供熱系統(tǒng)智能控制節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用

李利新

(山西大同煤礦集團(tuán)鵬程公司，山西大同037003)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)北方地區(qū)總采暖供熱建筑面積達(dá)80億m2，每年能耗約1.8億tce，占全國(guó)總能耗的7%，占全國(guó)城市建筑能耗的40%。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱面積超過(guò)45億m2，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量約占北方集中供熱量的一半以上。隨著人們生活水平的提高，每年新增供暖面積超過(guò)1億m2[1-4]。目前，我國(guó)供熱能耗普遍較高，技術(shù)比較落后。供熱系統(tǒng)中普遍采用靜態(tài)平衡閥來(lái)實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)的水力平衡，但實(shí)際運(yùn)行狀況和設(shè)計(jì)狀況出入很大，造成部分區(qū)域水力調(diào)節(jié)失調(diào)。為了保證供熱末端用戶的供熱要求，普遍采取“大流量、小溫差”的辦法，增大熱網(wǎng)管徑，增大循環(huán)泵流量，在系統(tǒng)末端加裝增壓泵，從而導(dǎo)致熱能和電能的大量浪費(fèi)。

1 供熱系統(tǒng)智能控制技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

熱力管網(wǎng)在供熱系統(tǒng)中完成熱的傳遞，熱水經(jīng)過(guò)熱力管網(wǎng)將熱量傳送到熱用戶，熱用戶的性質(zhì)不同，需要的熱量也會(huì)不同，另外，由于距離熱源的遠(yuǎn)近不同，輸送熱能的管徑大小不同等因素，會(huì)造成系統(tǒng)中個(gè)別用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量之間的不一致現(xiàn)象，被稱(chēng)之為水力失調(diào)。該技術(shù)主要針對(duì)目前供熱領(lǐng)域中普通存在的水力失調(diào)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套智能閥門(mén)，解決復(fù)雜的供熱網(wǎng)管系統(tǒng)的熱量平衡問(wèn)題，某個(gè)閥門(mén)的調(diào)節(jié)不會(huì)影響其它閥門(mén)，使得每個(gè)閥門(mén)控制的支路按用戶需求輸送合適的熱量，通過(guò)確保管路的熱量平衡達(dá)到節(jié)能的目的。在確保各管路的流量按需分配之后，為進(jìn)一步節(jié)能，還集成了列入智能變頻技術(shù)，保證水泵的頻率跟隨管路阻力的變化而變化，徹底擺脫傳統(tǒng)的頂壓供水變頻技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，該技術(shù)還整合了物聯(lián)網(wǎng)和EAOC(能效分析與運(yùn)行優(yōu)化控制)技術(shù)，把智能閥門(mén)打造成一個(gè)通用的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)，把閥門(mén)控制的建筑所消耗的能量數(shù)據(jù)以及管道內(nèi)的流動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，幫助管理人員分析系統(tǒng)的節(jié)能量。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 智能溫控平衡技術(shù)

在集中供熱系統(tǒng)中，由于供熱規(guī)模較大，管網(wǎng)的水力工況變得十分復(fù)雜，其水力失調(diào)問(wèn)題變得十分突出，從而使其供熱質(zhì)量下降，出現(xiàn)不能滿足用戶要求的情況。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)，一般可以通過(guò)初調(diào)節(jié)，使各用戶的流量達(dá)到設(shè)計(jì)值。但對(duì)于一個(gè)規(guī)模大管網(wǎng)復(fù)雜的系統(tǒng)，使用目前常用的方法(如阻力系數(shù)法、正常流量法、回水溫度法和經(jīng)驗(yàn)試湊法)，由于受到各種條件的制約，存在準(zhǔn)確度不高，需反復(fù)調(diào)試，工作量過(guò)大等問(wèn)題，其效果不是很理想。智能溫控平衡技術(shù)可利用現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)模擬分析相集合，利用水力管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的水力工況進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而使用分析的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，這不僅可以提高調(diào)節(jié)的精度，避免人工調(diào)節(jié)的工作量，而且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水力工況的動(dòng)態(tài)控制。

1.2.2 智能變頻技術(shù)

智能變頻節(jié)電技術(shù)，指在供熱系統(tǒng)中加裝一套智能變頻節(jié)電裝置，利用水泵的原有電機(jī)系統(tǒng)控制，將閥門(mén)的開(kāi)度控制變?yōu)樗玫霓D(zhuǎn)速控制，兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)熱平衡目的。其中，智能變頻節(jié)電裝置具備以下兩項(xiàng)功能:

1)通過(guò)合理改變水泵的轉(zhuǎn)速(頻率)節(jié)約電能，如設(shè)備需對(duì)流量進(jìn)行控制，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、調(diào)整流量即可達(dá)到節(jié)能的目的;

2)在不改變水泵轉(zhuǎn)速(頻率)的情況下，通過(guò)檢測(cè)、跟蹤負(fù)載變化，根據(jù)其功率因數(shù)和負(fù)載率的變化，優(yōu)化功率輸出，使電機(jī)的輸出功率接近軸功率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1.2.3 無(wú)線傳感技術(shù)

該技術(shù)為智能變頻和能效分析提供了基礎(chǔ)，保障各項(xiàng)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。遠(yuǎn)傳式智能控制器，具有各種輸入形式選擇，實(shí)現(xiàn)各種不同的調(diào)節(jié)功能。也可配室外溫度傳感器，起到隨室外溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整供水溫度，也就是通常所說(shuō)的室外溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。根?jù)控制需要，可組成智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2.4 EAOC技術(shù)

EAOC即能效分析與運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)，該技術(shù)用于分析供熱系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，合理配置優(yōu)化運(yùn)行策略，降低能耗，確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理上的節(jié)能。

1.3 工藝流程

供熱系統(tǒng)智能控制的工藝流程，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)中，在每個(gè)供熱管線的分支處安裝一個(gè)智能型動(dòng)態(tài)平衡控制閥，控制閥傳感控制裝置與主控室的服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線連接，將本支路的供水溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，主控室的計(jì)算機(jī)服務(wù)器通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，對(duì)各回路數(shù)據(jù)參數(shù)分析比較后，再向智能型動(dòng)態(tài)平衡控制閥發(fā)出執(zhí)行指令，對(duì)閥門(mén)的開(kāi)閉度進(jìn)行合理控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)的水力平衡。

圖1 供熱系統(tǒng)智能控制技術(shù)工藝流程圖

1.4 智能型動(dòng)態(tài)平衡控制閥

智能型動(dòng)態(tài)平衡控制閥結(jié)構(gòu)示意，見(jiàn)圖2。它是由智能控制器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥兩部分組成，是動(dòng)態(tài)平衡與電動(dòng)調(diào)節(jié)一體化的產(chǎn)品。通過(guò)配置智能模塊控制裝置，可方便地對(duì)各環(huán)路的流量、溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)合理利用能量，節(jié)能降耗。調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)熱水的流量和壓力，根據(jù)調(diào)節(jié)部位信號(hào)，自動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用。智能型動(dòng)態(tài)平衡控制閥具備以下兩個(gè)特點(diǎn):

圖2 智能型動(dòng)態(tài)平衡控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

1)動(dòng)態(tài)平衡功能是指根據(jù)末端設(shè)備負(fù)荷變化要求，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥膽調(diào)至某一開(kāi)度時(shí)，不論系統(tǒng)壓力如何變化，閥門(mén)都能夠動(dòng)態(tài)地平衡系統(tǒng)的阻力，使其流量不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響而保持恒定。

2)電動(dòng)調(diào)節(jié)功能是指閥門(mén)能根據(jù)目標(biāo)區(qū)域溫度控制信號(hào)的變化自動(dòng)的調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而改變水流量，最終使目標(biāo)域區(qū)的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度一致。

1.5 調(diào)節(jié)參數(shù)

由于供熱系統(tǒng)設(shè)備和建筑物有很大的熱惰性，室外氣溫、日照和供水溫度、流量等參數(shù)的變化對(duì)用戶室溫的影響并不是立刻發(fā)生，而是滯后一段時(shí)間。因此，為保證用戶室溫的設(shè)計(jì)要求，熱源當(dāng)天的供熱量，不但與當(dāng)天的室外氣溫、供回水溫度、流量、日照、風(fēng)速有關(guān)，而且和幾天前的上述參數(shù)都有關(guān)。比如以某天為例，若前幾天一直陰天，熱源供熱情況又不好，與幾天前陽(yáng)光明媚，熱源供熱良好相比較，為滿足同一用戶室溫要求，則當(dāng)天熱源供熱量將是不同的，相應(yīng)的系統(tǒng)供水溫度、循環(huán)流量也應(yīng)不同。為了更好地實(shí)現(xiàn)按需供熱，必須用動(dòng)態(tài)方法分析熱力工況，并用預(yù)測(cè)參數(shù)的方法對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

為了對(duì)這種動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，必須首先對(duì)供熱系統(tǒng)的熱惰性加以識(shí)別，了解供熱系統(tǒng)熱惰性的大小，延滯的快慢，進(jìn)而搞清以往參數(shù)影響當(dāng)天供熱的天數(shù)。對(duì)一個(gè)具體的供熱系統(tǒng)進(jìn)行上述特性的識(shí)別，是經(jīng)過(guò)大量實(shí)際參數(shù)的測(cè)試和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得到的。然后根據(jù)已知條件，對(duì)供熱系統(tǒng)的識(shí)別模型進(jìn)行計(jì)算，得到要求的預(yù)測(cè)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)或系統(tǒng)運(yùn)行指導(dǎo)。由于大量數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)，手工操作是難以完成的。因此，供熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)識(shí)別和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，必須配置計(jì)算機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。反映供熱系統(tǒng)上述參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)過(guò)程，可由下列方程表示:

式中

tg，th——分別表示供熱系統(tǒng)供、回水溫度，℃;

Q——供熱系統(tǒng)每天的供熱量，w/d;

G——供熱系統(tǒng)循環(huán)流量，t/h;

tn——熱用戶每天平均室溫，℃;

tws——當(dāng)?shù)孛刻炱骄C合外溫，℃;

c——供熱系統(tǒng)熱媒比熱，kJ/(kg·℃);

B——散熱器系數(shù);

α，β，φ——分別為與供熱系統(tǒng)熱惰性有關(guān)的常數(shù);下標(biāo)“τ”，“τ-1”……“τ-i”分別表示當(dāng)天、前天……前i天的有關(guān)供熱參數(shù)。

α，β，φ常數(shù)的數(shù)值，是通過(guò)實(shí)測(cè)大量的tn，tg，th，tws，Q 后經(jīng)過(guò)最小二乘法對(duì)式(1)、(2)的擬合得出的。其中j的取值愈大，說(shuō)明以往供熱參數(shù)對(duì)當(dāng)天供熱的影響愈大，亦即供熱系統(tǒng)的熱惰性愈大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，一般j取值以4～5 d為宜。系數(shù)擬合的前提，必須以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)。實(shí)測(cè)的天數(shù)愈長(zhǎng)，求得的系數(shù)愈接近供熱系統(tǒng)的實(shí)際情況。實(shí)測(cè)時(shí)間以30 d為宜。

對(duì)于供熱系統(tǒng)的流量均勻調(diào)節(jié)，在直接連接的條件下，使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，宜采用回水溫度調(diào)節(jié)法。被調(diào)參數(shù)為回水溫度，調(diào)節(jié)參數(shù)為循環(huán)水量或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位。對(duì)于間接連接的供熱系統(tǒng)，宜采用平均溫度調(diào)節(jié)法，被調(diào)參數(shù)為二次網(wǎng)的供回水平均溫度，調(diào)節(jié)參數(shù)為一次網(wǎng)的循環(huán)流量或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位。

2 供熱系統(tǒng)智能控制節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[5-6]

2.1 典型用戶

陜西西安某小區(qū)，建設(shè)規(guī)模:本小區(qū)共有42棟建筑，總供熱面積為13.8萬(wàn)m2，總設(shè)計(jì)供熱量為8394 kw。主要改造內(nèi)容:小區(qū)采用供熱智能系統(tǒng)。節(jié)能技改投資額90萬(wàn)元，按照供熱季120 d，改造后的節(jié)能量為10%計(jì)算，一個(gè)供熱季可節(jié)能800 tce，取得節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益65萬(wàn)元，投資回收期為1.5 a。

2.2 節(jié)能潛力和推廣前景

目前全國(guó)北方地區(qū)總采暖供熱建筑面積約80億m2，其中熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱面積超過(guò)45億m2，每年新增的供暖面積超過(guò)1億m2。此外，我國(guó)目前還有53億m2的公共建筑，50%以上都安裝了中央空調(diào)系統(tǒng)，該技術(shù)也可用于中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，技術(shù)推廣應(yīng)用的前景廣闊。通常，我國(guó)北方集中供熱的能耗在 60～120 kwh/(m2·a－1)，公共建筑的中央空調(diào)能耗在 10～50 kwh/(m2·a－1)。按 2015 年推廣到10%計(jì)算(新增供暖面積)，節(jié)能能力可達(dá)6萬(wàn)tce/a。

3 結(jié)束

在我國(guó)北方的一些高寒地區(qū)，全年采暖期長(zhǎng)達(dá)180 d左右，近幾年，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)的推廣應(yīng)用，取締了原來(lái)的煤鍋爐供熱狀況，人們的居住環(huán)境得到了徹底改善。但隨著城市的建設(shè)，供熱面積不斷增加，熱電廠的能源消耗也在逐漸增大。由于現(xiàn)有供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力有限，導(dǎo)致熱用戶出現(xiàn)近端過(guò)熱、遠(yuǎn)端過(guò)冷的不平衡現(xiàn)象，并浪費(fèi)了大量的能源。如果推廣應(yīng)用此項(xiàng)供熱節(jié)能改造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)按需供熱，合理降低供熱能耗，節(jié)約原煤的消耗。這不但可以為我們帶來(lái)直觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且，社會(huì)效益也很明顯，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的改造與運(yùn)用，避免了熱能的浪費(fèi)，節(jié)省了大量寶貴的能源，并由此對(duì)一系列生態(tài)、環(huán)保等起到積極的作用。

供熱系統(tǒng)智能控制節(jié)能改造技術(shù)現(xiàn)已正式列為國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣項(xiàng)目。此項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用必將對(duì)我國(guó)的供熱產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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