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摘 要在新型集中供热系统中，换热站作为热源单位与热用户之间的中间环节，起着非常重要的作用。结合乌鲁木齐国际机场实际，对换热站运行监控系统进行探讨。
关键词换热站；监控系统；探析
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)051-0118-02
集中供热在我国城镇已基本普及，这不但节约了能源，而且极大地减少了空气污染，提高了空气质量。集中供热的基本方式为热源单位（热力公司锅炉房）通过一次热网输送管道将高温高压热水（或过热蒸汽）输送到各换热站，经热交换器将二次热网采暖热水加热，循环泵通过二次热网管道将采暖热水送到各热用户。由于换热站只对某固定小区的用户供热，因此换热站作为热源单位与热用户之间的中间环节，其供热品质的好坏对改善热网工况，提高供热质量起着重要作用。
乌鲁木齐国际机场采用了无人值守的换热站远程运行监控系统，实现对各换热站工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测控制、联锁和报警。通过在锅炉房监控中心和各换热站间的一系列通信链，完成整个热网监控调度所必需的温度、压力、流量以及水泵等参数的测量和监控。整个系统由锅炉房监控中心、光纤数据传输部分、换热站三部分组成。远程监控系统采用锅炉房监控中心的计算机作为上位机，通过光纤通信，对9座换热站的工作状态进行监控。换热站现场采用PLC进行数据采集处理、工况监测、故障保护及事故报警，监控人员根据上传数据可实时对换热站的设备进行起停调节控制，实现换热站的无人值守。
1系统构成及主要功能
换热站工作原理如图1所示，所有换热站均采用间连型热力换热站。在间连热网换热站中，二次网供回水压力、温度及流量均是影响供热效果的重要因素，而二次网各供热参数的调节主要是依靠对二次网循环泵及补水泵的控制。
图1换热站工作原理
1.1换热站运行监控系统的组成
换热站计算机监控系统按照功能可分为：上位机（监控中心）、下位机（本地PLC）、视频图像监控和通讯网络等。
1）上位机主要功能。①巡回检测各换热站及泵房的实时参数，包括水泵的工作状态、压力、温度、流量、水位等。②接收和记录下位机传来的报警信号。③远程开、关泵操作。可分别对换热站每台泵单独进行起、停控制操作。④使用曲线图、表格方式显示实时数据和历史数据以及表格打印。
2）下位机主要功能。①现场数据采集和处理，发出执行动作信号，与上位机交换信息。②一次热网、二次热网温度、压力、流量监测。③二次侧各泵电流的监测及电流超高、低限时自动停泵。④二次侧换热站水箱水位监测，超高、低限报警。⑤上位机通过光纤把整个系统连接起来，定时接收现场控制器的数据，利用Windows操作平台，以图形方式及时显示热网的运行状态，同时可对运行数据进行分析，确定切合实际的运行方案。
3）系统网络。本系统中锅炉房监控中心与各现场换热站之间通过光纤通讯，采用星形结构，从监控中心向各个换热站各铺设1根4芯光缆，其中一芯用于换热站远程监控，一芯用于视频图像传输，其余为备用。
4）视频监控系统。视频监控系统是安全技术防范体系中的一个重要组成部分，通过遥控摄像机及其辅助设备的监控摄像、录像技术可直接对各换热站进行实时监控和记录，用于弥补人防过程中的疏漏，以提高安全管理系数。
5）换热站自控系统构成。间连型换热站自控系统按设备类型可分为：温度、压力变送器、流量计、电动调节阀、循环泵及补水泵；按控制回路则可分为：一次网流量控制回路、二次网循环控制回路、二次网定压回路。在换热站自控系统中，一次网流量控制回路在实际应用中不需要大规模频繁调节控制，主要通过调节一次回水调节阀及循环泵变频调速实现；二次网的调节回路则是由二次网循环泵及补水泵的配套变频器调节转速来实现，具体调节指令则由站内PLC系统依据各换热站所带热网的实际情况计算得出。
1.2换热站运行监控系统控制方式
换热站远程监控系统设计为现场设备就地手动控制、计算机控制系统远程手动控制、计算机控制系统远程自动控制三种控制方式。三种控制方式的级别由高到低为就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制。
1）就地手动模式：换热站设备现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，可在现场通过按钮实现对设备的启/停、开关、调节操作，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制。
2）远程手动模式：换热站设备现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作人员通过锅炉房监控中心操作站的监控画面用鼠标或键盘选择“手动”方式对设备进行调节或启/停操作。
3）换热站设备现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/手动”设定为“自动”时，设备的运行完全由各换热站PLC根据工况及生产要求来完成对设备的的自动运行调节或启/停操作，而不需要人工干预。
2换热站运行监控统控制方案
2.1系统控制思想
集中供热工程中一般的采暖系统都是根据室外环境温度及不同的供热时段来控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。在新型换热站运行监控系统中，需要对热网调度系统进行相应调整。监控中心通过与各换热站进行通讯，获取热网数据，并根据室外温度情况对全网换热站的供热效果进行均匀调整。各换热站从监控中心获取对应的二次网供回水平均温度，站内系统将独立控制回路分为二次网供回水平均温度控制回路和一次网流量控制回路，根据平均温度的偏差确定一次网流量的设定值，然后调节阀门开度使流量达到设定值；对二次网循环泵及补水泵进行调速， 根据二次网供、回水平均温度的温差，通过变频器自动调节循环泵的转速，实现对二次网总流量和温度的调节，使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失，实现小流量大温差的运行模式。
通常热力系统会设计两台变频泵，这不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100%时还不满足要求，则启动第二台泵。同时系统还可以根据运行时间自动切换各循环泵，也提供低水压保护和连锁功能。控制系统的二网供、回水压力是热网安全运行的重要参数，恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制，采用恒压补水控制方案。
2.2换热站控制系统的实现
1）一网回路控制：换热站的一次网回路控制，主要是热负荷控制。通过控制调节一次网回路上的调节阀，来调节流过换热站的一次热水的流量。在全网控制系统中，控制中心根据目前室外温度情况，参考热源的运行情况及各换热站反馈的二次网运行数据，计算出各换热站一次网控制阀门的开度指令或二次网目标控制温度。换热站系统根据全网控制中心下发的指令，调节一次网流量调节阀，从而实现全热网的热资源均匀分配。
一次网回路控制中主要的参考对象为换热站一、二次网供回水温度；一网控制的对象为一次网调节阀；控制目的为换热站提供必须的供暖热量。
2）二次网循环泵控制：换热站系统二次网循环泵是通过变频器来调速。目前热力系统自控改造中，对15KW以上的循环泵普遍使用变频控制。一般的循环泵均采用压差控制方式，即循环泵的转速受二次网供回水压差调整。压差控制的方式可以通过调节循环泵转速，调节二网流量以满足供热需求，从而减少浪费。
在换热站循环泵控制中，我们采用供回水温差结合供回水压差控制的方式。换热站控制系统根据各系统的实际情况，设定一个供回水压差目标值。设定此供回水压差值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上，换热站PLC系统通过测量二次网供回水温差来对循环泵进行修正。当二网供回水温差偏大时，则需提高循环泵转速，加大二网流量，提高二网回水温度，改善供热效果；当二网供回水温差过小时，需适当降低循环泵转速，减小二次网的流量，实现小流量大温差的运行模式。这种调整可以起到节约电能及热能的效果，在大型热网中，这种节能手段就能取得可观的效果。
3）二网定压补水控制：在热负荷较大的系统中，我们采用补水泵变频控制，对补水系统进行精确的微调。当系统失水时，二网压力下降，系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水，补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调整，从而避免补水泵在启动和停止时对二次网系统的冲击。
2.3控制参数选择及具体方案
在供热系统中，系统供给的热量与用户维持室内温度的散热量相等。根据系统的调节公式可知散热器的供、回水平均温度为：
tp =tn+（t`p-tn） （1）
式中，tn，t`n为用户采暖室内温度及其设计温度；tw，t`w为室外温度及采暖室外计算温度；b为散热器传热系数；tp，t`p为散热器的供、回水平均温度及其设计平均温度。在实际控制中，我们常采用式（2）来反映供回水平均温度与室内温度的关系。
tp`=tn`+Kg（t`n-tw） （2）
其中Kg为供热系数。
由于用户的热交换关系比较复杂，二次管网循环流量也是变值，因此供热系数Kg必须根据用户的室内实际温度进行修正。。
3结束语
在本换热站远程运行监控系统中，主要解决了两个问题：一是PLC的就地实时监控，对二次供暖管网进行调节控制；二是上位计算机与各站PLC的远程通信，计算发送设定指令。系统结构简洁，经济可靠，可节省大量的人力，并可提高换热站的安全运行水平。
作者简介
王峻峰（1972—），江苏扬州人，本科，工程师，热能工程专业。
关键词换热站；监控系统；探析
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)051-0118-02
集中供热在我国城镇已基本普及，这不但节约了能源，而且极大地减少了空气污染，提高了空气质量。集中供热的基本方式为热源单位（热力公司锅炉房）通过一次热网输送管道将高温高压热水（或过热蒸汽）输送到各换热站，经热交换器将二次热网采暖热水加热，循环泵通过二次热网管道将采暖热水送到各热用户。由于换热站只对某固定小区的用户供热，因此换热站作为热源单位与热用户之间的中间环节，其供热品质的好坏对改善热网工况，提高供热质量起着重要作用。
乌鲁木齐国际机场采用了无人值守的换热站远程运行监控系统，实现对各换热站工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测控制、联锁和报警。通过在锅炉房监控中心和各换热站间的一系列通信链，完成整个热网监控调度所必需的温度、压力、流量以及水泵等参数的测量和监控。整个系统由锅炉房监控中心、光纤数据传输部分、换热站三部分组成。远程监控系统采用锅炉房监控中心的计算机作为上位机，通过光纤通信，对9座换热站的工作状态进行监控。换热站现场采用PLC进行数据采集处理、工况监测、故障保护及事故报警，监控人员根据上传数据可实时对换热站的设备进行起停调节控制，实现换热站的无人值守。
1系统构成及主要功能
换热站工作原理如图1所示，所有换热站均采用间连型热力换热站。在间连热网换热站中，二次网供回水压力、温度及流量均是影响供热效果的重要因素，而二次网各供热参数的调节主要是依靠对二次网循环泵及补水泵的控制。
图1换热站工作原理
1.1换热站运行监控系统的组成
换热站计算机监控系统按照功能可分为：上位机（监控中心）、下位机（本地PLC）、视频图像监控和通讯网络等。
1）上位机主要功能。①巡回检测各换热站及泵房的实时参数，包括水泵的工作状态、压力、温度、流量、水位等。②接收和记录下位机传来的报警信号。③远程开、关泵操作。可分别对换热站每台泵单独进行起、停控制操作。④使用曲线图、表格方式显示实时数据和历史数据以及表格打印。
2）下位机主要功能。①现场数据采集和处理，发出执行动作信号，与上位机交换信息。②一次热网、二次热网温度、压力、流量监测。③二次侧各泵电流的监测及电流超高、低限时自动停泵。④二次侧换热站水箱水位监测，超高、低限报警。⑤上位机通过光纤把整个系统连接起来，定时接收现场控制器的数据，利用Windows操作平台，以图形方式及时显示热网的运行状态，同时可对运行数据进行分析，确定切合实际的运行方案。
3）系统网络。本系统中锅炉房监控中心与各现场换热站之间通过光纤通讯，采用星形结构，从监控中心向各个换热站各铺设1根4芯光缆，其中一芯用于换热站远程监控，一芯用于视频图像传输，其余为备用。
4）视频监控系统。视频监控系统是安全技术防范体系中的一个重要组成部分，通过遥控摄像机及其辅助设备的监控摄像、录像技术可直接对各换热站进行实时监控和记录，用于弥补人防过程中的疏漏，以提高安全管理系数。
5）换热站自控系统构成。间连型换热站自控系统按设备类型可分为：温度、压力变送器、流量计、电动调节阀、循环泵及补水泵；按控制回路则可分为：一次网流量控制回路、二次网循环控制回路、二次网定压回路。在换热站自控系统中，一次网流量控制回路在实际应用中不需要大规模频繁调节控制，主要通过调节一次回水调节阀及循环泵变频调速实现；二次网的调节回路则是由二次网循环泵及补水泵的配套变频器调节转速来实现，具体调节指令则由站内PLC系统依据各换热站所带热网的实际情况计算得出。
1.2换热站运行监控系统控制方式
换热站远程监控系统设计为现场设备就地手动控制、计算机控制系统远程手动控制、计算机控制系统远程自动控制三种控制方式。三种控制方式的级别由高到低为就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制。
1）就地手动模式：换热站设备现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，可在现场通过按钮实现对设备的启/停、开关、调节操作，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制。
2）远程手动模式：换热站设备现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作人员通过锅炉房监控中心操作站的监控画面用鼠标或键盘选择“手动”方式对设备进行调节或启/停操作。
3）换热站设备现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/手动”设定为“自动”时，设备的运行完全由各换热站PLC根据工况及生产要求来完成对设备的的自动运行调节或启/停操作，而不需要人工干预。
2换热站运行监控统控制方案
2.1系统控制思想
集中供热工程中一般的采暖系统都是根据室外环境温度及不同的供热时段来控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。在新型换热站运行监控系统中，需要对热网调度系统进行相应调整。监控中心通过与各换热站进行通讯，获取热网数据，并根据室外温度情况对全网换热站的供热效果进行均匀调整。各换热站从监控中心获取对应的二次网供回水平均温度，站内系统将独立控制回路分为二次网供回水平均温度控制回路和一次网流量控制回路，根据平均温度的偏差确定一次网流量的设定值，然后调节阀门开度使流量达到设定值；对二次网循环泵及补水泵进行调速， 根据二次网供、回水平均温度的温差，通过变频器自动调节循环泵的转速，实现对二次网总流量和温度的调节，使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失，实现小流量大温差的运行模式。
通常热力系统会设计两台变频泵，这不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100%时还不满足要求，则启动第二台泵。同时系统还可以根据运行时间自动切换各循环泵，也提供低水压保护和连锁功能。控制系统的二网供、回水压力是热网安全运行的重要参数，恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制，采用恒压补水控制方案。
2.2换热站控制系统的实现
1）一网回路控制：换热站的一次网回路控制，主要是热负荷控制。通过控制调节一次网回路上的调节阀，来调节流过换热站的一次热水的流量。在全网控制系统中，控制中心根据目前室外温度情况，参考热源的运行情况及各换热站反馈的二次网运行数据，计算出各换热站一次网控制阀门的开度指令或二次网目标控制温度。换热站系统根据全网控制中心下发的指令，调节一次网流量调节阀，从而实现全热网的热资源均匀分配。
一次网回路控制中主要的参考对象为换热站一、二次网供回水温度；一网控制的对象为一次网调节阀；控制目的为换热站提供必须的供暖热量。
2）二次网循环泵控制：换热站系统二次网循环泵是通过变频器来调速。目前热力系统自控改造中，对15KW以上的循环泵普遍使用变频控制。一般的循环泵均采用压差控制方式，即循环泵的转速受二次网供回水压差调整。压差控制的方式可以通过调节循环泵转速，调节二网流量以满足供热需求，从而减少浪费。
在换热站循环泵控制中，我们采用供回水温差结合供回水压差控制的方式。换热站控制系统根据各系统的实际情况，设定一个供回水压差目标值。设定此供回水压差值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上，换热站PLC系统通过测量二次网供回水温差来对循环泵进行修正。当二网供回水温差偏大时，则需提高循环泵转速，加大二网流量，提高二网回水温度，改善供热效果；当二网供回水温差过小时，需适当降低循环泵转速，减小二次网的流量，实现小流量大温差的运行模式。这种调整可以起到节约电能及热能的效果，在大型热网中，这种节能手段就能取得可观的效果。
3）二网定压补水控制：在热负荷较大的系统中，我们采用补水泵变频控制，对补水系统进行精确的微调。当系统失水时，二网压力下降，系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水，补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调整，从而避免补水泵在启动和停止时对二次网系统的冲击。
2.3控制参数选择及具体方案
在供热系统中，系统供给的热量与用户维持室内温度的散热量相等。根据系统的调节公式可知散热器的供、回水平均温度为：
tp =tn+（t`p-tn） （1）
式中，tn，t`n为用户采暖室内温度及其设计温度；tw，t`w为室外温度及采暖室外计算温度；b为散热器传热系数；tp，t`p为散热器的供、回水平均温度及其设计平均温度。在实际控制中，我们常采用式（2）来反映供回水平均温度与室内温度的关系。
tp`=tn`+Kg（t`n-tw） （2）
其中Kg为供热系数。
由于用户的热交换关系比较复杂，二次管网循环流量也是变值，因此供热系数Kg必须根据用户的室内实际温度进行修正。。
3结束语
在本换热站远程运行监控系统中，主要解决了两个问题：一是PLC的就地实时监控，对二次供暖管网进行调节控制；二是上位计算机与各站PLC的远程通信，计算发送设定指令。系统结构简洁，经济可靠，可节省大量的人力，并可提高换热站的安全运行水平。
作者简介
王峻峰（1972—），江苏扬州人，本科，工程师，热能工程专业。