引言
我國北方地區的冬季漫長而寒冷，暖氣、地熱等供暖方式已經成為這里人民冬季室內御寒的主要手段。隨著城市供熱管網的改造工程逐步深化，小區鍋爐供暖的形式已在逐漸推出舞臺，由一個熱電廠負責幾個片區的供熱已經成為目前城市供熱的發展趨勢。目前由于各區域的距離遠近，管網質量，換熱設備等硬環境參差不齊，也存在著供熱效率低、供熱不平衡、能量浪費、熱網波動嚴重等諸多問題。
該項目是我國北方某城市市政供熱系統。該供熱管網是以某熱電廠為熱源，總供暖面積540萬平方米，熱網半徑約6千米，采用間接式供暖。一次網供、回水溫度為130/70℃，供水壓力14.7公斤/平方厘米。30座熱力站和公用系統。
根據用戶的具體要求，對于該供熱自控系統，既要根據室外溫度的變化調節二次側供水溫度，保證終端熱用戶的室內變化不超出某一范圍（18±2℃，最低不低于16℃），這樣既保證終端熱用戶有一個舒適的生活、工作環境，也可以最大限度地節約能源，同時也要實現在換熱站的無人值守的情況下中控室可以遠程調度每個熱力站的參數，保證整個熱網的熱力平衡，供熱系統可以安全可靠地運行。并初步實現熱網熱量的計量。

系統控制策略分析
目前我國北方地區大部分采用城市集中供熱形式，一個熱電廠負責幾百萬平米的供熱面積是很普遍的事情。供熱系統是一個大慣性系統，供熱面積越大慣性越強；各熱力站之間存在一次網的水力耦合問題，熱力站越多、網絡越復雜這種耦合也就越強烈，這都給熱網的水平熱力調節帶來了極大的控制難度；目前我國由隨著“分戶供暖”工作的逐步實施部分熱用戶已經采取了分戶按流量計費的供暖收費方式，這和傳統的按面積收費對供熱公司的供暖理念有著本質差別。按熱量收費時，供熱公司只要盡可能地滿足各用戶的用熱需求，為了節省采暖費，熱用戶會自動限制自己的用熱量；而按面積收費時，熱用戶不會自覺節省熱量，供熱公司要在保證熱用戶的基本供熱效果的前提下盡可能減少供熱量來達到節能增效的目的。
考慮到上述社會現象，根據歷年的氣象統計，東北地區平均每個供暖季只有有30天能夠達到最低氣溫，而每個供暖季共有135天的時間，也就是說僅有22％的時間熱網處于滿負荷運行狀態。在其余的時間里，例如初寒期和末寒期，室外溫度偏高，系統并不需要如此多的熱量。由此采用分階段改變流量的調控方案以便節省能耗。即在處寒期和末寒期，改變熱水流量。由于熱網規模較大，大容量的泵的啟停工作量很大，所以應慎重選擇流量改變的負荷轉折點，計算最不利點壓差和相應的供回水溫度，確保系統供熱質量不受影響。
針對該系統我們對一次網采用流量分段控制方案。熱用戶室內溫度是控制系統的目標參數，室內溫度主要取決于換熱器的效率和二次網的綜合供熱能力。在這兩個因素不變的前提下，熱用戶室內平均溫度取決于二次網的供回水平均溫度和當時的室外溫度。我們把室外溫度范圍劃分成幾段，設置一定的模糊區域以防止系統頻繁調節導致抖動，在不同的溫段內我們通過改變一次網調節閥的開度來控制二次網的供回水平均溫度。
根據控制策略分級執行的原則，該系統可以分成以下幾部分：
·熱力站就地監控系統：以SuperE RTU為核心，現場的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門開度、泵的啟停狀態等信號傳輸到控制器，由其進行A/D轉換并作出判斷和處理，實現現場的就地控制。
·現場儀表和執行機構：包括溫度、壓力、熱量、流量、液位等傳感器和變頻器、閥門執行器等執行機構。
·通訊系統：以有線電話網（PSTN）為傳輸介質，實現熱網熱源調度中心與熱力站就地監控系統的通訊；以雙絞線（以太網）為傳輸介質，實現中控室內部工作站與廠區辦公管理系統的通訊。
·熱網熱源調度中心：作為整個供熱系統的運行調度樞紐，能夠完成所有的數據處理和控制功能。

熱網熱源調度中心監控系統
在中央控制室能對整個熱網控制系統進行在線實時數據采集、控制，并實現管網分析與仿真、故障診斷、報警、歷史數據處理、趨勢顯示、報表打印等功能。中控室系統結構如圖1所示：


中央控制室由一臺通訊處理機，一臺工程師站和若干臺工作員站組成，它們之間由快速以太網互連，并可通過此網絡接入企業管理信息網。所有的控制命令均是通過組態好的客戶定制系統中文人機界面操作。如啟停某一設備、手動或自動執行順序控制、SuperE RTU控制方式的切換及對現場SuperE RTU參數設定值的修改等。
上位機開發平臺我們選用了MCGS5.5組態軟件配合C語言程序實現控制系統的通訊、管理、監控和顯示。該系統提供了一個完整的對象數據庫，將用戶接口、控制功能塊、以及整個系統和設備的控制信息綜合在一起，以滿足監控要求?？紤]到與下位機通訊的穩定性、現場的實施方便及易操作性、經濟合理性。我們采用分組交換的通訊方式，既能保證上位機與下位機之間通訊的穩定性，又能保證工程現場實現的易操作性。軟件系統結構設計如圖2所示：


系統運行、操作監督管理系統實現對系統信息的管理。它與下位機通訊并給用戶提供了對下位機操作的平臺；采集數據的集中分析模塊在系統運行時從下位機取得數據，將取得數據進行分析、處理，并將處理后的數據進行存儲，同時提供接口與其他模塊交互使得其他模塊可以取得系統的信息，提供歷史數據。
系統運行、操作監督管理系統模塊實現用戶顯示界面并完成與用戶的交互并完成對前臺顯示的組態過程。在系統運行時與用戶交互，顯示下位機的運行狀態，并接收用戶輸入，產生相應的控制信息，通知系統管理模塊控制下位機運行。
信息生成及數據通迅模塊負責生實現上、下位機之間的數據通訊。

熱力站就地監控系統控制原理
熱源廠通過輸汽管道將過熱蒸汽輸送到各換熱站，在換熱站中蒸汽經熱交換器將采暖熱水加熱，循環泵通過供熱管道將熱水送到各熱用戶。因此，換熱站作為熱源廠與熱用戶之間的中間環節，其供熱品質的好壞對改善熱網熱力工況，提高供熱質量起著重要作用。就地控制系統能夠根據室外環境溫度及不同的供熱時段采取具有一定前瞻性的供熱策略，使每一個換熱站按照設計迅速達到熱平衡，不但可以極大地節約能源，而且可以對熱網的水力平衡起到不可忽視的積極作用。
換熱站工藝流程如圖3所示：


為了達到設計目的，需對換熱站內的參數進行測量與控制。具體監控表如表1所示。


由于各用戶的建筑面積、暖氣片性能及房屋保溫質量各不相同，很難確定一組典型的室內溫度作為直接被控量，而供、回水的平均溫度從整體上反映了各用戶暖氣片的平均溫度，因此本系統采用控制供、回水平均溫度的方法來間接控制用戶室溫?？刂圃砜驁D見圖4。


圖4中T0表示室外大氣溫度5 min內的平均值，TS表示供、回水溫度的設定值，T1表示供水溫度測量值，T2表示回水溫度測量值。圖中紅線所示的反饋回路需要控制系統通過遠程方式采集多個典型熱用戶的室內溫度，并求出其平均值來修正TS的給定。因為熱用戶的室內溫度并不是每個熱網控制系統都有條件對該值進行監控，所以這里我們在該方案中不考慮此回路。




補水控制
供、回水壓力是熱網安全運行的重要參數。供水壓力過高可能造成熱水管道及用戶暖氣片的破裂；循環熱水的流失會使回水壓力過低，有可能形成熱水汽化，引起熱交換器的劇烈振動。恒壓控制的最佳方案是對補水泵進行變頻調速控制，但考慮到成本問題以及此處對壓力的穩定性要求并不高，只要壓力不超出某一范圍即可，所以采用開關補水控制方案。補水控制邏輯中涉及到的供水壓力P1和回水壓力P2間的關系可參看相關資料。
供熱量及換熱器效率計算
換熱器中供熱蒸汽提供的熱量部分被熱水吸收，也就是說換熱器的效率不可能為100％。換熱器的換熱效率一方面由換熱器的結構決定，另一方面由于換熱器內部結垢而使效率降低，當換熱效率低于某一值時（例如75％），系統做出提示報警，提示操作人員及時除垢。
過熱蒸汽經換熱器后變成凝結水，因此其提供的熱量為：
Q1＝W*γ （2-1）
式中，W—外網蒸汽質量流量，
γ—過熱蒸汽汽化潛熱。
當系統不補水時，供水流量M1等于回水流量M2，此時瞬時供熱量為：
Q2＝Cp*M2(T1-T2) （2-2）
當系統處于補水狀態時，供水流量M1等于回水流量M2與補水流量M3之和，此時瞬時供熱量為：
Q＇2＝Cp*[M2*(T1-T2)+M3*(T1-T3)] (2-3)
式中，T1為供水溫度，T2為回水溫度，T3為補水溫度，Cp為水的比熱容，因壓力和溫度都不太高，為簡化計算，取Cp＝4．1868（MJ／T·C），流量單位是t／h，熱量單位是MJ。因此，當不補水時換熱器的熱效率為：
n＝Q2/Q1 *100% （2-4）
當補水時換熱器的熱效率為：
n＝Q＇2/Q1 *100% （2-5）
前饋＋反饋控制算法
因補水溫度較低，當補水泵開啟時，會使供水溫度迅速降低，而且由于壓力的變化需經常開關補水泵，所以這是引起供水溫度波動的一個重要原因，采用前饋控制會使系統性能得到較大改善。比較式（2-2）、（2-3）可以看出，如果要保證補水前后供水溫度T1不變，需在開啟補水泵的同時，加大供熱蒸汽量，多提供：ΔQ2＝Q＇2-Q2＝Cp*M3*(T1-T3)的熱量。考慮到換熱器的熱效<