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1、第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛济宁市热电厂热网监控系统智能化改造济宁市热电厂热网监控系统智能化改造摘 要：针对我国北方地区目前普遍采用集中供暖方式进行供热。热电厂通过城市高温供热管道将热水送至各居民小区、企业中的换热站。在换热站，高温管道中的热水与二次闸的热水通过换热器交换热量。经过换热后，二次网中热水流入各居室中。在以上过程中，供热调度部门需要对分散在不同地理位置的首站和换热站中的热量、温度、压力、流量、液位等参数进行集中实时监控，控制换热站中各设备的运行。同时，结合现在的供热理论，采用“管、控一体化”的方法，设计了供热控制专家系统实最少的能量消耗，达到经济和优质安全的供热
2、目标，保证整个冬季的稳定运行，该项目得到了企业的认可。 关键词：供热监控 无人值守备 专家系统 1引言我国北方地区冬季目前普遍采用集中供暖方式进行供热。热电厂通过城市高温供热管道将热水送至各居民小区、企业中的换热站。在换热站，高温管道中的热水与二次网的热水通过换热器交换热量。经过换热后，二次网中热水流入各居室中。在以上过程中，供热调度部门需要对分散在不同地理位置的首站和换热站中的热量、温度、压力、流量、液位等参数进行集中实时监视，控制换热站中各设备的运行。同时，结合现代的供热理论，采用“管、控一体化”的方法，实现用最少的能源消耗，达到最经济、优质、安全的供热目标，保证整个冬季供暖的稳定运行。为
3、了设计的供热系统能在国内外达到一定的先进水平，需对国内外的技术状况做一些分析。国外的集中供热发展大致分为4个阶段:单纯管理阶段基础建设阶段综合发展阶段自动化控制阶段。在综合发展阶段开始投入实时监测系统的建设,人工调整配合,最后发展到远程控制、无人值守热力站,实现自动化控制。美国、日本、俄罗斯(包括前苏联)、丹麦、瑞典、德国等国是集中供热发展很快的国家,从设备、技术、管理等诸方面都居世界领先的水平,其中日本、丹麦、挪威将天然气、油、垃圾、生物能、热泵等作为集中供热的主要热源,社会效益、节能效益、经济效益明显。美国是世界第一个冷热联供系统在HarfordCity建成并投入运行的国家。20世纪70年
4、代纽约世界贸易中心采用新技术向建筑物群集中供冷供热,成为当时世界上规模最大的供冷供热工程。目前美国有众多的学者从事有关区域供冷供热方面的研究,并在多项技术上保持优势。近年来,日本中供热(冷)系统发展速度也较快,特别是以东京为中心的关东地区尤为明显,已占日本全国的60%。日本集中供热(冷)系统比较注重节能和环保,如采用热电供给系统、蓄热槽及利用城市废热作为能源等,以提高能源的利用效率。我国城市集中供热事业，是建国以后第一个五年计划期间开始发展起来的。1978年以前，由于各种原因，城市集中供热的发展速度相当缓慢。三中全会以来，在国家的重视和大力扶持下，我国北方城市采取多种途径，因地制宜，广开热源，
5、大力对集中供热事业进行发展，并取得了一定的成绩。到一九八三年年底，北方102个城市中，建立集中供热设施已有17个城市，共敷设供热管道六百余公里，供热面积3000万平方米，且兼供了部分生产用蒸汽。平均每年可节约标准煤一百余万吨，减少城市烟尘56000吨，减少有害气体二氧化硫38000吨。目前，我国城市集中供热广泛应用的热源形式主要是热电厂和区域锅炉房，集中供热所用能源仍以煤炭为主。据不完全统计，目前我国集中供热产业热源总热量中，热电联产占62.9；区域锅炉供热包括集中燃煤锅炉房供热、集中燃气锅炉房供热和集中燃油锅炉房供热，占35.75；其它占1.35。我国城市集中供热事业虽然有较快的发展，但由于
6、起步较晚，与城市建设的其它事业相比较，基础还很薄弱，普及率也很低，供需矛盾十分突出，与四个现代化建设的需要不相适应，仍需加倍努力发展。2 供热系统架构依据系统的设计目标、总体实现思路、主要技术路线，本系统的总体结构如下图所示，本系统由现场设备层（狭义的现场设备层+设备控制层）、集中监控层、信息管理层组成。 图1 典型的管理控制一体化系统现场设备层由布置在现场的测量仪表、执行机构、远程I/O和PLC等控制系统、控制网络及液晶显示操作终端组成。液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示，并实现一些参数设定信息的输入。现场设备层的主要功能：一是分别实现各个热力站控制系统集成，包括对设备运行状态（
7、如水泵运行状态、阀位等）、热力站运行参数（如温度、压力、流量及热量等）进行实时监控和数据采集，二是实现各个热力站系统的控制，包括按设定的控制策略对热力站一次水调节阀、二次水循环水泵、补水调节阀等进行自动控制；三是向集中监控层提供集中监视和远程操作的数据接口，即在通讯网络的支撑下，将热力站运行数据传送到调度监控中心，同时接收调度监控中心发来的调度控制指令。另外，现场控制系统还具有数据存储、自我保护（如断电保护、短路检测等）、显示操作、参数异常检测并做出报警提示及上传等功能。集中监控层由SCADA服务器、工程师站、操作员站等组成，集中监控层的主要功能：通过部署在热网中心控制室的SCADA服务器、工
8、程师站、操作员站来实现各个热力站设备的集中监视和远程操作。集中监控层采集所有热力站的实时数据，并对数据进行存储、历史趋势分析、报警查询、报表管理及输出等，在此基础上，并向各现场设备发出调度控制指令。1. SCADA服务器提供与设备接口层的通讯驱动服务、变量输入/输出服务、变量计算服务、实时报警服务、实时趋势服务、实时监视画面服务、操作权限控制服务；2. 工程师站主要供管理人员使用，用于系统开发、编辑、修改或更新系统的各种参数和常数，对SCADA服务器所提供的各项服务进行组态、维护、管理；3. 操作员站作为MCC操作人员实现能源设备集中监视功能、远程操作、参数下传等功能的操作终端；信息管理层的主
9、要功能：基于热网中心局域网，向热网中心各级管理人员提供能源信息管理功能。信息管理层由实时数据库服务器、和客户端组成。通过自身的过程数据接口引擎与SCADA服务器集成，提供“存储并发送”的机制，以可靠地实现能耗数据的实时归档。图2 供热监控系统设计如图2所示，整个热力站底层网络首站采用Profibus协议，二级站采用Modbus协议，PLC与变频器、流量计、热量计之间的通信采用了modbus网络，使变频器的运行参数、控制参数、电量参数、和流量计的计量参数快速的与CPU进行交互，支持实时读写数据；PLC与监控层之间的通信采用开放的TCP/IP协议，PLC的CPU上配有开放的工业以太网接口，完成CP
10、U与监控计算机之间的通信，支持数据的实时读写。热力站上配置了VPN调制解调器，把PLC局域网接入ADSL网络。2 供热系统软件设计供热监控中软件设计部分主要有以下几部分构成（1） 现场控制层，现场控制层根据供热网络结构分为首站和分站两种类型。 首站主要由西门子S7400PLC、路由器和上位监控组态软KingView组成。首站监控包括现场PLC数据采集与控制和上位监控组态软件KingView 的数据监视、控制、报警、报表、曲线等功能。 分站主要由S7400PLC系列 PLC、触摸屏和路由器组成。通过 PLC 与触摸屏的组合实现现场级的监视与设备控制。（2） 网络传输层 本系统基于网络运营商中国电
11、信提供的 Internet 网络服务，在控制中心与各换热站之间搭建了 VPN 虚拟局域网络。用于实现各个换热站PLC 与中心监控系统组态软件KingSCADA 之间的 Modbus 协议以太网方式通讯，从而实现将各个换热站 PLC 采集到的数据传输到监控中心软件系统，并把监控中心软件系统的控制命令或参数设置下发到各个换热站的PLC。（3） 中心数据采集存储层中心数据采集存储层由两台数据采集存储服务器和一台Web发布服务器组成。两台数据采集存储服务器均安装北京亚控KingSCADA软件和工业数据库软件KingHistorian，两台服务器实现 IO 采集冗余、SCADA 监控冗余、工业数据库镜像
12、备份。 a) 数据采集存储服务器上安装的IOServer软件，用于从首站西门子S7400PLC和各分站PLC 采集供热管网数据、设备运行参数及状态等，然后将采集到的数据上发给KingSCADA软件和工业数据库软件。 b) KingSCADA软件实现首站与各分站工艺流程图实时数据显示、实时报警显示、数据报表、曲线查询显示、现场设备远程控制并读取控制反馈数据、全网平衡调节等功c) 工业数据库软件 KingHistorian 通过其 IOServer 采集器功能组件获取 IOServer的实时数据，并将数据进行压缩存储。该软件是专用于处理具有时序性、数据采集速度快、数据点数庞大特征的工业数据的专业数
13、据库软件，具有存储、查询响应速度快，存储数据占用磁盘空间小等特征。 d) KingSCADA软件具有Web发布功能，将开发完成的工程画面发布到Web发布服务器，用户通过在 IE 浏览器输入 Web 服务器 IP 地址与工程发布访问路径即可看到与SCADA监控软件界面相同效果的监视数据。Web 发布服务器与SCADA 系统服务器通过硬件防火墙隔离，防止SCADA系统受外界干扰，保证SCADA系统安全运行。 e) IO 采集、SCADA监控采用冗余配置，当其中一台服务器出现故障，备用机可以实现1s中内切换为主机，承担起主机所负责的工作，保证数据的实时性与完整性。3 系统系统软件界面设计（1）自动化
14、监控 通过该SCADA系统实现了在调度室即可直观的看到热电厂所辖范围内的整体供热情况和各换热站供热参数、设备运转情况。操作人员登陆后可直接对设备进行远程控制和参数设置。全网监控界面如图3所示,从全网监控界面可以看到东郊热电厂所辖供热管网、供热站分部情况，并且可以看到各站点关键数据与故障报警。图3：全网监控界面系统监视的首站数据包括： 首站蒸汽、水的温度、压力、瞬时流量、累计流量数据视 各进出汽、进出水阀门的开关状态、开度、调节反馈数据监视 疏水泵、循环泵、补水泵、凝水泵的启停状态、电气参数数据监视 换热器、补水箱液位数据监视 各水泵启停控制、各阀门开度调节 室外温度数据监视 。 图4：全网监控
15、界面图5：SCADA系统实时报表界面4信息管理设计热网能源管理系统是建立在热网控制系统之上的一套综合调度、管理、分析系统。它借助信息门户技术来为热网管理调度部门及热力站运维部门构建一个协同工作平台，以改变现行的人员协作方式，让所有能源相关的人员和职能共处在统一的工作环境中，帮助我们充分整合热网管理调度过程当中的业务和信息，支持工作成员之间快速达成有效的沟通和协作，以全面提升热网管理工作的效率。管理系统能够和热力公司已有的各种业务系统和控制系统实时连接，包括经营收费系统、气象预报系统、热源及热网监控系统等。热力公司调度人员可以随时查询供热生产运行的所有数据，通过综合数据分析，下达供热运行调度调节
16、指令，指导全网稳定、经济运行，系统同时能够对生产运行所有数据进行经济分析，对全网的经济运行及成本分析提供基础数据。针对热网控制，我们采用了在.net的平台上开发出能源管理系统软件包，该软件包可与SCADA平台进行无缝集成，共用实时历史数据库，从历史实时数据库中读取数据，运算后的结果写入SCADA数据库中。该软件包成本低，运算快。计量统计功能对热源系统的投入量、转换环节的转换量、热网输送分配环节的输送分配量、用能环节的最终使用量进行分别统计汇总，支持各级管理人员准确和清晰地掌握整个系统的各区域的计量信息。能效分析基于热力学、流体力学和传热学相关定律和方法，建立从热源至热用户（即首站蒸汽母管至最终
17、用户）整个系统的能效评价模型，基于监测的流量、压力、温度、热量等关键数据进行能效分析，掌握影响该供热系统热损失较大的薄弱环节（如换热站、供热处、热用户）的运行状况，从而有针对性地提出相应的调节方法和控制策略。同时，以历史统计数据为依据，通过比较分析同一气象条件下换热站、泵站、用户等系统关键环节的数据曲线，也可及时发现运行异常的环节，从而及时调节，保证热网的安全、经济运行。负荷预测一般情况下，供热系统负荷的变化呈现出周期性有规律的变化，同时也具有随机性。周期性变化主要表现为与季节关系密切的月周期性、与人们生活规律相关的周期性和与人们作息规律相关的日周期性。影响供热系统负荷的随机性因素主要为气候因
18、素，包括温度、天气状况(阴、晴、湿度、降雨、降雪、风速、日光强度等)及前两天的天气因素等。同时，供热系统的管网参数，包括出水压力、回水压力、出水温度、回水温度、循环流量等的变化也对供暖负荷产生一定的影响。由于供热系统的复杂性及建筑物和系统的热惯性，力图通过物理模型来建立供热负荷预测的数学模型是很困难的，我们以历史数据为参考，在掌握负荷变化规律的基础上，充分考虑各种影响因素，结合先进的数据处理、数据挖掘和时间序列方法对系统负荷进行预测。主要进行的负荷预测为： (1)超短期负荷预测（实时预测）；(2)短期负荷预测（0-24小时）；(3)中期负荷预测（3-7天）；(4)长期负荷预测（年度负荷预测）。
19、准确预测负荷，不但对确定日运行方式有重要作用，可以确定相应的锅炉热负荷、燃料量、合理安排主体热力设备的检修和确定在计划期内需要增加的设备容量。同时，负荷预测直接关系到供热系统生产计划和系统运行方式的安排，具有重要的经济意义。均匀性调节在热网水力调试平衡的前提下，调节热源（网）出力与末端用户负荷需求相匹配，是系统实现节能及保证末端用户热舒适性的重要手段，也是热网经济安全运行的关键。我们基于实时和历史统计数据及热负荷的准确预测，根据换热站及热用户的实时数据及管网、热用户特性，对全网进行动态的水力及热力平衡分析计算，确定当前热源输出条件下全网最佳的平衡控制方案，从而实现系统的均衡调节和热网的平衡运行
20、。针对热网控制，我们采用了在.net的平台上开发出热网优化控制软件包，该软件包可与SCADA平台进行无缝集成，共用实时历史数据库，从历史实时数据库中读取数据，运算后的结果写入SCADA数据库中。该软件包成本低，运行快。原理如下：在热网水力调试平衡的前提下，调节热源（网）出力与末端用户负荷需求相匹配，是系统实现节能及保证末端用户热舒适性的重要手段，如何准确预测用户的热力负荷对于热网的经济安全运行至为关键。基于历史统计数据及下一段时间内（通常为当前的下一天）的气象参数等，来预测下段时间内系统的热负荷。因而，除了数学处理方法的正确运用外，如何诊断传感器及过滤非正常数据，以确保传感器读数及历史数据的准
21、确有效性，是负荷预测准确的关键之一。本方案利用传感器在线诊断模型可确保数据的有效性。另外，气象参数可以权威可信的在线气象预报数据为准。系统能够根据换热站及热用户的实时数据及管网、热用户特性，可对全网进行动态的水力及热力平衡分析计算。系统能够根据动态平衡分析计算结果，确定当前热源输出条件下全网最佳的平衡控制方案，根据全网控制方案可以确定每个热力站的动态平衡方案，从而有利于解决热网运行失调现象，实现热网的平衡运行。计算公式如下：1. 根据气象数据计算出所需热量供热系统气候补偿基本公式：Q=(Tn-Tw)*Q/(Tn-Tw)其中：Q为某室外温度Tw下的供热量，Tn为室内设计温度（通常为摄氏18度），
22、Tw为当地供暖室外计算温度，Q为设计热负荷。对于采用控制热量法的调节方式，Q可根据供热节能指标、实际历史数据等来调整确定。2. 根据各时段的热力负荷曲线，计算出各时段循环水的流量现场实测热量计作为反馈修正流量值。根据流量与等比特性调节阀开度的关系式：q = qmax*R(l/L-1)其中：q-实际流量，qmax-全开流量，R-积分常数倒数（通常=30），实际开度，最大开度流量与设计热负荷关系式：Q=q*c*t= qmax*R(l/L-1) *c*t其中：c-水的比热，t-设计温度把Q= qmax*R(l/L-1) *c*t代入Q=(Tn-Tw)*Q/(Tn-Tw)得出R(l/L-1)=(Tn-
23、Tw)*Q/(Tn-Tw)/qmax3. 根据流量计算出阀门开度，实测流量作为反馈修正阀门开度最后得出调节阀开度：l =(Ln R(Tn-Tw)*Q/(Tn-Tw)/qmax-1) * L4.故障诊断 该系统故障诊断主要包括：管网泄漏故障诊断和仪表传感器故障诊断。管网泄漏故障诊断主要采用负压波法，根据对实时采集的管线中输送流体的压力信号进行分析处理，从而进行泄漏检测和定位。仪表传感器的故障诊断主要结合系统比较法和校核物理模型法，以获得更可靠更高的诊断精度。5.推广使用 在济宁热电厂供热控制室，从流程图上能清晰的看出各个换热站的情况和所有机组显示的运行参数，工作人员可以根据室外气温变化发出操作指
24、令实现各热站供热参数的自动反馈调整，并首次实现了各供热站的无人值守。该系统能根据温度的变化调节供热系统的执行机构实现调节。5.系统监控优势热网监控系统解决了热网运行失调现象，实现了热网平衡运行，大大提高了供热效果。起到了节能降耗的作用，热力站根据室外温度的变化，自动调节供水温度，从而最大程度的节约了能耗，并且提高供热的服务质量。热网监控中心的数据几乎与现场数据保持同步，这是以往热网运行中投入多大的人力及物力都不可能实现的。4避免了偷汽、漏汽现象，由于24 小时在线运行，杜绝了用户偷汽的想法，现场计量出现故障可以在最短的时间内发现，并将故障时间记录备案。避免计量方面的损失，将所有换热站现场仪表数据结合现代通信技术上传至数据库，通过数据及时调整及做出回应，以达到“节能降耗”的目的。5通过仿真系统对热网进行水力、热力计算，热网的控制运行分析，使热网达到最优化运行，利用故障诊断、能损分析了解管网保温、阻力损失情况，设备的使用效率，使热网的管损达到最小值，以达到最经济运行，通过历史数据和实时数据的比较，分析管网是否存在泄露，设备是否需要维修，以达到最安全运行。
