自动化控制系统在热力站中应用的经济性分析

赵 凯

（太原市热力集团有限责任公司小店第一供热分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

集中供热是我国北方地区的主要供热方式，而热力站是集中供热的关键枢纽。随着环保绿色理念的推行，传统的热力站控制方式已难以满足社会可持续发展的需求。为了降低能源消耗，实现热力站的节能绿色发展，各地热力公司正在实现自动化控制系统改造，通过自控的方式，弥补传统人力控制过程中所存在的不足，在保证供暖需求的同时，提高热力站设备控制效果，实现资源利用率最大化[1]。

1 自动化控制系统的设计

本次以某地区105 号热力站为例，对其控制系统进行分析改造，主要目的是为了实现热力站的自动化控制，通过优化运行参数，提高供热系统的节能效果。

1.1 中心控制器模块的配置

本次热力站自动化控制系统中心控制器模块选用MOX601-5002，该模块有10/100MBase-T 以太网安全标准端口，并具有冗余功能，能够满足热力站自动化控制系统操控需求。系统控制方式为模块化结构，各模块功能实现相互组合和扩展，MOX601-5002控制器内置为32 位处理器，其配备有128 MB 的SDRAM，该模块内部包含有1 个GPIO 端口，端口能够同步记录顺序事件中的I/O 时钟。除此之外，MOX601-5002 控制器所拥有的接口模块为热插拔模块，能够在通电情况下进行接线端子的链接和拔除，不同的接口所传输的数据信息有着一定的差异[2]。供电模块主要以24 V DC 电源为主，为整个控制系统中心供电。

1.2 软件程序设计

1.2.1 二次管网水温的自动化控制

本次软件程序设计是基于模糊PID 控制算法而完成的，在对二次管网水温进行调控时，室外温度传感器采集到室外温度传递到中控系统当中，系统将测量值与预设值进行对比，得出温度差值，将此差值输入到模糊PID 算法当中进行计算，得到一次管网电动阀门开度调节值。然后，经过I/O 模块转换为电信号，传递给电动阀门进行调节，从而改变一次管网中流入换热器中的流量，实现二次管网温度调整。

1.2.2 循环水泵压差控制

某地区105 号热力站中配备有3 台循环泵，其中，2 台循环泵（1 号、2 号）常启，1 台为备用泵（3号），循环泵由变频器控制。本次设计软件程序逻辑如下：在1 号循环泵启动，压力传感器测量二次管网出、回水管压力差值后，传递至中央控制器中，与预先设置的压力值进行对比。如果测试值小于预设值，变频器提高输出功率，增大1 号水泵转速，直至达到额定功率。如果测试值依旧比预设值小，变频器将1 号循环泵切换至工频，连接2 号循环泵进行增压，直至测试压力值与预设值一致，2 号循环泵转速保持恒定。反之，如果二次管网压力测试值大于预设值，变频器需要降低输出功率，减小2 号循环泵转速。如果2 号泵停止后管网内部压力值依旧大于预设值，变频器需要切换至1 号循环泵进行降功率控制，直至所测得的压力值与预设值保持一致。如果1 号循环泵或2 号循环泵出现故障，则需要将故障泵连接线接到3 号循环泵上，确保供热系统稳定、不间断运行。

1.2.3 补水泵自动控制

补水泵自控模式与循环水泵自控模式一致，在自动控制系统的设计当中，系统启动后压力传感器会测量二次管网回水管压力值，如果所测得压力值小于预设值，补水泵变频器开启，启动补水泵。同时，增大输出功率，提高补水泵转速，直至测试压力值与预设值一致后，停止补水。如果测得的压力值大于预设值，则需要降低补水泵变频器输出功率，减小补水泵电机转速，进而保证二次管网压力恒定。

2 供热效果分析

本次所设计的自动化控制系统主要用于某地区105 号热力站当中，改造前后该热力站供热范围和供热建筑没有变化。改造时间为2021 年6 月30 日—2021 年7 月30 日。105 号热力站主要用于某片区内3 个小区的热力供应。因此，在改造完成后需要对热力站的供热效果进行研究分析。本次研究在供暖初期、供暖中期和供暖末期选取改造前后2 个典型日的某房间温度作为研究对象，典型日选取为：供暖初期选取2020 年11 月23 日和2021 年11 月30 日，这两日该地区气温均为-13～3 ℃（中国气象网）。供暖中期选取2021 年1 月18 日和2022 年1 月5 日，这两日该地区气温均为-26～-6 ℃（中国气象网）。供暖末期选取2021 年3 月22 日和2022 年3 月18 日，这两日该地区气温均为-17～2 ℃（中国气象网）。房间选取某小区17 楼03 室，该房间为精装房，但并未售出，改造前后室内家具、窗等均未发生改变。每日进行8次温度检测，从00：00 开始，每隔3 h 检测一次，检测结果分别如图1、图2 和图3 所示。

图1 改造前后供暖初期某小区1703 室内温度变化情况

图2 改造前后供暖中期某小区1703 室内温度变化情况

图3 改造前后供暖末期某小区1703 室内温度变化情况

由图1、图2 和图3 可知，在改造前，供暖前期、中期和末期典型日某小区1703 室的室内温度变化趋势与室外温度变化规律一致，因此，所测得温度数据具有分析研究意义。改造后，1703 室在典型日的温度变化幅度均小于改造前的温度变化幅度，并且3 个典型日室内温度均处于18 ℃以上，最高温度在24 ℃以内。由此可见，热力站经过自动化控制系统改造后，能够有效提高供热效果，保证温度平衡，提高用户的舒适度。

3 经济性分析

某地供暖时间为11 月15 日—3 月31 日，共计136 d。改造之前，某地105 号热力站运行为人工控制，二次管网水温控制是由工作人员手动旋转一次管网流量阀所调控，二次管网内部压力差和回水管压力是由各管路上的阀门进行控制，所有水泵均处于工频状态下运行。为了对热力站自动化控制系统改造经济性进行分析，本次将整个供暖季分为三个阶段，其中，供暖初期为11 月15 日—12 月25 日，共计40 d；供暖中期为12 月26 日—次年2 月20 日，共计56 d；供暖末期为次年2 月21 日—3 月31 日，共计40 d。根据对改造前后典型日中控系统的记录可知，水泵运行功率如表1 所示。

表1 水泵运行功率

由表1 可知，在自动化控制系统改造完成后，供暖前期、中期和末期典型设备输出功率均有不同程度下降。其中，在供暖前期，循环泵以及补水泵每日消耗功率降低量为440.64 kW·h，节能率为40.8%。在供暖中期，设备每日消耗电能量降低203.04 kW·h，节能率为18.8%。在供暖末期，设备每日耗电量降低329.76kW·h，节能量为30.53%。由此可见，自动化控制系统具有良好的节能效果。该热力站所在地工业用电费用为0.65 元/kW·h。计算可得整个供暖季该热力站节约的电能为440.64 kW·h/d×40 d+203.04 kW·h/d×56 d+329.76 kW·h/d×40 d=42 186.24 kW·h，电能成本能够降低2.7 万余元。

4 结论

1）从硬件和软件方面建立自动化控制系统，硬件方面选用MOX601-5002 控制器作为中心控制器模块。软件方面分别对循环泵、补水泵二次管网水温方面进行设计分析。

2）将本文所建立的自动化控制系统应用于某地区105 号热力站中，经过试验分析发现：改造完成后，典型日内某小区1703 室的室内温度变化更为均衡，并且温度能够保证在18 ℃以上，符合供暖要求。

3）某地区105 号热力站在应用自动化控制系统后，整个供暖期能够降低电能消耗量为42 186.24 kW·h，可节约电费约2.7 万元。