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ABB自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在石河子市集中供熱中的應(yīng)用

【摘 要】石河子市城市建設(shè)的快速發(fā)展給供熱工作帶來一系列問題，對此，新疆天富熱電股份有限公司利用德國政府節(jié)能貸款，采用國內(nèi)先進(jìn)ABB公司供熱自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)，對石河子供熱系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，從而實(shí)現(xiàn)城市集中供熱自動(dòng)監(jiān)控和換熱站無人值守，大大提高了供熱公司運(yùn)行管理水平，增強(qiáng)了供熱系統(tǒng)調(diào)控能力，節(jié)能增效顯著。
【關(guān)鍵詞】ABB自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng) 無人值守?fù)Q熱站 節(jié)能增效

一、運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問題
新疆天富熱電供熱分公司現(xiàn)有集中供熱面積1150萬m2 ，由東、西、南熱電廠及3號站共四個(gè)熱源進(jìn)行供熱，共有3座換熱總站、1座中繼泵站、105座熱交換站，承擔(dān)著整個(gè)石河子市區(qū)98％以上的民用采暖及企業(yè)生產(chǎn)用汽供應(yīng)任務(wù)。供熱系統(tǒng)熱用戶與熱源之間采用間接連接方式，一次主網(wǎng)為多熱源獨(dú)立運(yùn)行，部分負(fù)荷可根據(jù)電廠生產(chǎn)情況及設(shè)備故障情況切換熱源，一、二次熱網(wǎng)均采用分階段變流量，質(zhì)調(diào)、量調(diào)相結(jié)合的方式進(jìn)行供熱，熱網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)主要靠操作人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工操作。
近四年來，石河子市集中供熱面積由670萬m2迅速增至1150萬m2，增幅達(dá)70%，城市建設(shè)的快速發(fā)展給供熱工作帶來一系列問題，主要包括：
（1）由于熱網(wǎng)系統(tǒng)不斷加大，且現(xiàn)有一次網(wǎng)與二次網(wǎng)大多未裝設(shè)流量、熱量調(diào)節(jié)裝置，導(dǎo)致系統(tǒng)水力工況、熱力工況失調(diào)現(xiàn)象難以消除，造成用戶冷熱不均；
（2）供熱系統(tǒng)未能在最佳參數(shù)下運(yùn)行，各熱源廠供熱量與需熱量不匹配，能耗較高；
（3）設(shè)備及管網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，不能及時(shí)地診斷、報(bào)警，從而影響整個(gè)城市供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；
（4）在換熱站數(shù)量大量增加的情況下，供熱公司由于沒有足夠的具備相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的值班人員，不得不大量使用季節(jié)工，運(yùn)行人員素質(zhì)的下降導(dǎo)致整體運(yùn)行調(diào)節(jié)水平降低，能耗增加。
針對以上情況，新疆天富熱電股份公司引進(jìn)德國政府節(jié)能貸款，采用ABB公司自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)，按照中央調(diào)度室集中監(jiān)控、各換熱站應(yīng)用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)無人值守?fù)Q熱站這一國內(nèi)先進(jìn)的供熱自控模式對全市105座換熱站進(jìn)行了自動(dòng)化改造，現(xiàn)將具體情況敘述如下。
二、自動(dòng)化熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
石河子自動(dòng)化熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)為分布式監(jiān)控系統(tǒng)，分為兩級監(jiān)控：一級監(jiān)控為主控室（MCC）；上位系統(tǒng)采用ABB公司800Xa工控系統(tǒng)軟件；二級監(jiān)控為就地監(jiān)控單元（LCM1、LCM2），下位采用ABB公司AC500可編程控制器。系統(tǒng)連接以光纜通訊為主，ADSL作為備用通道。本SCADA系統(tǒng)包括以下部分：主控中心（MCC）、熱源站控制（LCM1控制器）、各熱力站控制（LCM2控制器）、蒸汽用戶測量站（通過蒸汽熱量表與通訊接口，以無線GPRS上傳）、熱網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)最多可以連接200個(gè)換熱站LCM，最大數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目達(dá)20000個(gè)。
熱網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。
2、主控中心（MCC）
主控中心MCC是石河子供熱管網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制中心和信息交換中心，采用功能強(qiáng)大的ABB800Xa系統(tǒng)作為上位機(jī)軟件，該系統(tǒng)是ABB公司目前最先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)平臺，為用戶提供了一個(gè)單一的平臺，將操作運(yùn)行、工程組態(tài)和信息管理高度集成在一起，并極大地?cái)U(kuò)展了自動(dòng)控制系統(tǒng)的范圍，其軟件功能作為插件嵌入到系統(tǒng)中，未來可根據(jù)需要不斷擴(kuò)展新的功能，具備多用戶獨(dú)立工作、個(gè)性化人機(jī)界面、信息訪問方便迅捷、報(bào)警和事件處理明確、趨勢和報(bào)表詳盡多樣，以及歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)強(qiáng)大可靠等優(yōu)點(diǎn)，其工程師站界面如圖2，該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、畫面組態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)大屏幕顯示、控制操作、報(bào)警管理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能。MCC對整個(gè)供熱系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控（包括蒸汽及熱水），它從供熱系統(tǒng)收集主要數(shù)據(jù)，管理整個(gè)管網(wǎng)的操作數(shù)據(jù)，打印報(bào)告和記錄，MCC的設(shè)計(jì)可以容納200個(gè)LCM（包括LCM1和LCM2）以及150個(gè)蒸汽測量用戶，并且可以根據(jù)將來的需要進(jìn)行擴(kuò)展。
該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：
（1）及時(shí)檢測熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，了解系統(tǒng)運(yùn)行工況
實(shí)時(shí)采集所有熱力站的技術(shù)數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量、熱量、液位、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)、水電消耗等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)的水壓圖、溫度、流量分布狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中抄表，對運(yùn)行工況能做到“情況明朗，心中有數(shù)”。
（2）均勻調(diào)節(jié)流量，消除冷熱不均
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能隨時(shí)對熱網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，消除一次網(wǎng)、二次網(wǎng)水力失調(diào)，達(dá)到流量的合理分配，進(jìn)而消除冷熱不均的現(xiàn)象。
（3）合理匹配工況，保證按需供熱
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過對供熱系統(tǒng)特性識別和工況優(yōu)化分析，根據(jù)室外溫度的變化進(jìn)行最佳運(yùn)行工況的匹配，進(jìn)而對熱源站和各個(gè)熱力站實(shí)行自動(dòng)控制和運(yùn)行指導(dǎo)，保證按需供熱。根據(jù)此次多熱源的特點(diǎn)和管網(wǎng)分布情況不同，監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行水力計(jì)算，合理經(jīng)濟(jì)地分配負(fù)荷，并考慮在高峰負(fù)荷時(shí)調(diào)峰鍋爐的投入。
（4）及時(shí)診斷系統(tǒng)故障，確保安全運(yùn)行
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過對各熱力站的運(yùn)行參數(shù)分析，當(dāng)各熱力站發(fā)生超壓、失壓、泄漏、停電、設(shè)備等故障時(shí)進(jìn)行及時(shí)診斷和保護(hù)，向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。
（5）健全運(yùn)行檔案，實(shí)現(xiàn)量化管理
通過熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建立的各種信息數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)\(yùn)行過程中的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)需要打印運(yùn)行日志、水壓圖、水耗、電耗、供熱量、供汽量等運(yùn)行控制指標(biāo)。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)還可以存貯、調(diào)用供回水溫度、室外溫度、室內(nèi)平均溫度、壓力、流量、故障記錄等歷史數(shù)據(jù)，以便查詢、研究、分析和總結(jié)。
2、就地控制系統(tǒng)（LCM）
就地控制器是實(shí)現(xiàn)換熱站自動(dòng)化控制的核心部件，采用ABB公司AC500可編程控制器，該控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用靈活，工作可靠，支持Modbus等多種通訊協(xié)議，具備開放的數(shù)據(jù)接口，可通過DDE、OPC與熱源廠原有自控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并針對區(qū)域供熱的特點(diǎn)專門二次開發(fā)了詳盡的功能庫，根據(jù)換熱站規(guī)模及模擬量、開關(guān)量點(diǎn)數(shù)，就地控制器選用的主要組件有CUP PM581（見圖3），IO模塊AI523、AX522及DC523，該模塊式控制可通過擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展的功能，因此它可以適用于大多數(shù)類型的熱力站。所有各換熱站PLC通過我公司自建100M帶寬光纖通訊網(wǎng)使用TCP/IP協(xié)議與800Xa系統(tǒng)連接，上傳數(shù)據(jù)并接受調(diào)整參數(shù)指令，在通常情況下，就地監(jiān)控單元LCM自動(dòng)控制換熱站的運(yùn)行，不需要主控中心MCC或熱力站現(xiàn)場人員的參與，即使與上位系統(tǒng)的通訊中斷，PLC也能保持正常運(yùn)行。
  換熱站就地控制系統(tǒng)包括PLC型控制器、控制閥、執(zhí)行器、傳感器或變送器、變頻器和熱量表/流量表，具備采集功能、存儲(chǔ)功能、顯示功能、通訊功能、自檢功能、控制功能、故障報(bào)警、Web訪問、遠(yuǎn)程配置、安全保護(hù)功能（停電、超壓、失壓、汽化等）。其監(jiān)控的參數(shù)為：一次網(wǎng)高溫水溫度、壓力；一次網(wǎng)回水溫度、壓力；二次網(wǎng)供水溫度、供水壓力；二次網(wǎng)回水溫度、回水壓力；室外溫度；一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（反饋及控制）；循環(huán)泵運(yùn)行狀態(tài)反饋、循環(huán)泵頻率反饋、循環(huán)泵頻率控制；補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋、補(bǔ)水泵頻率反饋、補(bǔ)水泵頻率控制；補(bǔ)水水箱液位；一次網(wǎng)供汽流量（熱量）；二次網(wǎng)補(bǔ)水流量。
就地控制系統(tǒng)的控制回路和功能主要包括：
1）供熱溫度控制回路
供熱溫度的設(shè)定主要的控制方式是根據(jù)室外溫度曲線計(jì)算得到，通過調(diào)整一次側(cè)電動(dòng)控制閥開度來控制二次側(cè)的供水溫度和供熱量。補(bǔ)充控制方式還包括分時(shí)段限定二次水供水溫度以保證一次網(wǎng)水力工況的穩(wěn)定，以及限定一次水供熱量或流量以保證熱源不足時(shí)的平衡供熱。
2）壓力和差壓控制回路
二次網(wǎng)壓力、差壓（熱力站外）必須根據(jù)固定或可變的設(shè)定值進(jìn)行控制。每臺水泵配備變頻器。水泵應(yīng)該可以自動(dòng)切換運(yùn)行以保障每臺水泵運(yùn)行時(shí)間相同。在水泵或變頻器故障時(shí)，應(yīng)該可以自動(dòng)切換到其它水泵/變頻器。配備變頻器的補(bǔ)水泵保證二次網(wǎng)的回水壓力為預(yù)先設(shè)定值（循環(huán)泵入口壓力）。兩臺補(bǔ)水泵配備一臺變頻器，在一臺補(bǔ)水泵故障時(shí)，變頻器自動(dòng)切換至另一臺補(bǔ)水泵。
熱力站自控系統(tǒng)典型流程示意圖如圖3所示。
3）報(bào)警功能
換熱站停電報(bào)警、循環(huán)水泵故障報(bào)警，補(bǔ)水泵故障報(bào)警，一、二次側(cè)供水壓力高過設(shè)定值或二次側(cè)回水壓力低于設(shè)定值報(bào)警，一、二次側(cè)供水溫度高過設(shè)定值報(bào)警、補(bǔ)水箱水位低報(bào)警、防盜侵入報(bào)警等。
4）安全功能
如果所有循環(huán)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，則一次側(cè)的電動(dòng)控制閥將關(guān)閉保護(hù)換熱器。但至少一臺循環(huán)泵開始工作時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥將開啟；如果二次側(cè)的供水溫度在一定時(shí)間內(nèi)超過設(shè)定值，則一次側(cè)的電動(dòng)控制閥的最大開度將進(jìn)行限制。如果二次側(cè)供水壓力超過安全設(shè)定，換熱機(jī)組將自動(dòng)停止運(yùn)行。如果二次側(cè)的回水壓力低于安全設(shè)定，換熱機(jī)組將自動(dòng)停止運(yùn)行。
4.經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益
本系統(tǒng)截至2010年2月底已安裝調(diào)試完73個(gè)水水換熱站，在2月份平均溫度較09年2月低4.4℃的情況下，供熱單耗由09年的0.213GJ/m2降至0.2079GJ/m2，考慮天氣因素后，10年2月供熱單耗修正為0.181GJ/m2，較去年同期節(jié)能達(dá)15.02%。在人工工資方面，105個(gè)換熱站最終全部實(shí)現(xiàn)無人值守后，可節(jié)省人力400余人，節(jié)約人工工資約380萬元/年，經(jīng)濟(jì)效益較為突出。而在社會(huì)效益方面，投入該自控系統(tǒng)后，由于一、二次管網(wǎng)水力平衡（二次網(wǎng)全部裝設(shè)平衡閥），各換熱站均在最佳參數(shù)情況下運(yùn)行，系統(tǒng)供熱量與需熱量基本匹配，不僅大大減少了用戶冷熱不均的現(xiàn)象，而且使絕大多數(shù)熱用戶家中基本保持在一個(gè)相對恒定的舒適溫度，得到了市民一致的好評。
5.小 結(jié)
事實(shí)證明，ABB公司自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在石河子市集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的，該系統(tǒng)提高了供熱工作的自動(dòng)化水平，提高供熱效率、降低運(yùn)行成本，在滿足用戶需求的前提下，節(jié)約了大量的人力、物力，使我市供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平上了一個(gè)新臺階，在取得了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更取得了不錯(cuò)的社會(huì)效益。