基于局域网的换热站蒸汽热量计量原理与运行参数监测系统设计

摘要：本文主要介绍了基于校园局域网的换热站运行参数的监测，数据采集器采集传感器数据，通过485总线和数据网关，将数据传送给监控中心的上位机，上位机进行存储，处理，显示。首先详细介绍了换热站中蒸汽热量的计量原理与数学模型，以及其他运行参数的监测原理方法。然后介绍说明换热站运行参数的监测现场示意图和系统数据通信结构图。最后讲解了上位机监测软件的主要模块和监测系统的主要功能。

关键词：换热站 在线监测 数据采集 数据网关 过热蒸汽 饱和蒸汽

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0167-03

1 引言

近年来，随着国家能源紧张和各种节能环保政策的相继出台，城市集中供热系统在北方许多中小城市得到迅速发展。目前对于很多校园内的换热站集中供暖的概算热指标一般都是偏大的。有部分原因是换热站的运行参数监测与控制仍然是依靠人工监测调节完成[1]，缺乏有效的监测手段。随着换热站的信息化建设，换热站监测已经从以前的粗放式管理开始向信息化管理过渡。

基于TCP/IP协议校园局域网的换热站远程监测系统可以对换热站的热量、温度、压力、流量、电能进行实时监测，实现对供热过程的有效遥测。对于换热站的运行工况，不利工况点，监测系统可以实现实时、全面的了解，并可根据运行数据进行供热规划和科学调配，为热力部门提供准确、有效的重要数据。

2 蒸汽热量计量原理及其他运行参数计量

2.1 蒸汽热量计量原理

蒸汽在运行过程中由于工况参数的变化，会发生状态变化，饱和蒸汽和过热蒸汽的密度分别有着不同的数学描述模型，蒸汽热量计量是一个非常的复杂的计量过程，在这里详细介绍蒸汽热量计量的理论基础与实现方法。以下是所要进行的数学模型分析：

所有公式中，表示蒸汽密度，单位；表示蒸汽压力，单位；表示蒸汽温度℃；表示蒸汽热量，单位；表示蒸汽质量流量，单位；表示蒸汽焓值，单位；表示蒸汽的体积流量，单位。

式（1）是我们采用蒸汽性质的专用手册中给出的饱和蒸汽密度的拟合公式[2]，在0.1MPa～5.0MPa压力情况下的相对误差<0.5%。

式（2）采用的是最小二乘法拟合出来的过热蒸汽密度公式。它是温度与压力两种参数同时补偿的密度计算公式[3]，基本涵盖了工业蒸汽范围，且计算精度较高。

蒸汽的热量可以按式（3）热力学公式计算。蒸汽的质量流量可以按式（4）计算。

由以上分析可知只要得到蒸汽的质量流量和其焓值就可以利用公式进行热量的计算。这里蒸汽的焓值与蒸汽压力和温度有关系[4]，蒸汽焓值采用式（5）计算，上式按文献以最小二乘法原理计算得到的，最大误差为0.14%（在=0.4，=160℃时误差最大）。

如果已知蒸汽压力，可以通过查表，获得该压力下的饱和蒸汽温度，若蒸汽温度大于饱和温度，可以说明此蒸汽是过热的，若温度与饱和相等，就是饱和的。根据蒸汽的状态，分别建立蒸汽流量的数学模型，无论哪种状态，对于蒸汽的热量都有式（6）这样的模型形式。

在仪器中我们使用PT1000测量温度，使用涡街流量计测量体积流量，使用压阻式压力传感器测量压力。

2.2 电能计量、水量计量、温度计量、压力计量

为了便于计量整个换热站的电能消耗，我们使用三相电能计量表，然后用该电能表留有的RS485通信接口，通过数据网关与水电暖办公室监控中心的上位机通信，将电能消耗数据上传。

在计量整个换热站的水流量中，我们使用了一个电磁阀流量计，用于测量补水泵处的水流量的计量，一次侧的蒸汽流量、回水流量由热量计读取，二次的进水、回水流量同样由热量计读取。

为了便于计量整个换热站的温度，现场使用了六个温度传感器，包括五个测量水温度、蒸汽温度，一个测量换热站现场温度，我们还使用了一个温度采集器，采集存储温度数据，之后通过485网与局域网上传至上位机。

在计量整个换热站的水蒸气压力和水压中，我们使用了五个压力传感器，和一个压力采集器，采集存储压力数据。之后通过485网与局域网上传至上位机。

3 系统原理及结构

该换热站运行参数监测系统是基于现场总线技术开发的机[5]，主要包括硬件和软件两大部分。硬件部分主要由现场传感器、数据采集监测设备、传输设备和终端数据处理显示设备四大部分组成。软件部分包括两大功能模块：数据采集监测设备运行程序和上位机监测软件。系统数据通信结构如图1所示。

如图2所示是换热站运行参数监测的现场示意图。现场需要监控的主要参数有设备运行所消耗的电能量；换热器两侧的热量消耗；两侧两对进水（或蒸汽）回水的压力、温度、流量；补水箱的压力、温度、流量；还有换热站现场的温度。其中电能消耗包括控制循环泵的变频器和五个电动调节阀。循环泵和补水泵主要是由变频器根据设定定点压力变频控制的。

4 下位机程序与上位机软件设计

4.1 部分下位机程序流程图

基于局域网的换热站运行参数监测系统是一种分布式计算机监测系统。其中涉及的软件设计主要包括：现场下位机各采集器的运行监测采集通信程序和上位机的中央监测机的管理软件。

中央监测机软件是整个软件系统的核心，按照模块化设计开发的具有面向对象、分布式、多线程、安全性和可靠性高的特点[6]。

4.2 中央监测软件分为三个部分

用户接口服务程序、数据通讯和数据处理程序、数据库管理程序。

4.2.1 用户接口服务程序

用户接口服务程序也称为前台程序。基本功能是在屏幕上显示各种图形和数据，同时与用户进行各种信息交换，执行用户发出的各种指令。

4.2.2 数据通讯和处理程序

本系统的换热站现场总线网关的通讯程序是采用C语言编写的，由于数据的格式与上位机的不同，因此中央控制程序必须对接收到的数据进行处理，通过校验，得到正确数据。

4.2.3 用数据库管理程序

数据库管理程序用来对测量参数和分析统计后的数据进行存储和管理。数据库选用SQL SERVER2000大型数据库，它能够保证数据库数据的可靠性和安全性，完成各种调用与显示。

5 系统主要功能

基于局域网的换热站运行参数的监测系统实时在线监测功能模块主要包括以下模块。

5.1 总监测界面

总监测界面中间是供热站供热工艺流程图，包括各个运行参数的直接显示；界面的下方是四个主要温度的曲线显示图；界面左侧是一些控制按钮。按钮包括换热站号的切换、参数设置、历史曲线、换热站数据、历史报表、返回。当用户点击某一连接按钮时，将进入相应的功能界面。总监测界面的右下方是换热站相关运行参数的数值显示。总监测界面如图4所示。

5.2 监控界面的参数设置

该模块可对监测系统进行参数设置，如监测周期，报警值，保存数据时间长度等。

5.3 其他功能模块

可以调取各种历史数据，便于分析历史运行状况。其中现场供热工艺流程图可以直观形象的显示现场设备运行状态。系统的报警设置可以让监测人员及时发现问题、解决问题。换热站站号切换功能，便于整个校园的换热站之间的监测界面切换，以达到更好的高效、便捷地监测效果。

6 结语

本套换热站运行参数监测系统能够达到换热站的实时监测，帮助监测管理人员及时准确地了解现场运行工况。为换热站的安全、高效运行提供参数数据依据，从而保证整个供热系统安全、稳定和经济的运行。虽然该系统是针对校园供热系统设计的，但对于其他集中供热系统具有积极的参考意义。

参考文献

[1]吴清收，王燕霞.换热站自动监控系统的设计.自动化技术与应用，2008（6），25-27.

[2]节流装置设计手册.北京化工大学出版社，1995年.

[3]蒸汽热量计量手册.北京化工大学出版社，1992年.

[4]李忠健.冶金行业蒸汽热量计量仪的研究.长春工业大学，2007.

[5]连国钧.动力控制工程[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[6]刘晓华.精通JAVA核心技术[M].北京：电子工业出版社，2003.

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