本文介绍首都机场动力能源公司1#供热站监控系统的组成和所使用的节能技术。监控系统投入使用后，使供热系统的过程参数检测和控制实现了自动化，提高了整个供热系统运行的可靠性、安全性，达到了预期的节能效果，同时提高了生产过程监控和管理水平。
1.概述
随着首都机场建设的日益发展，集中供热面积不断规模在不断扩大，供热系统的运行调节与管理变得更加复杂，对集中供热系统的安全、可靠和节能运行提出更高的要求。因此，使用先进的供热站监控技术实现供热系统实时参数和状态监测、跟踪外温的变化自动调节温度和流量，改善供暖质量和实现高效的节能，自动控制设备运行、故障报警与处理，实行数据量化管理，健全运行档案，从而提高系统设备的运行效率和科学管理水平。
1#供热站有13台汽-水交换器，其中10台用于提供间供高温采暖热水(一次水)，向第二级换热站供热;3台用于直供低温热水(二次水)，供热面积76673m2。1#供热站未改造前，使用人工调节供水温度，循环水泵均为工频运行，使用数显表监视参数，调控手段落后，能源消耗高，技术水平落后，急需进行设备和技术改造。
1#供热站采用供热站监控系统和节能技术后，实现了生产过程检测、控制及生产管理自动化，并取得了明显的节能效益，提高了供热站的运行管理的水平。
2.系统构成、配置及功能
1#站集中监控系统由控制室操作员站OS(operation station)、现场控制器CU(control unit)、站内以太通讯网络、通讯网关GU(gateway unit)、原仪表盘、水泵配电盘、变频水泵配电盘，以及温度、压力、流量传感器、换热器蒸汽调节阀、流量积算仪和热表集中器及热表组成。
控制器配置I/O模块，采集所有的物理量信号，输出物理量的控制信号，运行控制程序。
通讯网关使用网络通讯的方式与具有数据通讯功能的仪表和执行机构进行实时通讯，采集信号和下装指令。
通讯网关和控制器之间使用点对点的通讯方式，交换数据信号。
通讯网关、控制器和操作站之间的数据通讯使用以太网，通讯协议采用符合国际和国家标准的Modbus TCP/IP。
系统结构框图见图1：
2.1 操作员站OS站
计算机硬件采用惠普公司HP PC和大屏幕的LCD显示器，软件操作系统使用微软公司WIN2000，应用控制软件开发平台采用悉雅特公司CIETECT SCADA ，数据库使用微软公司MS SQL 2000，数据发布服务程序使用微软公司 MS ASP+SQL SERVER技术;通讯网络使用100M/10M工业以太网，通讯协议使用符合国际和国家标准的Modbus TCP/IP 。
主要功能：
数据通讯：通过网络自动采集运行的数据;
数据展示：数据表格方式展示、工艺流程图方式展示、趋势图方式展示;
回路控制界面：供回水温度控制、蒸汽调节阀开度控制和紧急关闭操作、变频循环泵频率控制等;
数据管理：历史数据存储、查询，报表生成和打印，数据分析;
数据发布：以WEB的方式发布数据;
计量数据抄表：自动周期采集计量仪表的数据、保存、制表;
安全管理：分级管理权限、登录和登出记录;
操作记录：自动记录设定的操作，用于事故追查和运行管理;
操作站主要软件结构见图2：
操作站的视窗页面规划见图3：
2.1 操作员站OS站
计算机硬件采用惠普公司HP PC和大屏幕的LCD显示器，软件操作系统使用微软公司WIN2000，应用控制软件开发平台采用悉雅特公司CIETECT SCADA ，数据库使用微软公司MS SQL 2000，数据发布服务程序使用微软公司 MS ASP+SQL SERVER技术;通讯网络使用100M/10M工业以太网，通讯协议使用符合国际和国家标准的Modbus TCP/IP 。
主要功能：
数据通讯：通过网络自动采集运行的数据;
数据展示：数据表格方式展示、工艺流程图方式展示、趋势图方式展示;
回路控制界面：供回水温度控制、蒸汽调节阀开度控制和紧急关闭操作、变频循环泵频率控制等;
数据管理：历史数据存储、查询，报表生成和打印，数据分析;
数据发布：以WEB的方式发布数据;
计量数据抄表：自动周期采集计量仪表的数据、保存、制表;
安全管理：分级管理权限、登录和登出记录;
操作记录：自动记录设定的操作，用于事故追查和运行管理;
操作站主要软件结构见图2：
图2 操作站软件结构图
2.2 现场控制器
控制器采用悉雅特公司CIETECT MOX 控制器，配置MOX 603 I/O。站内的I/O信号采集和控制功能由MOX控制器完成。其特点：配置合理，具有很强的现场适应能力;强大的软件功能，可以满足各种灵活控制、复杂运算的要求;具有RTU和PLC的双重优势，应用灵活;灵活的通讯方式，标准的通讯协议，可方便的组成各种复杂系统;现场监控和远程监控兼备，为系统操作、诊断、维护和升级提供了方便;工业标准设计的I/O模块可带电更换;控制器和I/O模块均能提供组成双模块冗余方式运行。
控制器功能：采集所需的压力、温度、电流、调节阀信号、变频器信号、水泵电机电气信号等参数，同时承担高温线和低温线运行调节的自动控制、设备启停、报警等自动监控工作。
监控的I/O输入输出点信号：室外气象温度 、换热器出口温度、高低温线供、回水温度、压力、补水量、补水水箱水位、蒸汽调节阀的位置和控制信号、蒸汽调节阀手/自动状态信号、循环水泵配电柜电压、水泵电机电流、水泵电机运行和故障信号、变频控制信号、变频器故障信号、变频器手/自动信号等。
I/O点规模：DI 80、DO 16 、AI 80、AO 32 。
控制器的程序设计采用符合国际标准IEC6113-3的功能块(FDB)语言。
2.3 通讯网关
鉴于连接到1#站的通讯设备较多，本地连接11台智能流量积算仪，使用MODBUS RTU串口协议。站内3台热表，站外4台热表，热表使用M-BUS协议。预留电能计量表抄表的串口通道。因此，使用1台MOX 通讯网关专门承担众多的通讯任务。采集蒸汽管线的压力、温度、瞬时流量、瞬时热量及流量和热量的累计值;回水管线的流量和流量累计值;热表的温度、瞬时流量、瞬时热量及流量和热量的累计值。
网关通讯口规划：
串口1： RS485总线1，通讯速率 9600，MODBUS 主站，连接11台流量积算仪。
串口2： RS485总线2，通讯速率 9600，MODBUS 主站，连接热表集中器、电能计量表等。
Eth1：10M以太网RJ45口，连接站内以太网，与操作站通讯。
Eth2：10M以太网RJ45口，连接控制器的Eth2口，与控制器通讯。
热表集中器的M-BUS端口作为M-BUS主站，通过M-BUS网络连接热表，轮巡采集各个热表数据。同时提供M-BUS到MODBUS RTU的网络转换功能，M-BUS格式的热表数据被转换为MODBUS RTU协议，通过其RS485通讯口连接到RS485总线2。
以太网络通讯：安装在监控中心的光纤以太网交换机，连接MOX 通讯网关、MOX 控制器、1#站操作站和管网操作站，构成的站内局域网用于数据通讯。
2.4 站以太网通讯
采用东土电信公司的工业级以太网交换机KIEN2000型，入网的设备有：控制器、通讯网关、操作站、站管理计算机，同时还是整个供热管网以太网的子网。
3.设备改造
换热器蒸汽电动调节阀和变频循环水泵是实现自动控制和节能效果的关键设备。此次改造进行了部分设备的更换。
3.1蒸汽电动调节阀
在改造前，1#供热站的蒸汽调节阀的调节能力和精度差，调节量仅有10%，阀门控制信号不能实现自动控制，因此需更换。
此次改造调节阀口径缩小二级，提高阀门的控制能力到64%;电动执行器选用鞍山工装合资产品,其主要模块使用日本工装进口部件，大大提高控制能力和精度。满足自动控制的要求。阀体是鞍山热工的产品。
高温水(一次水)蒸汽参数：，温度 230℃，过热蒸汽，Qmax=15t/h，Qmin=4t/h，Qn=10t/h，阀前压力 1.0 MPa，压差0.9 MPa，工艺管径250mm。
蒸汽调节阀选型：ZDLN- 40KG-150中温电动双座调节阀，公称压差4MPa，行程60mm，Kv值400，介质温度 –40 - 450℃,等百分比特性。
低温水(二次水)蒸汽参数：，温度 230℃，过热蒸汽，Qmax=15t/h，Qmin=4t/h，Qn=10t/h，阀前压力 1.0 MPa，压差0.9 MPa，工艺管径200mm。
蒸汽调节阀选型：ZDLN- 40KG-125中温电动双座调节阀。公称压差4MPa，行程60mm，Kv值250。介质温度 –40 - 450℃，等百分比特性。
配备电动执行器 361LSC-65 行程60mm，输出推力 9000N，使用温度-10- 60℃，4-20mA 输入，220VAC供电。
3.2 循环水泵
原低温水(二次水)循环泵功率110KW , 666m3/h流量，38m扬程。运行时电流不足50%额定值，富裕压头高，电机运行效率低，能源消耗高，应更换流量和扬程较低的水泵。此次改造更换为输入功率45kw，300m3/h流量，32m扬程水泵。配备进口丹佛斯VLT8000系列变频器，通过自控系统调节实现按需供热节能的效果。循环水泵是上海凯泉产品,其型号：KQL200/315-45/4Z 流量300m3/h，扬程32m，汽蚀余量4m，转速1480rpm，电动机功率45kw，效率74%。
高温水(一次水)循环泵需向1#、2#航站楼输送热量，需要较高流量，保留原水泵，并对其中的二台改造使用进口丹佛斯VLT8000系列变频器, 通过自控系统调节实现按外温变化调节流量，实现节能。
3.3 仪表盘
将原仪表盘转作控制系统的手动备份，既满足1#供热站的对可靠性的要求又节约投资。
4.控制策略
1#站采用质-量并调的控制策略，当外温变化引起热量需求变化时，有效地实现“按需”供热。由于热网的热量计量自动抄表系统尚未建成，还不能直接做到“按需”供热时，本系统采用供回水温度控制的方法间接实现“质-量并调”获得“按需”供热的效果，简要叙述如下：
通过理论分析，不难发现，只有二次网的供回水平均温度才是室外气温(亦即热负荷)的单值函数，而与二次网的循环流量的大小没有关系，也就是说不管二次网循环流量的大小如何，只要二次网的供回水平均温度一定，二次网的供热量也就一定了[1]。
由于1#供热站高温水(一次水)用户不仅要求保证供热量，还要保证的较高的供水温度，因此，确定控制策略时要兼顾两者，不能使用单一的供回水平均温度参数进行控制。设计将供温和回温2个参数分别地进行调节，使供、回水温度达到设定值，满足供回水平均温度一定的要求。
使用2个温度控制回路达到上述要求：
(1) 供温控制回路：使用独立的供温控制曲线，通过调节进入换热器的蒸汽流量改变出水温度达到跟踪外温变化的目的，同时可保证用户要求的供温范围。分析：蒸汽换热系统的热惯性远小于回水的热水惯性。当外温变化时，供温能迅速地调节到温度曲线的给定值。例：外温升高后，1)按照温度曲线给出的设定值变低;控制回路则主动关小蒸汽调节阀;2)用户耗热量减少，流量没有显著变化时，回水温度上升，会使供热站汽-水换热器的出水温度上升，控制回路则自动关小蒸汽调节阀;两方面控制作用的结果是减少进入换热器的蒸汽量，使供温很快达到要求值，减少蒸汽能源的消耗，实现了节能。
(2) 回温控制回路：使用独立的回温控制曲线，通过变频调节循环水泵的流量跟踪外温变化，保证供热量的目的。分析：外温变化时，供温回路迅速跟踪设定值，但流量调节慢于回水温度的变化，用户的耗热量的变化主要的体现在回温的变化，控制回路相应地调整变频器的频率改变循环水泵输出流量，达到改变供热量的目的。例：外温上升，1)回温控制回路主动减低变频器输出频率;2)引起回水温度上升，回温控制回路同样自动的减低变频器输出频率;两方面控制作用的结果是使循环水泵的流量减少，从而减少供热量，使回水温度下降，跟踪上外温的变化。由于减少流量，降低循环水泵的电能消耗，从而实现了节能。
具体的控制回路设计如下：
4.1换热器出口温度(供温)控制
对6#、9#、10#、12#换热器的出口温度进行独立控制。
(1)主要功能：通过控制换热器一次蒸汽管网入口蒸汽调节阀实现换热器二次侧热水出口温度的自动控制。
(2)过程变量：换热器二次供水温度
(3)自控设定值：通过内置的外温-供温公式，实时计算出供温的设定值
(4)控制输出：换热器一次蒸汽调节阀调节信号
(5)运行参数：
根据换热器的特性参数、限制条件、外温变化的范围和设置调节阀的上下限幅值，确定一组运行参数。包括：
1.“外温-供水温度曲线“的参数：0℃的温度设定值：T0;温度变化率K。
可依据外温的变化范围、换热器的特性和热用户的特点，确定适宜的T0和K值。操作站提供2种计算方式，可依据经验灵活运用。
2.换热器温度控制回路的温度限制值：
每一个换热器温度控制回路设有温度上限值和下限值，当室外温度变化到超出曲线的设定范围时，限制温度控制器的输出在合适的值上，保障凝结水温度小于其汽化的温度。该参数应与外温曲线联合使用。
4.2新阀和老阀的协调控制
改造后装新蒸汽调节阀的换热器作为主力供热，原旧阀的换热器用于辅助供热。
例如，此次改造受到投资的限制，高温水(一次水)1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#换热器的蒸汽调节阀没有更新，调节范围窄，不能实现自动控制。当供热量较大时，要投入配有旧阀的换热器，因此存在旧阀手动和新阀自动的混合运行情况。这时，合理的协调分配应是充分使用新阀的调节能力高和自动调节的性能，将其控制的换热器作为主力供热。旧阀控制的换热器作为辅助供热，人工控制其出口温度应低于自动调节的换热器出口温度;当他的温度高于自动调节的换热器出口温度3-4度时，应及时减小阀门开度，降低温度，减少出力。
4.3高温(一次)和低温(二次)回水温度控制
(1)主要功能：按“外温-回水温度“曲线的设定值为主调参数，供回水压差为配合调节参数，调节变频器输出频率，改变循环泵的流量，同时保证管网中最不利的分支的最小流量。
(2)过程变量：二次回水温度
(3)自控设定值：通过内置的外温-供温公式，实时计算出回温的设定值
(4)控制输出：循环水泵变频器频率调节信号
(5)运行参数
1.“外温-回水温度曲线“的参数：0℃的温度设定值：T0;温度变化率K。
可依据外温的变化范围和热用户的特性，确定适宜的T0和K值。操作站提供2种计算方式，可依据经验灵活运用。
2.变频器控制回路的频率下限和上限参数：
使用变频器控制回路的频率下限参数，可保证最小的循环流量，满足保证管网的水利平衡的要求。
4.4夜间节能模式
1#站的热用户属于工作区，深夜到凌晨的热量需求较少，使用夜间节能模式可以有效的节省蒸汽消耗和循环水泵的电能消耗。
(1)系统提供2种方式：
方式1：在夜间节能的时间段内，供、回水的温度设定值保持在进入夜间节能模式运行开始时刻的设定值不变，直到结束。该设定值不随外温下降而变化，从而具有节能的功能。
方式 2：在夜间节能的时间段内，将供、回水的温度曲线值减去夜间节能量作为设定值，在夜间节能时间段内，实现较低的供回水温度，直到结束。因此，实现节能。
(2)夜间模式的时间段
高温水(一次水)：23：00 到 次日5：00;
低温水(二次水)：22：00 到 次日5：00。
从换热器温度控制趋势图和节能测试的控制趋势图可以看到夜间节能模式的执行情况，节能效果明显。
5.结束语
控制系统投入运行后，换热器出口温度能够跟踪上设定值的变化，与外温的变化同步。在调节阀控制范围内，控制稳定时的控制精度小于1℃。高、低温的回水温度能够跟踪上设定值的变化，与外温的变化同步。当外温较高时，受最小回水流量的限制，回水温度的控制精度较差。在流量控制的范围内，控制精度2-1℃。
为了检验节能技术的节能效果，进行了为期各3天的手动操作和自动控制的对比节能效果测试，结果如下：
自动运行时的蒸汽节能效果：18.82%;
自动运行时循环水泵电能节能效果：34.7 %。
2项指标均超过预期要求的蒸汽节省15%和电能减少20%的指标。
本系统采用的供回水温度法间接实现按需供热的供热站运行调控和节能技术具有较好的实用性和经济效果。
