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第1页共22页第一章绪论1.1集中供暖的发展概述集中供暖是在十九世纪末期，伴随经济的发展和科学技术的进步，在集中供暖技术的基础上发展起来的，它利用热水或蒸汽作为热媒，由集中的热源向一个城市或较大区域供应热能。集中供暖不仅为城市提供稳定、可靠的热源，改善人民生活，而且与传统的分散供热相比，能节约能源和减少污染，具有明显的经济效益和社会效益。1.1.1国外集中供暖发展概况集中供暖方式始于1877年，当时在美国纽约，建立了第一个区域锅炉房向附近14家用户供热。20世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂内汽轮机的排气，供给生产和生活用热，其后逐渐成为现代化的热电厂。在上世纪中，特别是二次世界大战以后，西方一些发达国家的城镇集中供暖事业得到迅速发展。原苏联和东欧国家的集中供暖事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主的发展政策。原苏联集中供暖规模，居世界首位。地处寒冷气候的北欧国家，如瑞典、丹麦、芬兰等国家，在第二次世界大战以后集中供暖事业发展迅速，城市集中供暖普及率都较高。据1982年资料，如瑞典首都斯德哥尔摩市，集中供暖普及率为35%；丹麦集中供暖系统遍及全国城镇，向全国1/3以上的居民供暖和热水供应。第二次世界大战后德国在废墟中进行重建工作，为发展集中供暖提供了有力的条件。目前除柏林、汉堡、慕尼黑等城市已有规模较大的集中供暖系统外，在鲁尔地区和莱茵河下游，还建立了联结几个城市的城际供暖系统。在一些工业发达较早的国家中，如美、英、法等国家，早期多以锅炉房供暖来发展集中供暖事业，锅炉房供暖占较大比例。不过这些国家已非常重视发展热电联产的集中供暖方式。1.1.2国内集中供暖发展概况我国城市集中供暖真正起步是在50年代开始的，党的十一届三中全会以后，特别是国务院1986年下发《关于加强城市集中供热管理工作的报告》，对我国的集中供暖事业的发展起到了极大的推动作用。虽然我国这些年来集中供暖事业取得了迅速发展，但是和国外相比，我国目前采暖系统相当落后，具体体现在供暖质量差，即室温冷热不均，系统效率低下，不仅多第2页共22页耗成倍能量，而且用户不能自行调节室温。在功能上，发达国家通常室内温度保持22摄氏度，我国仅为16摄氏度，而且我国的供暖质量很差，室温冷热不均，系统热效率低下，大多数地方没有采取按户计费，用户也不能自行设定和调节室温等等。我国城市集中供暖目前存在的能源浪费主要来源与：建筑的保暖隔热和气密性能差；采暖系统相当落后。造成结果是：低效率，我国供暖采暖系统普遍存在低负荷、低效率运行，实际供暖面积平均只有设备能力的40%左右。管网输送效率低，管道泄漏和偷水现象严重；缺乏控制手段：我国供暖系统只有简单的调节手段，水力水平失调、垂直失调严重：没有恒温装置，供热不足和过度时，没有有效的调节手段；缺乏计量手段：采暖系统一般不设热表，没有计量收费造成用户不会主动去节能，没有计量也造成了管理运行人员没有具体数量上的依据来运行管理。换热站的发展为改变了之前供热系统的众多缺陷。1.2换热站的简介及运行现状换热站与锅炉房是根本不同的。锅炉房是用燃料把水（或其他介质）加热到具有一定参数的地方；而换热站是为了把锅炉房生产的高温热水（高于100C）转换成能够直接给用户供热的热水（低于100C）。锅炉房是生产地，其主要设备有：锅炉、鼓风机、引风机、循环泵、和各种辅助设备（上煤机，除渣机）等，其中锅炉是主体。而换热站是个中转站，现在换热站的主要换热方式有：换热板、混水等。说白了换热站就像一个大的过水热，唯一不同的是它很大.它们都属于供热系统的一部分，又各自具有不同的功能。其工艺流程是：锅炉房——（高温热水）——换热站——（低温热水）——用户——（低温热水）——换热站——（低温热水）——锅炉房通常换热站内部设备可分为两个部分，即采暖系统和民用生活系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。今后随着国民经济的发展，人民生活水平的提高在换热站内应该普及生活热水系统，来提高集中供暖的效益。换热站的主要设备有：离心水泵、汽-水换热器、热水储水箱、过滤器、补水泵调节阀热媒参数调节和检测仪表、防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。换热站内还安装有热量表以及调节供热量的自动调节装置。但是目前来说大部分换热站还不能实现全自动化无人值守，大部分缺乏控制手段，耗能严重造成资源的许多不必要的浪费。1.3课题的来源及意义随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。在传统供热模第3页共22页式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度及热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的温度。在这种情况下，人工手动调节必然存在着较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够居民对室内温度恒定。为了改变这一情况，多年以来供热行业一直在探讨开发能充分适应热负荷不断变化的细调节运行方式，以适应热负荷变化较大、调节频率较高对系统平衡能力的需求，满足热用户的合理需求，达到经济运行目的。目前，由微机监控换热站从技术上满足了这种需求，其原理是通过变送器远程采集系统运行数据，经有线或者无线方式将信号传递到控制中心进行中央监控，同时将控制信号以组态模式实时反馈，控制电控执行机构进行系统调节，实现对二次供、回水温度的合理控制和处理突发事故。无人值守换热站具有以下特点：运行人员少，人员培训时间段，界面人格化，且能只管的监控换热站的运行情况；可以科学的根据天气情况及负荷变化通过适时反馈自动进行蒸汽流量细调节，降低直接成本；既可以循环监控各换热站的运行参数，又能抽调某个换热站的运行状态，保证了系统监控实时性；可以设定系统临界参数，系统异常时在控制中心实现报警，在必要时能及时的将控制信号自动反馈到电动执行机构，处理突然事故，保证了系统的安全性。从理论上，通过计算机技术、PLC、传感器数据通讯技术和测控技术，需做到换热站在整个运行期间无需人员巡视时可行的，但是相应的硬件设施投入相对过大。因此从企业经济效益角度出发，应以远程监控影像安全运行参数为主，辅以人员巡查，达到无人值守的目的。本课题来源于平安小区换热站的控制与技术，如何随时了解换热站的工作情况和有关信息，并根据这些信息和室外温度对换热站进行及时调控，使供暖系统始终在一个最佳工况下运行，从而获得良好的经济效益和社会效益，这就是本课题的研究目的所在。第4页共22页第二章换热站控制方案2.1换热站的简介换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节，在整个供暖系统中具有举足轻重的作用。换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备，仪表和控制设备的机房。它用于调整和保持热媒参数（压力，温度和流量），是供热，用热达到安全经济运行，是热量交换，热量分配一集系统监控，调节的枢纽。换热站一般由汽水换热器组成的换热系统，循环水泵组成的循环系统，补水泵组成的补水系统来构成。在控制过程中，需要采集大量的物理量，如压力，温度，流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。换热站的自动控制，即实现整个进气和供水过程的全自动控制。2.2换热站的构成换热站控制系统由以下3部分组成：1）测量仪表及变送器。用于对换热站的运行参数及室内外温度进行测量，主要包括一二次供水温度、室内外温度、二次侧供水流量、一二次压力等测量传感器。2）执行机构。对于换热站运行的个调节机构进行电动调节，主要由变频器和泵电机组成。3）PLC和工控机。用对于换热站运行的自动控制和运行参数进行监测控制、记录、统计、报警、报表打印等。换热站控制系统主要对二次侧供水温度进行自动控制，最终使室温达到要求。系统由PLC作为底层的DDC控制器，先进的工业控制机作为上位机，并配备彩色显示器、打印机、网络通信卡等高品质的硬件设备，具有系统控制算法、组态等先进供暖的软件，可使系统实时地显示换热站运行情况，实时地反映出按需供热，以适应供暖符合的变化，同时使换热站运行达到最佳工况，并可在恶劣环境下长期、稳定、可靠的运行。通常换热站内部设备可分为两大部分，即采暖系统和民用生活热水系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。今后随着人民生活水平的提高在换热站内应增加第5页共22页生活热水系统来提高集中供暖的效益。换热站的主要设备有：水——水（汽——水）换热器，过滤器，补水箱，补水泵，循环水泵，调节阀，热媒参数调节和检测仪表，防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。换热站内还安装有热量表及调节供热量的自动调节装置。2.3系统总体方案设计思路集中供热系统的控制是一个多层次的复杂控制系统。由换热站控制柜和检测控制系统构成，控制柜完成循环水泵系统和补水系统的控制功能，具有手动和自动运行模式，也有工频和变频运行模式。PLC可以根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽量进行控制，以达到对二次供水温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。PLC通过压力传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制，当一台补水泵无法通过变频补水达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行补水。最终实现更加智能化得恒定补水控制。换热站的运行程序独立存在于其控制系统PLC内，能够脱离上位机监控管理软件而独立运行，其运行可以通过中央控制室上位机监控管理系统来观察并实施调整。各个换热站独立工作的同时，利用通讯系统将运行状态数据传给监控管理系统供参考，同时接受监控管理软件进行的运行参数调整。2.4该方案要实现的控制功能本方案包括以下基本控制功能：1.运行参数检测功能：该热交换站主要监测内容有一次热媒侧供回水温度、二次热水流量、二次供回水温度、供回水压差、室内外温度、供热水泵工作、故障及手动/自动转换状态等。并进行信号处理后在彩色显示器上显示，同时还显示运行模拟图、主要工艺参数的变化曲线等画面。换热站监控系统主要检测内容又一次热媒侧供回水温度、二次热水流量、二次供回水温度、供回水压差、室内外温度、供热水泵工作、故障及手动、自动转换状态等。1、系统可以自动进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。2、根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与二次供水温度之间的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对第6页共22页一次供汽量进行控制，以达到对二次供水温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。3、在系统中增加晚间节能的设置，根据需要设置晚间供热温度。自控系统通过加入时间日程表的控制，实现一天当中不同时刻对应不同的温度。4、PLC通过压力传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制，当一台补水泵无法通过变频补水达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行补水。最终实现更加智能化得恒定补水控制。5、当前可编程控制器是专业为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置，他不仅能实现法杖的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间不间断运行。6、在换热站的控制系统中还附加了安防系统的功能，在监测环境温度湿度的同时，还可检测门窗、电源、电压、电流、地面水分、设备温度等安防信息，出现意外时，系统自动远程报警，达到无人值守基站的防护标准。7)换热站控制系统的调节系统采用PID调节控制，确保了进气和供水温度、压力准确稳定，使换热站温度达到用户的要求，并对其故障实现实时报警和连锁启停切换控制。2.控制功能（1）供水温度的自动控制：根据装设在热水出水管处的温度传感器检测的温度值与设定值的偏差，自动调节二次侧供热水泵的频率，实现水泵的变频调节。实际使用中当高温水侧流量变化时，出口温度就降低，用一般反馈由于存在较大的惯性滞后可能使供水温度产生较大的动态偏差，为此在系统中应加入流量前馈补偿信号。（2）供回水压差控制：测量供回水压差控制其旁通阀的开度，以维持压差设定值；（3）当供热泵停止运行时，一次热媒电动调节阀自动关闭；（4）根据装设在热水出水管处得温度传感器检测的温度值与设定值的偏差，自动调节二次侧供热水泵的频率，实现水泵的变频调