SCADA-RTU在集中供热节能控制方面的应用

哈尔滨顺易天翔热力技术开发有限公司 任少臣，范家鹏

哈尔滨华能集中供热有限公司，承担着哈尔滨道里区道外区近1300万平方米的集中供热工作，现有换热站100余座。在2010年开始连续两年应用ABB的AC500系列PLC的RTU，由哈尔滨顺易天翔热力技术开发有限公司设计并调试，供热值按设定参数运行，运行数据和运行状态以及故障情况能实时上传到公司调度中心机房换热站可实现无人值守。下面就对笔者公司换热站调度中心SCADA组态软件及RTU系统应用情况进行简要介绍。

1 换热站自控设计原则

（1）自动化控制系统的目标是在保证供热质量的前提下，达到经济运行，即降低热、水、电的消耗，为此就需要提出一套科学的工艺控制方案和与之配合的设备设置，这是十分重要的，应该高度重视。

（2）在设计整个供热系统自动化时，要充分考虑到系统的兼容性、开放性、通用性及可扩展性。

（3）换热站自动化系统针对热用户的不同情况，制定具有针对性的控制策略，在选择控制系统及配套仪表时，应该本着性能可靠，简单实用便于维护的原则。

（4）根据系统规模及系统的复杂程度，选用高性价比的自控系统，比如国内外知名品牌的PLC(可编程序控制器)系统及控制软件。目前哈华能热网采用的热网RTU主要元器件采用ABB品牌PLC。

（5）在设计自控系统网络时，要充分考虑到系统的稳定性以及将来系统的扩容，通讯协议选用在国际上或者在国内已经广泛应用的通讯协议。

2 SCADA调度中心系统的组成（图1）

图1 哈华能热网调度中心系统框图

哈华能供热公司使用VPN和3G相结合与组态软件进行通讯的热网调度中心系统。

2.1 SCADA调度中心配置

2.1.1 数据接收服务器

数据服务器主要实现热网实时数据采集、实时数据库管理、综合计算、热网数据分析计算和处理、事故故障信号的分析处理。同时实现热网控制系统的信息管理、历史数据以及历史事件的显示、存储和归档。管理整个监控系统的历史数据，提供监控系统的历史数据和曲线查询的服务。

2.1.2 网络发布服务器

完成对程序的开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改，并提供工程师站的有关外设。

网络发布服务器，其主要任务是在标准画面和用户组态画面上，汇集和显示有关的运行信息，供运行人员据此对机组的运行工况进行监视和控制。

2.1.3 操作员站

操作员工作站系指实现运行人员热网监控系统人机接口的工作站，功能包括图形显示、定值设定及变更工作方式等。运行值班人员通过彩色液晶显示器可以对热网的生产、设备运行做实时监视，取得所需的各种信息。热网调度中心所有的操作控制都可以通过鼠标及键盘实现。操作员工作站配置声卡和语音软件，用于当被监控对象发生事故或故障时，发出语音报警提醒运行人员。

2.2 调度中心主要功能

调度中心的功能要满足用户的要求，调度中心软件主要实现以下功能，实现数据传输、远方控制、远方调节、实时画面报警、历史数据记录、历史曲线查询、日月报表、分类统计报表、负荷预测、全网平衡控制，及热网应急控制等功能。系统并预留和关系数据库的接口，如SQL Server/Oracle/Access等接口。

工艺流程图，如图2所示，按实际热力站情况模拟显示热力站运行的实时工况。

图2 工艺流程图

水力图，如图3所示，按曲线的方式显示各站点间水力工况的分布。

图3 水力图

3 换热站自控系统组成

换热站自控系统一般由PLC、现场仪表及电器、通讯接口、人机接口触屏等组成。如图4所示。

图4 换热站工艺流程示意图

具体采集参数如下：

（1）一次网供水温度、压力、流量（热量）；

（2）一次网回水温度、压力；

（3）二次网供水温度、压力；

（4）二次网回水温度、压力；

（5）一次网供水流量调节阀开启度；

（6）循环水泵、补水泵运行状态；

（7）循环泵、补水泵的频率控制与反馈。

图5 换热站自控系统框图

如图5所示，温度、压力、流量等参数通过现场仪表传感器转换成标准的电信号，变频器把电机的电流、转速等信号送入RTU，RTU可以控制变频器的启停及调速。触屏作为现场的人机接口，显示换热站的主要参数及设备状态，现场的操作指令也可以通过触屏下达。

换热站自控系统采用ABB的RTU、变频器和触摸屏，具体配置如下，如表1所示。

表1

换热站RTU如图6所示。

图6 换热站RTU

4 换热站控制策略

换热站控制策略采用热力平衡的控制策略。

热量平衡：当热水网路在稳定状态下运行时，如不考虑管网的沿途损失，则网路的供热量应等于供暖用户采暖设备的散热量，也应该等于供暖热用户的热负荷。

即1Q=2Q=3Q这也是供热调节的理论基础，从公式中可以看出，系数q及V一般变化不大，可以认为是常数，所以要控制建筑物的室内温度一定时，只有tw–室外温度一个变量，也就是说室外温度是影响建筑物供暖热负荷的唯一变量。

所以在热网自控系统中，室外温度的变化是系统产生扰动的决定性因素，控制的主要目的就是抵消室外温度变化产生的扰动影响，维持系统的平衡。笔者公司采用 “室外温度－供水温度的调节” 与“分阶段改变流量”结合方式。

4.1 供水温度tg调节

tg–供水温度；室内温度；室外温度；相对流量比；等于实际流量G与设计运行流量G'的比，散热器的散热指数，对于常用散热器 =0.14～0.37公式中凡带有上角标“＇” 的参数为设计工况下的，不带上角标的为任意室外温度tw下的参数。

当室外温度tw一定时，相对流量比是定值，所以供水温度tg也是定值。

通过以上分析可以知道，在一段时间内的平均室外温度和供水温度在理论上有唯一的对应关系，能够很容易通过理论计算求出质调节时室外度–供水温度的对应曲线。

如图7所示，室外温度–供水温度的对应曲线在某一段可以近似为折线，可以通过多段折线函数来描述室外温度–供水温度的对应关系。即tg=f(tw)。

图7 室外温度–供水温度的对应曲线图

控制梯形图，如图8所示。

优点：此种控制策略的优点比较突出，直接控制供水温度具有调节周期短，较稳定的特点，而且便于实时修正，此种控制在自控调节上也最容易掌握，因此此种控制策略的应用较多，比较适合于单纯质调节和质调节+分阶段量调节的热力站。

图8 控制梯形图

缺点：在同一室外温度下，当流量比变化时，相对供暖热负荷比会改变，二级网供水温度tg也会改变，曲线得重新制定，比较繁琐。另外用同一条曲线很难适应所有的建筑，必须结合运行人员的实际经验加以修正，才能达到令人满意的效果。

由于供热系统热惰性大，属于滞后系统，对于调节规律的选择，适合于采样调节，即流量调节阀不连续调节，避免产生振荡，使被调参数出现上下反复波动现象，这样调节效果反而不好。采样调节就是对流量调节阀进行间歇性调节，可采取30分钟调节一次的方法，这要视供热系统的规模大小而定。系统越大，调节间隔应愈长，这样可以充分反映延时的影响。每次调节，流量调节阀的开度变化也不能过大，要进行行程限制。

不论采用何种控制策略，都要把单位面积供热量Q（W/ m2）作为一个重要的考核指标，用此来考核每个换热站是否经济运行，还可以避免换热站热力失衡。

4.2 分阶段改变流量

循环水泵的控制主要是保证二级网的水力工况，根据情况可以采用一对一或一对多的调节模式。运行方式主要为以下几种。

（1）定压差调节

以二级网出口母管的压差为控制目标，通过变频器控制循环泵的转速，保持二级网出口母管的压差始终保持在定值。

（2）分阶段改变流量

在采暖热机组中，根据供热阶段的不同，热负荷会有很大的变化，所以我们可以供热期分为初末期、中期、严寒期三个阶段，在每个阶段采用不同的流量运行，比如在初末期以70%的额定流量运行，在中期以80%的额定流量运行，在严寒期以额定流量运行，这样将节省大量的电能，也能保证更加理想的运行工况。

在热风幕机组中，热负荷的主要需求为9:00～20:00时段，所以我们在热负荷需求时段设定正常压差值，保证用户的供热量，在其它时段RTU自动切换为设定的经济压差，保证系统运行需求的最低负荷指标。这样即满足了用户的要求，要保证了能源的合理利用。

循环泵采用MODUS总线对变频器进行控制，梯形图如图9所示。

图9 控制梯形图

5 节能效果分析

5.1 降低单位热能消耗

通过自动控制方案的实施，一方面减小了管网水平失调的程度，使得供热房间温度的分布更为均匀。另一方面，当热用户的负荷较小时，可以通过减小流量的方式降低水泵能源的消耗。另外通过对一次网流量调节阀的自动控制、换热站水泵合理、及时的调节，还可以避免人工调节在时间上的滞后性和对经验的依赖性。

5.2 降低单位电耗

在换热站增设水泵变频设备，可对水泵电机频率进行自动控制，通过改变电动机的电流及频率，达到节能的目的。变频控制的调节范围很宽，且能保持较高的效率，实现精度很高的运行。变频控制的节能还表现在消除了电动机启动过程中的大电流，对延长水泵的使用寿命也很有益处。

以笔者所在的公司一个15万平米供热面积换热站为例，2010年换热站水泵共耗电23.4万度，即电单耗为1.56度/平米供热面积，2011年在自动控制方案的实施下，电单耗为1.25度/平米供热面积，15万平米供热面积节电量为4.65万度，按电单价0.747计算，可节省购电费用3.44万元。

5.3 降低人工费

增加自动控制设备，换热站最终达到无人值守，可节省人员费用3万元15万平米供热面积合计节省运行费用和人工费用28.2万元。

所以通过自控调节手段及变频器的合理配置，一定能达到很好的节能效果。

6 结语

综上所述，ABB的RTU软件及硬件在热网自控系统中能够使热能更加有效地得到利用，并且降低供热成本，提高供热效率，使供热效果显著提高。