城市集中供热系统的调控原理与热网自动化控制系统的设计与实现

引言

自从我国城市提供集中供热系统以来，城市集中供热行业取得了较大的进展。其中热网控制自动化的发展最为显着。随着科学技术的快速发展，热网控制系统一改以往陈旧、落后的供热方式，逐步改用了自动化控制方式，为城市居民在寒冷冬季的可靠供热提供了技术保证。

一、城市集中供热系统及调控基本原理

我国的城市集中供热系统与国外的供热系统相比存在着着极大的差距，这种差距尤其体现在热网系统的调节与控制上。

现阶段，国外先进的热网控制已经实现了完善的自动化系统，能够通过信息网络管理、控制热网，而受到经济、技术等条件的制约，我国的热网自动化控制尚处于初级阶段，各方面的技术水平、实践能力都难以与国外的供热系统相比拟，且目前我国的自动化技术在城市集中供热系统中的应用发展速度比较迟缓。但是，随着全球化趋势的不断扩大，世界各国间的科学技术将得到极大程度的传播，我国热网自动化控制形式不断多样化，水平不断提升，设备越来越先进，并且逐渐得到了更广泛的应用。目前，典型的集中供热系统原理图如图1所示。

本文以某市热力公司所使用的集中供热系统为例，详细介绍热网自动化控制系统所蕴含的原理。该公司的热力自动化控制系统主要包括热源厂和热网中的热力站两个部分，热网含盖了71个设置了自动化控制系统的热力站。该系统成功完成了对全部热力站的实时监测和控制，既包括了其对站内各个一次网回水电动阀门的控制，也包括了中央控制室对热力站及其全网的调控。该城市供热自动化控制系统的主要功能如下：

1.热源厂中心控制室

热源厂主要负责远程观测71个热力站内各个仪器设施的利用实施状况，通过使用无线通讯仪器，将各个热力站中的所有数据进行及时收集，并将这些数据进行详细的比对研究，在计算分析的基础上给出正确的结论。接着，将这些结论通过远程输送、控制的形式，实现对热网系统的有效调节，使其达到全面水力平衡。

2.各个小区热力站

每个小区热力站一般是根据预先设定的温度值对阀门进行调节控制。此外也可以直接使用前一系统传达的指令，来完成对一次网回水阀门的调节管理。

3.通信系统

通信系统最主要的功能是完成热力站和中心控制室之间相关数据的传输、配置。

二、热网自动控制系统的运行

热力站的调节控制能力强弱直接影响着热网自动控制系统的优劣，进而影响着城市集中供热系统运行的优劣。现阶段，大多数大规模的城市集中供热系统都是在众多热力站调节控制的基础上，才得以统一二次网的供水和回水的平均温度，进而使得城市集中供热系统所提供的目标室温基本趋于一致。一般而言，这种调节方式被称作是“均匀性调节”.简单来说，均匀性调节是一种以各个热力站的二次网供水温度、回水温度趋于相同为目标的调节控制模式，其可以通过对每个热力站一次网回水电动调节阀门的管理控制，完成城市集中供热系统中对各个热力站所涉用户平均供热的目标。这种模式可以成功避免了对远离热源端用户无法实现足够供热的问题，也防止了部分用户因紧靠热源端而获取过多热量的问题。均匀性调节模式的使用可以大大节省能源的使用量，以最少的能源资源投入量，获取最佳的供热效果，为城市居民的生活提供了极大的便利，提高了人们的生活质量与水平。

同时，为了更好的达到均匀性调节的目标，现代城市集中供热系统还采用了一种适合均匀性调节的软件-全网平衡控制软件和组态软件，将这两款软件完美的组合在一起搭配使用，能到达事半功倍的效果。组态软件具有善于利用通讯系统传输给各个热力站的实时数据的特点，这些数据只要包括了每个被控热力站的一、二次网供回水温度与压强、一次网回水流量和回水相关电动阀门的具体参数等。而全网平衡软件则可以依据上述采集得到的实时数据进行系统分析，在进行一系列科学运算之后，自动调节控制一次网回水电动阀门的流量。

第一，位于中央控制室的上位机具有一定的控制能力，其一般采用的是一台稳定的、适应性强的、质量优异的工控机。

在工控机内配置了能够适应具体实际情况的组态软件，该软件可以很好的采集每一个热力站对应的实时画面。另外，工控机上还配有能够与组态软件进行协调使用的全网平衡调节软件。如此一来，只要利用组态软件中所提供的各个热力站的实时画面，相关技术人员就能收集到二次网供回水的具体稳定，再利用全网平衡调节软件进行合理运算，即可得到一个科学的平均目标温度。在实际使用过程中，一旦出现热力站的二网供回水的均温超过了预先设定的目标温度的情况，组态网就会立即将回水电动阀门关小，用以降低不热站不必要的热量损失。

第二，热力站中的自动控制系统在整个城市集中供热系统中属于最基本的组成部分，其运行效果的好坏也直接影响着供热系统供热的强弱。在热力站中，其自动控制系统主要由如下设备构成：

1.测量仪器

测量设备主要包括了每个热力站系统内的一、二次网供回水温度变送器及其压力变送器，二次网中使用的用以传输的补水表和一次网中使用的回水流量器。

2.热力站内使用的设备

站内的运行设备主要由集中供热系统中的循环泵及变频器、二次网补水泵、一次网回水调节阀及加压水泵、电磁阀等构成。

3.热力站内的自动控制器

现阶段，我国各大城市热网自动化控制系统中，一般采用技术最先进的控制器。

4.通讯设备

目前的通讯设备主要是无线GPRS通讯传输仪器。

第三，在整个城市集中供热系统中，通讯系统属于连接枢纽，其直接负责各个热力站和中央控制室之间的数据传输，以此来确保实时数据的传输和上层命令的接受。目前，主要的传输通讯方式为光纤、ADSL、GPRS等。各个热力公司可以综合考虑本公司的具体地理位置、使用成本和便利性等问题，选择最佳的通讯传输方式，以实现最大程度的供热目标。

在实际运行过程中，热网系统是最稳定的系统之一，其中控室内上位机的各个部件的运行也相对稳定。在热网系统的维护工作中，应该对一些精密设备进行严格的密封，确保各类仪器能够正常使用。

三、热网自动化控制的监控系统组成

热网监控系统主要由三部分组成：一是监控中心；二是通讯网络；三是控制节点（详见图2）。

（1）监控中心作为监控系统最关键的组成部分，主要负责选择全网的控制模式与运行形式，促进热网自动化控制达到最佳运行状态。同时，监控中心也具备了图形、流程、数据等的打印功能，确保每个环节都能实现纸质化操作。

（2）通讯网络主要用于连接监控中心与控制节点，通过数据传输的方式，实现监控中心对整个系统的全面控制，从而保证热网在预定温度目标值下安全、有效、稳定的运行。

（3）控制节点是热网自动化系统的终端和执行端，通过通讯网络，控制节点一方面向监控中心反馈信息，一方面接受来自监控中心的指令，完成自动调节。

四、热网自动化控制系统实行的重大意义与总结

当前，城市集中供热系统中的热网控制自动化的实现，主要通过中控室的远程调节，使各大热力站得以更好的发挥作用，从根本上防止远离热源的用户得不到充足热量的状况，也避免了紧靠热源的用户出现过热的情况，使得热网能够自动呈现一个比较均匀的温度状态。与此同时，在热网自动化控制实施阶段，也要全面整治各种弊病。例如，在进行全网平衡软件调节时，循环泵变频器并未纳入自动调控过程，这就容易出现热网自动调节的单一性，阻碍了城市集中供热系统全面的发挥作用。其次，在使用现代通讯技术时，也要注意信号可能会干扰数据传输等问题。

因此，在进行热网自动化控制实施过程中，要尽量避免这些不稳定性，保证热网控制系统可以顺利实现自动化，从而确保城市集中供热系统顺利发挥作用。

综上所述，要想全面实现热网的自动化控制，首先必须善于充分利用现代供热领域中最新的研究成果，将理论应用于实践，完善城市的集中供热系统。同时，在热网自动化条件过程中，还必须克服各种弊端，在总结历史经验的基础上，改进已知问题，设计出更加合理的供热系统，以保证全网更好的实现供热，为城市居民提供更高质量的生活水平，促进城市化进程的加速发展。