热力站实时运行管理系统

1.1 前言

　　改革开放以来，一些热力公司或区域供热小区的供热面积、供热技术、供热设备、运行管理等都得到了空前的发展。最大的供热系统供热面积已发展到4200多万m2，换热站1000多座；系统由直接连接改为间接连接的供热方式、采暖和生活热水的串并联连接方式等，扩大了供热面积，改善了供热品质；采用了先进的供热设备如：板式换热器、蝶阀、立式水泵、自力式流量控制器、整体式组装换热机组、变频定压补水装置、热网系统运行参数集中监测等，所有这些设备和技术都使得供热效果、节能、系统的可靠运行程度、运行管理得到了很大程度地提高。 但是，随着热力公司逐步走向市场，“热”以商品的形式出现在市场上。近年来随着国民经济的迅速发展，环保意识的增强，产业结构的调整，在供热领域中出现了多种能源并存，相互竞争的局面，集中供热受到了燃油、燃汽、电采暖等多种供热形式的挑战，因此热力公司必须在确保用户供热品质的前提下，提高供热系统的技术管理水平，降低供热运行成本。只有提高供热系统的技术含量，才能实现降低运行成本，达到节能的目的。技术含量愈高，节能的效果愈明显。而对已有的供热系统，提高供热系统的技术水平，最根本的是提高系统的运行管理水平。 供热系统由热源、一次网、热力站、二次网、用户系统组成。作为基层的供热运行管理部门，主要是管理热力站、二次网、用户系统部分，而这三个方面是供热的直接对象。越来越多的人已经认识到：如果热力站内系统的运行参数不能准确地了解，用户冷暖不能做到“心中有数”，系统运行能耗、电耗是否过大等等，这一系列的问题都是这些基层供热运行管理部门的头等大事，也将直接影响热力公司或其它区域供热小区供热管理部门进入市场条件下的生存情况。因此，我们提出“热力站实时运行管理系统”，主要是解决这方面的问题。虽然该系统在供热行业内并不一定非常先进，但是力求使它成为一个非常适用、稳定可靠、简单易学的管理系统。

1.2 热力站实时运行管理系统介绍

1） 组成

　　热力站实时运行管理系统分为实时监控系统和实时管理系统。热力站实时运行管理系统是将每个热力站的运行参数、用户的供热情况、管网的拓补结构、检修记录、用户的收费情况等方面综合起来的管理系统，有别于目前的热网计算机监控和管理系统。对于某些热力公司所管辖的一个庞大的供热系统而言，热力站高达几百座，可以采取所属分公司管辖供热范围组成一个“热力站实时运行管理系统”。

　　实时监控系统由中央管理工作站、现场控制机（RTU）、通讯网络系统、以及温度、压力、流量传感器和控制执行机构组成。实时管理系统对热力站的运行参数、热用户的供热情况进行管理，同时将一次网管线、热力站的各项设备、图表、检修和大修记录、二次网管线、用户管理等内容一并用图表、文字说明的形式，直观简捷地显示在屏幕上。

　　热力站实时运行管理系统采用分布式计算机监控系统。目前在国内，对于供热系统的计算机监控方式，有两种不同的思路：一种是采用中央集中式监控方法；另一种是采用中央与就地分工协作的监控方法。前一种方法是中央独揽大权，热力站机组只有测试仪表和执行机构，它的功能只是参数的下情上达和指令的上情下达，本身没有自动调控的决策功能。这种方法对软件的功能要求比较高，当热电厂不是“以热定电”即当热电厂供热量不足时，能进行流量的均匀调节，但其灵活性差，局部故障容易影响全局的正常运行。第二种方法，即中央与就地分工协作监控方法，其供热量的自动调节决策功能完全“下放”给就地的热力站机组，中央控制室只负责全网参数的监视以及总供热量、总循环流量的自动调控。这种方法比较灵活，故障率少，容易适应热网不同建设期的需要，国外多数采用这一种方式。

　　热力站实时运行管理系统采用的控制策略就是第二种方式，即为：中央监测、现场控制。中央管理工作站仅负责检测显示热网参数；每个热力站独立地工作，互不干扰。即使某一个换热站出现故障也不会影响其它换热站的正常工作。

2） 功能

　　目前的供热系统一般都存在以下几个方面的问题：

　　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；

　　供热参数没能在最佳参数下运行，供热量与需热量不匹配；

　　故障发生时，不能及时地诊断报警，影响供热系统的可靠运行；

　　各换热站数据不全，难以实现量化管理；

　　而热力站实时运行管理系统正好可以解决上述问题。概括起来，它可以实现如下五个功能：

　　及时检测热网运行参数，了解系统工况；

　　在各换热站安装遥测仪表，热网运行的调度室就可以掌握各换热站的水压图和温度分布状况，对运行工况能做到“情况明朗，心中有数”，不致使系统调节处于盲目状态。实现计算机自动检测，可通过遥测系统全面及时地测量各换热站的温度、压力、流量、热量等参数。由于在各换热站安装了“眼睛”，运行人员即可“居调度室而知全局”，不需对每个换热站进行巡视。全面了解各换热站的运行工况，是一切调节控制的基础。

　　均匀调节流量，消除冷热不均；

　　对于一个大型而复杂的供热系统，消除每个换热站和二次网水力失调的工作，不是单靠系统投运前的一次性调节就能一蹴而就的。这样，系统在运行过程中，经常性的流量均匀调节是必不可少的。热力站实时运行管理系统随时测量热力站或热用户的回水温度或供回水平均温度，通过电动调节阀实现温度调节，达到流量的均匀分配，进而消除冷热不均的现象，保证末端用户的室温。

　　合理匹配工况，保证按需供热；

　　供热系统出现热力工况失调，冷热不均的现象，除因水力工况失调外，还有一个重要因素，即系统的总供热量与当时室外温度下的总热负荷不一致，对每一个换热站来说，在室外温度不等于－9° C（－9° C为设计条件下的室外温度）时，换热站的供热量与热用户对室外的散热量不匹配，从而造成全网平均室温偏高或偏低。当“供大于需”时，供热量浪费；当“需大于供”时，影响供热效果。在手工操作中，保证按需供热是相当困难的。

　　热力站实时运行管理系统可以通过软件开发，配置供热系统热特性识别和工况优化分析程序，根据前几天供热系统实测的供回水温度、循环流量和室外温度，预测当天的最佳运行工况匹配，进而对各热力站实行直接自动控制或运行指导。

　　及时诊断系统故障，确保安全运行；

　　目前，目前的供热系统在各换热站尚无完备的故障诊断系统，系统故障常常发展到相当严重的程度才被发现，既影响了正常供热，也增加了检修难度。

　　热力站实时运行管理系统可以配置故障诊断专家系统，通过对各热力站的运行参数进行分析，即可对各换热站、热用户中发生的泄漏、堵塞等故障进行及时诊断，并指出故障位置，以便及时检修，保证系统安全运行。

　　健全运行档案，实现量化管理；

　　由于热力站实时运行管理系统可以建立各种信息数据库，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、供热量等运行控制指标。尤其是在目前热量计费呼声很高，大范围地实现按户计量热量几乎不可能的情况下，热力站实时运行管理系统能对已有的供暖建筑物，先实现按热力站供热计量收费，进一步实现每一栋楼计量收费。 热力站实时运行管理系统还可以存贮、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。

　　热力站实时运行管理系统还包括以下物理内容：

　　热力站部分：热力站名称及管理性质、简历、工艺流程图、系统图、一次户线示意图、主要设备及材料明细表、大修记录等；

　　用户部分：二次网平面图、供热范围、热用户明细表、供热合同明细、用户收费情况等；

　　主要设备及材料库：水泵、加热器、电控柜、阀门、水处理设备、变频器等。

1.3 中央管理站

1）主要硬件设备

　　计算机、打印机、UPS稳压不间断电源、模拟屏等。

2） 功能

（1）热网系统运行参数和各热力站循环水泵状态的实时检测与显示

　　显示热网及换热站内运行参数包括：一次网供水温度、回水温度、供水压力、回水压力、过滤器前后压差、流量、电动调节阀阀位；二次网供水温度、回水温度、供水压力、回水压力、恒压点压力、供水温度开关、流量、过滤器前后压差、软化水箱水位、循环水泵启停控制及状态、补水泵启停控制及状态、循环水泵运行频率、补水泵运行频率、补水流量、室外温度等。 显示二次网及用户的运行参数包括：典型用户入口的供水温度、回水温度、供水压力、回水压力、循环流量、用户室内温度；末端用户入口供水温度、回水温度、供水压力、回水压力、循环流量、用户室内温度等。

（2）数据统计处理、数据管理与检索

　　对上述采集到的数据进行统计、归纳、整理，为管理提供可靠依据。

（3）热网工况报表及热量统计报表打印

　　热网工况包括水力和热力工况。水力工况为压力和流量的分布状况，热力工况为温度和热量的分布状况。热量统计既可以是一个换热站的热量，也可以是一栋建筑物的热量，为以换热站或建筑物为单位进行热量收费提供依据。 （4）热网水压图显示

　　水压图是用来研究热网水压分布的重要工具。通过水压图，可以确定：管道上任意一点的压力、散热设备处的压力、热用户的资用压头、管段的比摩阻、循环水泵的扬程等。

（5）图档管理显示

　　热力站部分：热力站名称及管理性质、简历、工艺流程图、系统图、一次户线示意图、主要设备及材料明细表、大修记录等；

　　用户部分：二次网平面图、供热范围、热用户明细表、供热合同明细、用户收费情况等；

　　主要设备及材料库：水泵、加热器、电控柜、阀门、水处理设备、变频器等。 （6）温度、压力、流量等参数曲线显示

不仅能显示前一段时间内的温度、压力、流量等参数的曲线，而且能给出其在未来某一段时间内的趋势，为管理者提供预测依据。

（7）微机系统、热网故障诊断及报警

　　对微机系统的故障主要是指通讯方面的故障。热网故障指热网出现泄漏、堵塞等故障现象，设备方面的故障，如变频器、水泵等，另外还有换热器的出力是否能达到设计要求等。

（8）热网运行方案指导

　　根据室外温度和二次网采用的运行调节方式（质调节、量调节或分阶段改变流量的质调节三种运行方式中的一种），得出二次网的供回水平均温度、供水温度、回水温度、以及循环水泵的变频频率；根据室外温度和一次网的运行调节方式，得出一次网的运行温度；根据室外温度的变化趋势以及前一段时间的供热负荷预测出下一段时间内的二次网供回水温度、供热负荷、循环水泵的运行频率等。

1.4 热力站现场控制机（RTU）

1） 热力站RTU的检测参数和控制对象

（1）、检测参数

采暖：

室外气象温度

一次网供、回水温度

一次网供、回水压力

一次网流量

二次网供、回水温度

二次网供、回水压力

二次网循环流量

二次网补水流量

二次网补水水箱水位

二次网典型用户入口供回水温度

二次网典型用户入口供回水压力

二次网典型用户室内温度

二次网末端用户入口供回水温度

二次网末端用户入口供回水压力

二次网末端用户室内温度

生活热水：

热侧供水压力

热侧回水压力

热侧供水温度

热侧回水温度

热侧供水流量

冷侧供水压力

冷侧回水压力

冷侧供水温度

冷侧回水温度

生活水箱水位

冷侧生活热水用水量

（2）、控制对象

采暖：

　　根据室外气象温度和二次网的供回水平均温度调节一次网供水或回水管道上电动调节阀，从而改变一次网进换热器的流量，保证二次网的供热量；

　　根据室外气象温度、二次网的供回水温度、供回水压力共五个参数，来通过变频器调整循环水泵的运行频率，从而改变二次网的运行流量；

　　根据恒压点的实测压力值与设定压力值的比较偏差，来通过变频器改变补水泵的运行频率，保证恒压点的压力恒定。

生活热水：

　　根据二次网的生活热水供水温度调节一次网进入生活热水换热器供水或回水管道上电动调节阀，从而改变一次网进生活热水换热器的流量，恒定二次网生活热水的供水温度；

　　根据生活热水泵出口的实测压力值与设定压力值的比较偏差，来通过变频器调整生活热水泵的运行频率，保证生活热水最不利用水点的流出水头值恒定。

2） 热力站现场控制机（RTU）监控原理

　　就我国目前的供热状况而言，热力站的现场机监控有以下几个层次：第一个层次亦即最先进的系列，即实现供热系统的全网计算机自动监控，它要求热力站能完成供热量、循环流量的就地自动控制，供热量、流量、温度、压力、阀位等参数的就地自动测试、显示和远程传送。第二个层次即中等水平，它要求热力站能实现就地供热量（可能含循环流量）的自动调节以及温度（可能含流量、压力、供热量、阀位）等参数的自动测试与显示；第三个层次，即初级水平系列，它要求热力站能就地自力式完成流量的限制，以及温度、压力等参数的就地观测。

　　在目前的供热系统中，上述三种监控方式应灵活应用。管理人员的技术水平较高的地方可以采用第一或第二种监控方式；如果采用第三种监控方式，即仅在热力站一次网的供水或回水管上安装自力式流量平衡阀或其它手动限制流量装置，用户完全可以自行调整流量，将一次网的供水流量调整至流量刻度的最大值，致使其二次网的供水温度很高，造成供热浪费。

　　热力站实时运行管理系统现场控制机的监控原理如下。

（1） 初调节

　　初调节一般在供热系统运行前进行，也可以在供热系统运行期间进行。初调节的目的是将各换热站或热用户的运行流量调配至理想流量，即满足换热站或热用户在室外设计温度条件下热负荷需求的流量；当供热系统为设计工况时，理想流量即为设计流量。换句话说，系统初调节主要是解决水量分配不均的问题，亦即消除各用户的冷热不均问题。因此，初调节也称为流量的均匀调节。如果从供热系统的水压图考虑，则初调节的目的，是将供热系统实际运行水压图调整为理想运行水压图（当供热系统为设计状况时，理想运行水压图即为设计水压图）。

　　如果各换热站的一次网供水管或回水管上安装了自力式流量平衡阀（或称为限流器），则各换热站一次网的初调节主要是由此设备完成，如下图1自力式流量平衡阀工作特性曲线图中的BC段。如果一次网的供水或回水管上同时安装了自力式流量平衡阀和电动调节阀，则自力式流量平衡阀的工作范围为图中的AB段。如果一次网的供回水管上没有安装自力式流量平衡阀，则各换热站的初调节在一次管网是具备可调性的前提下，运行过程中通过电动调节阀来完成。

　　对于二次网的管线的初调节，目前主要应通过人工来完成，即在每个热用户的入口安装手动调节阀和手动平衡阀，通过该阀门来进行初调节。不应安装自力式流量平衡阀，因为自力式流量平衡阀的流量在某一压差范围内为定值，而二次网系统为了适应用户计量收费和降低运行成本的需要，二次网的流量应随着室外温度的变化而变化，这样自力式流量平衡阀就不适用了，所以在目前的情况下应安装手动的调节阀或平衡阀。 图1 自力式平衡阀工作特性图

（2） 流量、热量计量收费

　　计量收费主要在以下几个方面：采暖用一次网供热量、采暖用二次网补水流量、二次网热用户或某一栋楼的供热量、生活热水用一次网供热量、生活热水二次网流量等。对热量的计量，测量其循环流量，再辅之以供回水温度，即可计算出供热量。这样就能实现按热力站或一栋楼来计量供热量进行收费。 （3） 运行调节

A、 一次网的运行方式

　　如果一次网的供水或回水管上安装了电动调节阀或其它自力式的温度调节阀，则一次网的流量是变化的，如果此时供水温度还变化的话，则一次网的运行方式是变温度变流量的运行方式，即质量并调。总体上说，如果每个热力站一次网供水或回水管上都安装了电动调节阀或自力式温度调节阀，实现以二次网的供水温度或供回水平均温度为调节基数，则一次网采用单纯的变流量（量调节）运行方式是最经济的，即仅改变一次网的循环流量，而不改变供水温度的运行方式。

B、 实现换热器的高效传热 从目前的市场情况看，换热器一般都采用板式换热器和管式换热器。板式换热器的设计和运行管理方面需要澄清的几个问题以及如何实现板式换热器的高效传热见3.3节。

C、 二次网的运行管理

　　二次网的最佳运行调节方式为质量并调，即二次网的供水温度随室外温度变化而变化的同时，二次网的循环水量也随室外温度的变化而变化。热力站实时运行管理系统对二次网的运行管理主要表现在以下几个方面，具体内容见3.3节：

a)、供热量的控制――二次网供回水平均温度

b)、循环水泵变频控制――变压变流量

c)、 补水泵变频定压控制－旁通定压

1.5 通讯网络系统

　　通讯系统限于篇幅简要介绍如下：微机监控通讯系统由多个环路组成，它负责中央管理站与现场控制机之间的信息传递，保证整个供热系统的正常运行。它有中央通讯接口机、现场通讯接口机和通讯线路组成。中央通讯接口机和现场通讯接口机全部采用进口设备。通讯线路可以是专设电缆，也可以是普通电话通讯线路。