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ABB自動化監(jiān)控系統(tǒng)在石河子市集中供熱中的應用

【摘 要】石河子市城市建設的快速發(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，采用國內先進ABB公司供熱自動化監(jiān)控設備及技術，對石河子供熱系統(tǒng)進行自動化改造，從而實現(xiàn)城市集中供熱自動監(jiān)控和換熱站無人值守，大大提高了供熱公司運行管理水平，增強了供熱系統(tǒng)調控能力，節(jié)能增效顯著。
【關鍵詞】ABB自動化監(jiān)控系統(tǒng) 無人值守換熱站 節(jié)能增效

一、運行現(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號站共四個熱源進行供熱，共有3座換熱總站、1座中繼泵站、105座熱交換站，承擔著整個石河子市區(qū)98％以上的民用采暖及企業(yè)生產用汽供應任務。供熱系統(tǒng)熱用戶與熱源之間采用間接連接方式，一次主網為多熱源獨立運行，部分負荷可根據(jù)電廠生產情況及設備故障情況切換熱源，一、二次熱網均采用分階段變流量，質調、量調相結合的方式進行供熱，熱網運行調節(jié)主要靠操作人員憑經驗進行人工操作。
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70%，城市建設的快速發(fā)展給供熱工作帶來一系列問題，主要包括：
（1）由于熱網系統(tǒng)不斷加大，且現(xiàn)有一次網與二次網大多未裝設流量、熱量調節(jié)裝置，導致系統(tǒng)水力工況、熱力工況失調現(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)下運行，各熱源廠供熱量與需熱量不匹配，能耗較高；
（3）設備及管網發(fā)生故障時，不能及時地診斷、報警，從而影響整個城市供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；
（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工作經驗的值班人員，不得不大量使用季節(jié)工，運行人員素質的下降導致整體運行調節(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德國政府節(jié)能貸款，采用ABB公司自動化監(jiān)控設備及技術，按照中央調度室集中監(jiān)控、各換熱站應用PLC可編程控制器實現(xiàn)無人值守換熱站這一國內先進的供熱自控模式對全市105座換熱站進行了自動化改造，現(xiàn)將具體情況敘述如下。
二、自動化熱網監(jiān)控系統(tǒng)
1、系統(tǒng)結構
石河子自動化熱網監(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）、熱網實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)最多可以連接200個換熱站LCM，最大數(shù)據(jù)點數(shù)目達20000個。
熱網集中監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。
2、主控中心（MCC）
主控中心MCC是石河子供熱管網自動化控制系統(tǒng)的控制中心和信息交換中心，采用功能強大的ABB800Xa系統(tǒng)作為上位機軟件，該系統(tǒng)是ABB公司目前最先進的分散控制系統(tǒng)平臺，為用戶提供了一個單一的平臺，將操作運行、工程組態(tài)和信息管理高度集成在一起，并極大地擴展了自動控制系統(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)需要不斷擴展新的功能，具備多用戶獨立工作、個性化人機界面、信息訪問方便迅捷、報警和事件處理明確、趨勢和報表詳盡多樣，以及歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)強大可靠等優(yōu)點，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、畫面組態(tài)、運行狀態(tài)大屏幕顯示、控制操作、報警管理、網絡發(fā)布等功能。MCC對整個供熱系統(tǒng)進行監(jiān)控（包括蒸汽及熱水），它從供熱系統(tǒng)收集主要數(shù)據(jù)，管理整個管網的操作數(shù)據(jù)，打印報告和記錄，MCC的設計可以容納200個LCM（包括LCM1和LCM2）以及150個蒸汽測量用戶，并且可以根據(jù)將來的需要進行擴展。
該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：
（1）及時檢測熱網運行參數(shù)，了解系統(tǒng)運行工況
實時采集所有熱力站的技術數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量、熱量、液位、循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)、水電消耗等參數(shù)，實現(xiàn)各站點的水壓圖、溫度、流量分布狀況的實時監(jiān)測，實現(xiàn)遠程集中抄表，對運行工況能做到“情況明朗，心中有數(shù)”。
（2）均勻調節(jié)流量，消除冷熱不均
熱網監(jiān)控系統(tǒng)能隨時對熱網進行調節(jié)，消除一次網、二次網水力失調，達到流量的合理分配，進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)室外溫度的變化進行最佳運行工況的匹配，進而對熱源站和各個熱力站實行自動控制和運行指導，保證按需供熱。根據(jù)此次多熱源的特點和管網分布情況不同，監(jiān)控系統(tǒng)能自動進行水力計算，合理經濟地分配負荷，并考慮在高峰負荷時調峰鍋爐的投入。
（4）及時診斷系統(tǒng)故障，確保安全運行
熱網監(jiān)控系統(tǒng)通過對各熱力站的運行參數(shù)分析，當各熱力站發(fā)生超壓、失壓、泄漏、停電、設備等故障時進行及時診斷和保護，向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號，保證系統(tǒng)安全運行。
（5）健全運行檔案，實現(xiàn)量化管理
通過熱網監(jiān)控系統(tǒng)建立的各種信息數(shù)據(jù)庫，能夠對運行過程中的各種信息數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)需要打印運行日志、水壓圖、水耗、電耗、供熱量、供汽量等運行控制指標。熱網監(jiān)控系統(tǒng)還可以存貯、調用供回水溫度、室外溫度、室內平均溫度、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。
2、就地控制系統(tǒng)（LCM）
就地控制器是實現(xiàn)換熱站自動化控制的核心部件，采用ABB公司AC500可編程控制器，該控制器采用模塊化設計，結構簡單、可擴展性強，應用靈活，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行數(shù)據(jù)交換，并針對區(qū)域供熱的特點專門二次開發(fā)了詳盡的功能庫，根據(jù)換熱站規(guī)模及模擬量、開關量點數(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展模塊進行擴展的功能，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帶寬光纖通訊網使用TCP/IP協(xié)議與800Xa系統(tǒng)連接，上傳數(shù)據(jù)并接受調整參數(shù)指令，在通常情況下，就地監(jiān)控單元LCM自動控制換熱站的運行，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、存儲功能、顯示功能、通訊功能、自檢功能、控制功能、故障報警、Web訪問、遠程配置、安全保護功能（停電、超壓、失壓、汽化等）。其監(jiān)控的參數(shù)為：一次網高溫水溫度、壓力；一次網回水溫度、壓力；二次網供水溫度、供水壓力；二次網回水溫度、回水壓力；室外溫度；一次網電動調節(jié)閥（反饋及控制）；循環(huán)泵運行狀態(tài)反饋、循環(huán)泵頻率反饋、循環(huán)泵頻率控制；補水泵運行狀態(tài)反饋、補水泵頻率反饋、補水泵頻率控制；補水水箱液位；一次網供汽流量（熱量）；二次網補水流量。
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
供熱溫度的設定主要的控制方式是根據(jù)室外溫度曲線計算得到，通過調整一次側電動控制閥開度來控制二次側的供水溫度和供熱量。補充控制方式還包括分時段限定二次水供水溫度以保證一次網水力工況的穩(wěn)定，以及限定一次水供熱量或流量以保證熱源不足時的平衡供熱。
2）壓力和差壓控制回路
二次網壓力、差壓（熱力站外）必須根據(jù)固定或可變的設定值進行控制。每臺水泵配備變頻器。水泵應該可以自動切換運行以保障每臺水泵運行時間相同。在水泵或變頻器故障時，應該可以自動切換到其它水泵/變頻器。配備變頻器的補水泵保證二次網的回水壓力為預先設定值（循環(huán)泵入口壓力）。兩臺補水泵配備一臺變頻器，在一臺補水泵故障時，變頻器自動切換至另一臺補水泵。
熱力站自控系統(tǒng)典型流程示意圖如圖3所示。
3）報警功能
換熱站停電報警、循環(huán)水泵故障報警，補水泵故障報警，一、二次側供水壓力高過設定值或二次側回水壓力低于設定值報警，一、二次側供水溫度高過設定值報警、補水箱水位低報警、防盜侵入報警等。
4）安全功能
如果所有循環(huán)泵停止運轉，則一次側的電動控制閥將關閉保護換熱器。但至少一臺循環(huán)泵開始工作時，電動調節(jié)閥將開啟；如果二次側的供水溫度在一定時間內超過設定值，則一次側的電動控制閥的最大開度將進行限制。如果二次側供水壓力超過安全設定，換熱機組將自動停止運行。如果二次側的回水壓力低于安全設定，換熱機組將自動停止運行。
4.經濟效益和社會效益
本系統(tǒng)截至2010年2月底已安裝調試完73個水水換熱站，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15.02%。在人工工資方面，105個換熱站最終全部實現(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，經濟效益較為突出。而在社會效益方面，投入該自控系統(tǒng)后，由于一、二次管網水力平衡（二次網全部裝設平衡閥），各換熱站均在最佳參數(shù)情況下運行，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相對恒定的舒適溫度，得到了市民一致的好評。
5.小 結
事實證明，ABB公司自動化監(jiān)控系統(tǒng)在石河子市集中供熱系統(tǒng)中的應用是成功的，該系統(tǒng)提高了供熱工作的自動化水平，提高供熱效率、降低運行成本，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)的運行管理水平上了一個新臺階，在取得了經濟效益的同時，更取得了不錯的社會效益。