热力站节能减排中自动控制技术的应用

李勇强

（太原热力集团有限责任公司第五供热分公司，山西太原 030000）

过去热力站在控制供热量时，通常是对一次管网中的电动调节阀门开度值进行调节，简单地说就是通过对一次管网中的流量进行调整来达到调节二次管网供水温度的目的。但是这种调节方式会受阀门节流作用的影响，导致一些能量被白白损失，与节能减排理念严重不符。在科学技术高速发展的当下，此种热力调节方式已经无法满足热力站的具体运行需求，所以要充分利用自动控制技术来实现热力站的节能减排，例如变频调节技术。在应用过程中能够自动控制水泵，代替传统的阀门调节，因此可有效避免阀门位置处的节流损失。

1 自动控制技术及节能原理分析

1.1 自动控制技术的系统组成

热力站中的自动控制系统主要有变频控制器、控制界面、PLC 系统和仪表等重要设备组成。控制界面多为触屏结构，能够直接与PLC 系统相连，工作人员可以通过操控控制界面来调节换热器、变频器、循环泵和调节阀等供热设备，而且所有的供热温度、压力等数据都会显示在控制界面中。在自动控制系统中，PLC 系统是整个系统的核心，PLC 技术主要依托可编程逻辑控制器来实施，此控制器具有非常复杂的组成元件：CPU 处理器、通信元件、存储器、电源、接口电路以及功能模块等，其工作运行程序为：采样输入、执行用户程序以及刷新输出，程序每循环一次也就是控制器的一个扫描周期。在使用过程中能够自动调节参数实现对供热系统的自动控制，同时也能够结合实际工作需求转化控制方法，在自动控制和手动控制中进行随意切换，并具有更智能的故障诊断能力，能够实时监测控制系统中的各类运行参数是否正常，一旦发现异常会立即发出警报，方便工作人员快速判断故障原因和故障位置，确保所有供热设备的稳定运行。变频控制器能够自动控制水泵，并根据PLC 系统的信号进行相应的补水操作。仪表所显示的数据是工作人员的主要参考数据，借助仪表指示对供热系统进行相应调节。

1.2 变频调速技术

若想优化调节热力站中的水泵流量，水泵转速是控制要点。在对水泵的转速进行调节时，有多种调节方式可供选择，例如液压耦合、定子调压以及变频调速等，其中以变频调速的调节方式最为普遍[1]。变频调速技术的应用原理为：将频率为50Hz 的交流电转变为直流电，然后在逆变器的作用下转换成其他频率的交流电，因为一旦水泵电源频率发生改变，就会同时改变水泵转速，进而实现对水泵转速进行优化调节的目的。水泵转速与电源频率的关系式如式（1）所示：

其中：n-水泵转速，r/min；f-电源频率，Hz；SN-电机的额定转差大小，P-电机极对数[2]。

通过上述公式不难看出，如果电机极对数与电机额定转差大小固定不变，那么电源频率和水泵转速之间存在正比关系，也就是说频率越高转速越大，频率越低转速越小。

1.3 节能原理

供热管网拥有的阻力特征曲线与水泵拥有的特征曲线存在直接联系，如果供热系统的流量降低时，那么工作人员则可以通过调节阀门来进行流量控制。但是当阀门关小后，就会相应增大阀门处的摩擦阻力，进而增加整个供热管网中的阻力，所以会在一定程度上增加水泵扬程。如果采用变频调速的方式，就不会改变供热管网的阻力特征曲线，水泵特征曲线仅和电机转速有关，一旦供热系统中流量减少时，只需适当降低电机转速就可减少水泵扬程，因此可有效实现节能减排目标[3]。

2 热力站自动控制系统运行原理

热力站自动控制系统运行原理如图1 所示。

图1 热力站自动控制系统运行原理

2.1 二次管网计费方式为热计量方式

如果用热计量方式作为二次管网的计费方式，那么可以通过调控流量来控制供热系统的供热量，也就是调节供水温度。假设在二次管网中，室外温度值与供水温度值存在着某种联系，那么可以借助变频装置调控一次管网中的水泵电机转速，从而达到控制一次管网流量的目的，如此可有效保证二次管网中的供水温度固定不变。

2.2 二次管网计费方式不使用热计量方式

如果二次管网并不以热计量方式为计费方式，同时也没有使用变流量的方式调节循环流量，那么在二次管网中的真实循环流量通常大于设计循环流量，此时如果仅仅调节二次管网中的供水温度，将很难有效调节供热系统温度。这是因为如果单纯地调节二次管网中的供水温度，就证明二次管网中的循环流量固定不变，因为循环流量明显高于设计循环流量，所以供热会出现明显的超标情况[4]。在这种情况下，技术人员应该以二次管网的供回水平均温度值作为调节参数，而非单纯的二次管网供水温度。因为室外温度值与二次管网中的供回水平均温度值存在函数关系，所以技术人员只需控制二次管网中的供回水平均温度值处于设定范围区间，即可有效保证供热系统的供热量满足供热需求。但是通常情况来说，调节供回水温度值的难度要远大于调节二次管网供水温度值，这是因为二次管网通常表现一定的滞后性特征，当前测得的回水温度并不能真实反映出二次管网的回水温度。

3 热力站自动控制系统运行效果分析

在自动控制系统的支持下，可以将传统的单级循环水泵供热系统转化成双级泵供热系统，这一举措可有效降低循环水泵的工作扬程与系统内的循环流量，如此可大大降低循环水泵功率，同时通过对循环流量的控制可实现良好的节能效果，能为供热站创造更大的经济利益。

以某供热站为例，该供热站的增压水泵功率值为50kW，增压水泵全天候不间断运行，负荷均值为72%，如果按照120d 的供暖期进行计算，在使用自动控制系统后，能够节约的电量为90252.29kW·h，那么在单个供暖周期可为供热站节省近5 万元的成本支出。

在自动控制系统中，系统的调节是利用闭环的方式进行完成的，能够结合系统的热负荷情况进行随时的在线调节，如果系统在运行过程中出现一定偏差，自动控制系统也可以实现快速准确的调整，能够有效保证热力系统的安全稳定运行，同时在运行过程中可以起到显著的节能减排效果。在自动控制技术的支持下，水泵电机转速与运行工况被进一步优化，因此能够有效延长水泵设备的生命周期，不仅能够有效降低供热站的成本支出，同时也可最大限度地节省供热企业的设备维修和养护费用，而且在自动控制系统的作用下，供热系统运行更平稳，最大限度地缓解了系统对电网的冲击，有着十分显著的社会意义。

4 热力站自动控制技术的应用价值

4.1 有助于提高生产资源的利用率

PLC 系统与变频调节器的联合实现了热力站的机电一体化建设，通过实时监测室内外温度的变化，可以对电机的运行状态进行优化控制，以此来动态调整能量输出，可以在满足居民供热需求的基础上最大限度降低能耗、提高生产资源的利用价值[5]。自动控制技术不仅能够实现生产资料的最优配置，同时还能够有效控制烟气的排放量，提高热力站的生产环保水平，有助于打造环境和经济共赢的局面。

4.2 实现绿色生产目标

如今环保已经成为社会各界所关注的重点问题，热力站在生产运营过程中也必须充分尊重环保理念，能够结合时代的发展趋势和社会的具体需求切实改变传统的生产模式，需要充分利用自动化技术提高供热系统的自动化和智能化水平，借助PLC自动控制系统动态调整生产方案，能够高度结合各类参数的变化对生产操作进行优化调节。例如，当外界环境偏高时，自动控制系统可自动控制泵水量使其降低从而达到降低供热的目的；而在夜间温度偏低时，又能自动加快电机转速来增加供热量，确保民众能够时刻处于在舒适的环境中，这在满足供热需求的基础上可有效降低能源消耗，真正实现供热站的绿色生产。总的来说，无论是站在生产的角度还是站在经济的角度，自动控制技术不仅可以提高热力站的生产效率，同时也降低了热力站对人力和资源的依赖，能够有效避免资源损失，可起到显著的节能降耗效果[6]。

综上所述，如果供热系统所面临的用户需求较为单一，那么通过采取一系列有效措施对供热站进行调控，就可收获到很好的节能减排效果。但是如果供热系统相对较多而且用户要求较为复杂，就必须构建二级调控系统，如此才能保证对供热系统的优化调节。在调节二次管网时，通常采用质量并调的模式，不仅要保证系统的水力平衡，还要在此基础上结合供热系统的差异进行有针对性的调节，如此才能收获到更好的节能减排效果。