ABB自动化监控系统在石河子市集中供热中的应用

【摘 要】石河子市城市建设的快速发展给供热工作带来一系列问题，对此，新疆天富热电股份有限公司利用德国政府节能贷款，采用国内先进ABB公司供热自动化监控设备及技术，对石河子供热系统进行自动化改造，从而实现城市集中供热自动监控和换热站无人值守，大大提高了供热公司运行管理水平，增强了供热系统调控能力，节能增效显著。
【关键词】ABB自动化监控系统 无人值守换热站 节能增效

一、运行现状及存在问题
新疆天富热电供热分公司现有集中供热面积1150万m2 ，由东、西、南热电厂及3号站共四个热源进行供热，共有3座换热总站、1座中继泵站、105座热交换站，承担着整个石河子市区98％以上的民用采暖及企业生产用汽供应任务。供热系统热用户与热源之间采用间接连接方式，一次主网为多热源独立运行，部分负荷可根据电厂生产情况及设备故障情况切换热源，一、二次热网均采用分阶段变流量，质调、量调相结合的方式进行供热，热网运行调节主要靠操作人员凭经验进行人工操作。
近四年来，石河子市集中供热面积由670万m2迅速增至1150万m2，增幅达70%，城市建设的快速发展给供热工作带来一系列问题，主要包括：
（1）由于热网系统不断加大，且现有一次网与二次网大多未装设流量、热量调节装置，导致系统水力工况、热力工况失调现象难以消除，造成用户冷热不均；
（2）供热系统未能在最佳参数下运行，各热源厂供热量与需热量不匹配，能耗较高；
（3）设备及管网发生故障时，不能及时地诊断、报警，从而影响整个城市供热系统的稳定运行；
（4）在换热站数量大量增加的情况下，供热公司由于没有足够的具备相关工作经验的值班人员，不得不大量使用季节工，运行人员素质的下降导致整体运行调节水平降低，能耗增加。
针对以上情况，新疆天富热电股份公司引进德国政府节能贷款，采用ABB公司自动化监控设备及技术，按照中央调度室集中监控、各换热站应用PLC可编程控制器实现无人值守换热站这一国内先进的供热自控模式对全市105座换热站进行了自动化改造，现将具体情况叙述如下。
二、自动化热网监控系统
1、系统结构
石河子自动化热网监控系统为分布式监控系统，分为两级监控：一级监控为主控室（MCC）；上位系统采用ABB公司800Xa工控系统软件；二级监控为就地监控单元（LCM1、LCM2），下位采用ABB公司AC500可编程控制器。系统连接以光缆通讯为主，ADSL作为备用通道。本SCADA系统包括以下部分：主控中心（MCC）、热源站控制（LCM1控制器）、各热力站控制（LCM2控制器）、蒸汽用户测量站（通过蒸汽热量表与通讯接口，以无线GPRS上传）、热网实时在线监测系统。SCADA系统最多可以连接200个换热站LCM，最大数据点数目达20000个。
热网集中监控系统如图1所示。
2、主控中心（MCC）
主控中心MCC是石河子供热管网自动化控制系统的控制中心和信息交换中心，采用功能强大的ABB800Xa系统作为上位机软件，该系统是ABB公司目前最先进的分散控制系统平台，为用户提供了一个单一的平台，将操作运行、工程组态和信息管理高度集成在一起，并极大地扩展了自动控制系统的范围，其软件功能作为插件嵌入到系统中，未来可根据需要不断扩展新的功能，具备多用户独立工作、个性化人机界面、信息访问方便迅捷、报警和事件处理明确、趋势和报表详尽多样，以及历史数据库系统强大可靠等优点，其工程师站界面如图2，该系统完成数据采集、数据存储、画面组态、运行状态大屏幕显示、控制操作、报警管理、网络发布等功能。MCC对整个供热系统进行监控（包括蒸汽及热水），它从供热系统收集主要数据，管理整个管网的操作数据，打印报告和记录，MCC的设计可以容纳200个LCM（包括LCM1和LCM2）以及150个蒸汽测量用户，并且可以根据将来的需要进行扩展。
该系统可实现如下功能：
（1）及时检测热网运行参数，了解系统运行工况
实时采集所有热力站的技术数据，包括温度、压力、流量、热量、液位、循环泵、补水泵运行状态、水电消耗等参数，实现各站点的水压图、温度、流量分布状况的实时监测，实现远程集中抄表，对运行工况能做到“情况明朗，心中有数”。
（2）均匀调节流量，消除冷热不均
热网监控系统能随时对热网进行调节，消除一次网、二次网水力失调，达到流量的合理分配，进而消除冷热不均的现象。
（3）合理匹配工况，保证按需供热
热网监控系统通过对供热系统特性识别和工况优化分析，根据室外温度的变化进行最佳运行工况的匹配，进而对热源站和各个热力站实行自动控制和运行指导，保证按需供热。根据此次多热源的特点和管网分布情况不同，监控系统能自动进行水力计算，合理经济地分配负荷，并考虑在高峰负荷时调峰锅炉的投入。
（4）及时诊断系统故障，确保安全运行
热网监控系统通过对各热力站的运行参数分析，当各热力站发生超压、失压、泄漏、停电、设备等故障时进行及时诊断和保护，向监控中心发送报警信号，保证系统安全运行。
（5）健全运行档案，实现量化管理
通过热网监控系统建立的各种信息数据库，能够对运行过程中的各种信息数据进行分析，根据需要打印运行日志、水压图、水耗、电耗、供热量、供汽量等运行控制指标。热网监控系统还可以存贮、调用供回水温度、室外温度、室内平均温度、压力、流量、故障记录等历史数据，以便查询、研究、分析和总结。
2、就地控制系统（LCM）
就地控制器是实现换热站自动化控制的核心部件，采用ABB公司AC500可编程控制器，该控制器采用模块化设计，结构简单、可扩展性强，应用灵活，工作可靠，支持Modbus等多种通讯协议，具备开放的数据接口，可通过DDE、OPC与热源厂原有自控软件进行数据交换，并针对区域供热的特点专门二次开发了详尽的功能库，根据换热站规模及模拟量、开关量点数，就地控制器选用的主要组件有CUP PM581（见图3），IO模块AI523、AX522及DC523，该模块式控制可通过扩展模块进行扩展的功能，因此它可以适用于大多数类型的热力站。所有各换热站PLC通过我公司自建100M带宽光纤通讯网使用TCP/IP协议与800Xa系统连接，上传数据并接受调整参数指令，在通常情况下，就地监控单元LCM自动控制换热站的运行，不需要主控中心MCC或热力站现场人员的参与，即使与上位系统的通讯中断，PLC也能保持正常运行。
  换热站就地控制系统包括PLC型控制器、控制阀、执行器、传感器或变送器、变频器和热量表/流量表，具备采集功能、存储功能、显示功能、通讯功能、自检功能、控制功能、故障报警、Web访问、远程配置、安全保护功能（停电、超压、失压、汽化等）。其监控的参数为：一次网高温水温度、压力；一次网回水温度、压力；二次网供水温度、供水压力；二次网回水温度、回水压力；室外温度；一次网电动调节阀（反馈及控制）；循环泵运行状态反馈、循环泵频率反馈、循环泵频率控制；补水泵运行状态反馈、补水泵频率反馈、补水泵频率控制；补水水箱液位；一次网供汽流量（热量）；二次网补水流量。
就地控制系统的控制回路和功能主要包括：
1）供热温度控制回路
供热温度的设定主要的控制方式是根据室外温度曲线计算得到，通过调整一次侧电动控制阀开度来控制二次侧的供水温度和供热量。补充控制方式还包括分时段限定二次水供水温度以保证一次网水力工况的稳定，以及限定一次水供热量或流量以保证热源不足时的平衡供热。
2）压力和差压控制回路
二次网压力、差压（热力站外）必须根据固定或可变的设定值进行控制。每台水泵配备变频器。水泵应该可以自动切换运行以保障每台水泵运行时间相同。在水泵或变频器故障时，应该可以自动切换到其它水泵/变频器。配备变频器的补水泵保证二次网的回水压力为预先设定值（循环泵入口压力）。两台补水泵配备一台变频器，在一台补水泵故障时，变频器自动切换至另一台补水泵。
热力站自控系统典型流程示意图如图3所示。
3）报警功能
换热站停电报警、循环水泵故障报警，补水泵故障报警，一、二次侧供水压力高过设定值或二次侧回水压力低于设定值报警，一、二次侧供水温度高过设定值报警、补水箱水位低报警、防盗侵入报警等。
4）安全功能
如果所有循环泵停止运转，则一次侧的电动控制阀将关闭保护换热器。但至少一台循环泵开始工作时，电动调节阀将开启；如果二次侧的供水温度在一定时间内超过设定值，则一次侧的电动控制阀的最大开度将进行限制。如果二次侧供水压力超过安全设定，换热机组将自动停止运行。如果二次侧的回水压力低于安全设定，换热机组将自动停止运行。
4.经济效益和社会效益
本系统截至2010年2月底已安装调试完73个水水换热站，在2月份平均温度较09年2月低4.4℃的情况下，供热单耗由09年的0.213GJ/m2降至0.2079GJ/m2，考虑天气因素后，10年2月供热单耗修正为0.181GJ/m2，较去年同期节能达15.02%。在人工工资方面，105个换热站最终全部实现无人值守后，可节省人力400余人，节约人工工资约380万元/年，经济效益较为突出。而在社会效益方面，投入该自控系统后，由于一、二次管网水力平衡（二次网全部装设平衡阀），各换热站均在最佳参数情况下运行，系统供热量与需热量基本匹配，不仅大大减少了用户冷热不均的现象，而且使绝大多数热用户家中基本保持在一个相对恒定的舒适温度，得到了市民一致的好评。
5.小 结
事实证明，ABB公司自动化监控系统在石河子市集中供热系统中的应用是成功的，该系统提高了供热工作的自动化水平，提高供热效率、降低运行成本，在满足用户需求的前提下，节约了大量的人力、物力，使我市供热系统的运行管理水平上了一个新台阶，在取得了经济效益的同时，更取得了不错的社会效益。