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浅谈热力管网的阀门远程调控系统

1 关于管网调节阀调控现状及远程调控的意义

目前,随着技术进步和改造资金投入,多数供热企业建立了供热数据监测系统,实现了对城市热力管网的温度、压力、流量进行监测等功能。部分供热企业还建立了“呼叫中心”热线电话系统和管网地理信息系统(GIS)。上述系统的建立能及时地监控供热管网运行和发现管网事故,提升供热服务水平和保障城市稳定持续供热。由于技术、设备和系统设计理念等多方面原因,对管网调度管理和运行调控还限于人工操作。热力管网运行数据遥测和事故信息获取、采集与判断已实现信息化和自动化,但管网中阀门的启闭和调节还必须依靠操作工人到场手动完成。造成以下几点不足:

(1)供热管网工况瞬时万变,管网实时优化运行靠人工现场调节几乎不可能实现;
(2)为确保供热系统安全运行,在发生重大供热事故时,需对管网中若干重要阀门多次反复调控,人工操作难以胜任;
(3)从管网事故信息的获取、判断到人工现场调控阀门,根据城市规模、抢修力量及交通路况,会有1h左右的延时,易造成事故损失扩大,引发相关问题;
(4)目前管网调度模式对用户端不能实现及时合理的调节和控制。

供热管网的科学调度与实时调控首先要解决阀门远程调控问题,管网中若干重要阀门和关键阀门能否实现及时有效调控直接影响供热安全,在调度中心直接实现对管网重要阀门的远程调控操作,对保证供热系统安全正常运行及降低损耗具有重要意义。

2 实现方案

通过对项目目标、设备工作环境、RTU、电动执行机构等因素以及设备技术参数进行考察分析后,决定采用GPRSRTU设备和MODBUS总线执行器对管网重要阀门进行调控的技术方案。

2.1 主要设备选型

2.1.1 远程通信设备选型

管网阀门远程调控系统的RTU设备选用郑州伊安科技公司的RTU2PT22,该设备能够测量2路4~20mA信号和1路PT100热电阻信号,并且具有GPRS数据传输功能,具有1个RS232/485通信接口,能够将本身测量的数据和外部通信数据传输到数据中心。其特有的4种数据定制定时呼叫功能,能大大减少GPRS的数据流量的通信费用。

2.1.2 执行机构选型

管网阀门安装在潮湿环境下的阀门井里,工作环境恶劣。为确保控制可靠性和设备安全,选用防护等级为IP68且具有MODBUS总线控制的温州瑞基RQII系列执行器作为执行机构。

2.1.3 附属传感器

对于地面以下阀门井内的部分阀门,必须加装水位变送器。考虑防水性比较好的投入式水位变送器,且考虑阀门井的温度较高、野外安装有雷电感应等因素影响,最终选择美国DwyerPBLT22PB液位变送器。

2.2 硬件设计方案

整个系统采用Internet和GPRS无线通信相结合的传输方式,工控机是整个系统的上位机,RTU是下位机,下位机控制执行器,执行器带动阀门运行,且下位机还可以测量液位变送器和压力变送器的信号。硬件系统结构见图1。

图1 硬件系统结构图

液位变送器用于测量阀门井的水位,目的是保证执行器的正常运行,如果执行器不在阀门井中,则没必要安装液位变送器。压力变送器用于测量阀门后端的压力参数,用于观察阀门调节后的效果。如果有热网监测系统则没必要安装压力变送器,热网监测系统可以更全面地掌握整个热网的运行参数。

3 软件设计说明

3.1 软件系统选择

软件系统方面考虑到系统的扩展性和稳定性,采用WINDOWS SERVER 2003+SQL 2005的方式,这样即使控制几百或上千个阀门都不成问题。如果控制的阀门数量较少,也可以采用AC2SESS数据库存储数据。系统软件开发则采用Microsoft Visual Studio 2005中的功能强大的C#语言编程,以方便日后的升级维护。

3.2 软件设计方案

上位机与下位机在数据传输上采用TCP/IP协议,该协议又细分为TCP和UDP两种。由于UDP传输在移动或联通的路由器分配端口时有时间限制,造成下位机的数据端口会经常变化,不利于实时控制,所以选择TCP传输方式。由于下位机RTU能够定时采集液位变送器和压力变送器的数据,且能够定时采集执行器状态数据,能够定时发送到上位机,所以各种现场数据不需要上位机软件控制,减少了上位机软件系统的复杂性。所有接收到的数据以及控制调节命令的数据都进行了存储,便于以后进行查询。

上位机软件系统流程见图2。

图2 上位机系统程序流程图

4 系统安全措施

4.1 执行器的安全保护

(1)转矩保护

用以防止执行机构操作中过转矩,既可以保护阀门,又可以保护执行机构本身。转矩保护值可以设定。

(2)自动相序调整

执行器能够自动检测接入电源端子的相序,通过适当的逻辑运算,决定执行机构操作时激励哪一只交流接触器,以确保给电机接通正确的相序。否则可能会由于接线相序错误而损坏阀门。

(3)瞬时反转保护

当执行机构接受向相反方向动作的命令时,自动加上一个时间延时,防止产生对阀轴和变速箱的不必要磨损。

(4)电源缺相保护

执行器具有完善的电源缺相保护功能。采用监视电压和电流结合的方法,既能检测电机静止时发生的电源缺相,也能检测电机运行过程中发生的电源缺相,从而禁止电机运行,避免缺相运行造成电机过热。

(5)阀门卡住时的保护

无论执行器向打开方向还是关闭方向动作,如果出现5~10s时间内执行机构没有动作,控制电路则切断电机的供电,以保护电机不被损坏。

(6)过热保护

当执行器检测到电机过热时,控制电路将禁止执行机构动作。

4.2 阀门井的防水保护

良好的外部环境是设备安全运行的重要因素。尽管设计选用设备能满足“浸水环境”工作,为提高系统可靠性,阀门井设计采用电信防水井盖,防止雨水侵入阀门井,为执行机构提供良好的外部工作环境。阀门井设计考虑了对井室积水作下渗处理,井室内设有渗入坑。

井室内安装液位变送器,若因某种原因阀门井进水或渗水,RTU会随时把水位的高度发送到上位机系统。如果发现水位过高,就及时到现场处理。

4.3 操作时管网运行安全

阀门远程操作采取“动—停—动”的间歇运行模式进行控制,减少因阀门调控产生压力波动对管网安全运行的影响。该控制过程由执行器在运行时自动进行控制。

4.4 操作权限及系统管理

关键阀门是影响供热运行的重要设备,为防止误操作,调度中心上位机设有登陆密码和管理权限,并制定了相应的管理操作规程,如:对阀门远程调控系统操作实行操作票制度、定期对阀门进行启闭操作防止设备锈蚀等。

上位机系统对所有的操作时间和操作命令都进行记录,对于出现的操作问题都能够详细查找责任人。

5 应用情况和运行效果

根据技术方案和实施计划,对全市的4个热源厂管网关键阀门进行了改造。2007年10月系统调试完毕投入运行,近一年的生产运行情况表明系统稳定可靠,达到了预期目的。

(1)生产调度调控

改造的这些阀门是管网中重要调控阀门,起到调整全市管网压力的作用。阀门远程调控系统投入使用后,调度中心根据生产需要和优化调度方案随时对这些阀门进行调控操作,达到了安全经济运行的目的。

(2)应对供热重大事故

当某个热源厂出现事故,停止供热时,可以通过远程控制系统及时关闭该热源厂的阀门,并调节其他热源厂相关阀门,对该区域进行补充供热,以减少事故的影响,实现稳定持续的供热。

(3)应对管网重大事故

当某个管道出现爆管、补偿器出现严重漏气等紧急情况时,可以通过远程控制系统随时关闭相关阀门,减小事故的影响,降低损失。

(4)扩大应用效果

人工进行管网调整时,长则几个月,短则几天才调整一次,然而应用该系统后,可随时根据整个热网的运行情况进行调整,实现了安全经济运行。

对管网重要部位和关键环节阀门实现远程调控,是优化供热系统运行、提高供热安全可靠性的重要技术保证,同时也是对目前管网运行调度模式的创新。

6 结语

该系统实现了管网阀门远程调控,能及时应对事故和提高供热管理服务水平,对关键和重要阀门规模应用可以实现管网实时优化运行,降低制供热损耗,是实现“调度自动化”的重要技术手段和举措,也是对现有运行调度模式的突破和创新,必将推动热力企业的发展。

试验方案选用的RTU与执行器直接连接的系统模式具有可靠性高、功能强大等特点,减少了系统的中间环节,易于维护。每个控制点的投资费用,根据阀门的大小,在数万元之间,规模应用时可进一步降低费用。每年的运行费用只有电费和GPRS使用费,每个控制点的费用不超过1000元/a。