
避免一臺(tái)鍋爐一直運(yùn)行，合理調(diào)配資源，定期切換鍋爐運(yùn)行，保證鍋爐始終在高效率段運(yùn)行。如下表2-1所示：“√”代表鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，“√主”代表以此臺(tái)鍋爐為主運(yùn)行。
基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，由于鍋爐燃燒過程是一個(gè)不穩(wěn)定的復(fù)雜變化過程，各種各樣的因素都會(huì)引起工況的變化。系統(tǒng)內(nèi)加入了程序，系統(tǒng)可按照事先設(shè)定的模式運(yùn)行，減少了鍋爐工重復(fù)性勞動(dòng)，大大減少了鍋爐工的誤操作，提高了鍋爐運(yùn)行效率。所以，工作人員的工作由操作變?yōu)楸O(jiān)控，只要系統(tǒng)運(yùn)行正常，不提倡工作人員干預(yù)系統(tǒng)的正常工作。圖2-2是供熱控制系統(tǒng)的鍋爐運(yùn)行狀態(tài)。
4 系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)基于“集中管理，分散控制”的工業(yè)控制模式建立技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用且便于二次擴(kuò)展的集監(jiān)視和計(jì)算機(jī)調(diào)度管理于一體的監(jiān)控系統(tǒng)，并且系統(tǒng)具備良好開放性［3］［4］，以完成對(duì)整個(gè)鍋爐熱網(wǎng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)變量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示。工藝流程以直觀醒目的方式呈現(xiàn)畫面上。而且，還可以根據(jù)客戶的要求提供多種報(bào)表打印和歷史數(shù)據(jù)保存等功能。
其主要功能如下。
4.1 數(shù)據(jù)、狀態(tài)顯示及打印
系統(tǒng)配有溫度、壓力、流量等傳感器，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)變化，還可以顯示一些開關(guān)量的變化，例如：鍋爐的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)。而且可對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和打印。
4.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線
趨勢(shì)曲線用來反映變量隨時(shí)間的變化情況，可以觀察任意時(shí)間段的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。如圖3-1所示，可以顯示任意時(shí)段的爐前溫度的變化曲線，這樣鍋爐工可以直觀分析鍋爐的負(fù)荷變化，做出反應(yīng)。

4.3 歷史數(shù)據(jù)報(bào)表查詢打印
數(shù)據(jù)報(bào)表是反映鍋爐系統(tǒng)中的過程數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)的一種重要工具。它既能表現(xiàn)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)的運(yùn)行情況又能對(duì)長(zhǎng)期的運(yùn)行過程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，使管理人員能夠掌握和分析運(yùn)行過程情況。運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢?nèi)鐖D3-2所示。
4.4 中央調(diào)度及遠(yuǎn)傳功能
正因?yàn)橛辛藬?shù)據(jù)傳輸功能，可以對(duì)多臺(tái)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行“監(jiān)視”，這樣控制中心便可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)度。還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳［5］。
4.5 故障報(bào)警功能
可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求將變量的報(bào)警信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并且可以靈活的進(jìn)行歷史報(bào)警的查詢、打印。只要鍋爐出現(xiàn)故障，報(bào)警畫面就會(huì)立刻提示鍋爐故障原因。
5 應(yīng)用效果
以北京市某鍋爐房的供暖節(jié)能改造工程為例，在沒有采取其他任何的措施，只是在舊的系統(tǒng)上安裝了本供熱控制系統(tǒng)，通過幾個(gè)采暖季的運(yùn)行實(shí)踐證明，一方面大大提高了采暖用戶的舒適度，另一方面每年可以節(jié)約燃?xì)?0%～14%，一個(gè)采暖季，節(jié)約天然氣10多萬立方米，節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)用可達(dá)10萬元以上，還節(jié)約了近30%的燃燒機(jī)耗電費(fèi)用，得到用戶的一致好評(píng)。
因此，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、測(cè)量精度高、成本低和軟件實(shí)用等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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