理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案研究和實(shí)現(xiàn)

劉廣大，薛貴軍，梁大為，李水清，周振江

（1.河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009；2.河北理工大學(xué)智能儀器廠，河北唐山 063009）

理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于中國蓬勃發(fā)展的城市集中供熱行業(yè)，重點(diǎn)解決集中供熱所涉及的熱力、熱電行業(yè)科學(xué)化管理手段和水平問題，提高能源的利用率，促進(jìn)城市創(chuàng)造潔凈的空氣環(huán)境，強(qiáng)化和推動集中供熱領(lǐng)域的節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

城市集中供熱是將集中熱源所產(chǎn)生的蒸汽、熱水通過管網(wǎng)供給一個城市或部分地區(qū)生產(chǎn)和生活使用的供熱方式，它由熱源、熱網(wǎng)、熱用戶3個部分組成［1－5］。熱力公司是承擔(dān)城市集中供熱任務(wù)的主體，各熱力公司普遍面臨著提高供熱質(zhì)量、節(jié)約供熱能源、強(qiáng)化環(huán)保工作和降低供熱成本的發(fā)展瓶頸問題，即缺少一套科學(xué)的集中供熱監(jiān)控管理系統(tǒng)。河北理工大學(xué)智能儀器廠在對中國熱網(wǎng)管理現(xiàn)狀充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國熱網(wǎng)的特點(diǎn)，憑借服務(wù)于集中供熱領(lǐng)域十幾年的深厚底蘊(yùn)，在研發(fā)了多項(xiàng)集中供熱監(jiān)控管理的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一套適合中國國情的集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)——理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并在多個熱力公司運(yùn)行，取得了較好的效果。

1 建設(shè)理念

城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在建設(shè)總理念上突出了對全熱網(wǎng)的統(tǒng)一管理和調(diào)度，力圖首先通過對全網(wǎng)供熱量的平衡調(diào)節(jié)建立一個熱力平衡的熱網(wǎng)基礎(chǔ)，進(jìn)而推行熱源供熱量跟隨環(huán)境溫度變化的節(jié)能運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)用最小的能量消耗達(dá)到熱用戶滿意的目的。因此在系統(tǒng)的配置上也形成了以未來氣溫變化預(yù)測為指導(dǎo)的供熱量預(yù)報(bào)和以實(shí)時(shí)室外氣溫監(jiān)測為依據(jù)的連續(xù)熱量調(diào)節(jié)方案。

2 設(shè)計(jì)理念

本方案把供熱運(yùn)行管理的基本模式設(shè)計(jì)為在計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下實(shí)現(xiàn)依據(jù)國家關(guān)于冬季供暖的要求，實(shí)行集中規(guī)劃熱源供熱量的平衡供熱運(yùn)行模式。具體控制策略明確為混合采用質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)的供熱運(yùn)行方案，把目標(biāo)明確為用最小的供熱成本達(dá)到良好的供熱效果。

2.1 建立基于線性系統(tǒng)理論的熱網(wǎng)平衡方法，實(shí)現(xiàn)用周期供熱量調(diào)節(jié)熱網(wǎng)平衡

針對城市熱網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)中存在的問題，本方案全面啟用了由河北理工大學(xué)智能儀器廠研制的周期熱量分析管理方法，將熱量管理的科學(xué)思想真正貫通在由熱源—熱網(wǎng)—熱力站—熱用戶構(gòu)成的整體供熱運(yùn)行的全過程，把實(shí)現(xiàn)節(jié)能供熱的設(shè)想落實(shí)成了可操作的具體內(nèi)容，并對二次網(wǎng)溫度監(jiān)測細(xì)化到了各個分支。

周期供熱量調(diào)節(jié)熱網(wǎng)平衡的理論方法概括表述如下：以可靠的熱量計(jì)量為基礎(chǔ)，全面測控各熱力站一次網(wǎng)熱量和全部二次網(wǎng)環(huán)路的熱量；監(jiān)控中心依據(jù)周期供熱量的平衡情況調(diào)控各熱力站一次網(wǎng)的平衡，并且兼顧調(diào)節(jié)二次網(wǎng)各環(huán)路的平衡，把不熱戶劃定在盡可能小的區(qū)域里，實(shí)現(xiàn)供熱大局的熱力平衡和供熱效果穩(wěn)定；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)環(huán)境溫度及部分熱用戶的實(shí)際供熱效果，對熱源供熱量進(jìn)行預(yù)報(bào)規(guī)劃和運(yùn)行中的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，做到層次分明，運(yùn)籌有致，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。一次網(wǎng)熱力平衡的分布分析見圖1，偏離平衡值的各熱力站平衡熱量偏差圖見圖2，一次網(wǎng)熱力平衡分析給出流量調(diào)節(jié)建議的界面圖見圖3。

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

本監(jiān)控系統(tǒng)的組成采用了中央調(diào)度室（監(jiān)控中心）通過公用電話網(wǎng)統(tǒng)轄各熱力站的組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖1 一次網(wǎng)熱力平衡的分布分析圖Fig.1 Thermal balance diagram of primary network

圖2 偏離平衡值的各熱力站平衡熱量偏差圖Fig.2 Thermal deviation of each station compared to the mean value

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Diagram of network structure

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本方案在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)上突出了運(yùn)行管理的實(shí)用性，首先在硬件系統(tǒng)構(gòu)成上宏觀突出了在中央集權(quán)管理下的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理設(shè)計(jì)，適應(yīng)了集中供熱的大系統(tǒng)運(yùn)行管理要求；另外，在硬件構(gòu)成中還明確了對環(huán)境溫度的集中測量環(huán)節(jié)，突出了監(jiān)控中心可以隨時(shí)根據(jù)環(huán)境變化情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)熱源供熱量，為全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理提供規(guī)劃決策的數(shù)據(jù)依據(jù)。

對于供熱系統(tǒng)的管理體系，熱網(wǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圍繞建立平衡供熱基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)量調(diào)節(jié)供熱的科學(xué)供熱運(yùn)行設(shè)計(jì)，把提高供熱質(zhì)量、降低供熱成本進(jìn)一步落實(shí)為對運(yùn)行的管理。

一次網(wǎng)熱力平衡是計(jì)算機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)的中心任務(wù)，因此本熱網(wǎng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)的中心任務(wù)是確保一次網(wǎng)各熱力站的熱力平衡，為熱源實(shí)現(xiàn)規(guī)劃節(jié)能供熱，形成了隔斷欠熱戶直接控制熱源的可操作模式。

3 控制策略

本方案控制策略強(qiáng)調(diào)集中控制和管理的原則是根據(jù)目前按供熱面積管理和收費(fèi)以及供熱現(xiàn)狀是以平衡供熱為目標(biāo)的集中規(guī)劃供熱決定的。由于包括熱源和熱網(wǎng)的全部供熱環(huán)節(jié)都是在同一個指揮體系下的可規(guī)劃運(yùn)行整體，因此控制策略可以并且應(yīng)該落實(shí)為堅(jiān)持系統(tǒng)性和集中性的原則。

在一次網(wǎng)平衡控制策略的支持下，二次網(wǎng)的平衡供熱問題被分離并且被限制成各熱力站相互獨(dú)立的問題，二次網(wǎng)的平衡應(yīng)該由二次網(wǎng)自身解決。在戶用熱量表不能全面裝備供熱系統(tǒng)，并且在適當(dāng)安裝自力式流量平衡閥的情況下，二次網(wǎng)執(zhí)行不小于3kg／（h·m2）運(yùn)行流量的運(yùn)行方案，二次網(wǎng)平衡可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)自力式流量平衡閥實(shí)現(xiàn)（地暖供熱需特別對待）。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將整個熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)劃分為3個層面。

4.1 熱力站現(xiàn)場測控層

由熱力站PLC 控制柜及眾多的測量和控制裝置構(gòu)成，這些裝置具有測量、控制、保護(hù)、通訊等基本功能，可完成各自的特殊功能。該層裝置數(shù)量較多，應(yīng)利用現(xiàn)場總線技術(shù)予以連接。

4.2 通信管理層

熱力站內(nèi)測控單元通信主控單元的設(shè)計(jì)必須滿足以下2個方面：1）硬件上，應(yīng)采用單片機(jī)或嵌入式PC、電子硬盤，支持多種硬件接口，如RS232／485、以太網(wǎng)口、PROFIBUS 等其他現(xiàn)場總線接口，保障可靠性和通用性；2）軟件上，應(yīng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），模塊化設(shè)計(jì)，可支持多種通信規(guī)約，如MODBUS，PROFIBUS，TCP／IP 等，保 障 實(shí) 時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)性和可擴(kuò)展性。

中央調(diào)度室采用寬帶、GPRS、電臺等通訊網(wǎng)絡(luò)與熱網(wǎng)各熱力站PLC控制柜交換數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個熱網(wǎng)運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)監(jiān)控層

系統(tǒng)監(jiān)控層包括熱網(wǎng)監(jiān)控運(yùn)行工作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用和Web服務(wù)器，以及通信、監(jiān)控、應(yīng)用等各種軟件及其他設(shè)備等。此架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備就地安裝，與熱力站PLC控制柜間通過通訊線連接，分散控制。熱網(wǎng)監(jiān)控運(yùn)行工作站除實(shí)現(xiàn)畫面顯示、報(bào)表生成、打印、人機(jī)接口、事件記錄、報(bào)警、事故追憶、分析和系統(tǒng)維護(hù)等功能外，還可以充分利用熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后信息全面的優(yōu)勢，加強(qiáng)熱網(wǎng)運(yùn)行信息的應(yīng)用，完成較為復(fù)雜的熱網(wǎng)科學(xué)化運(yùn)行管理工作。

系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖5。

5 方案特點(diǎn)

5.1 建立了全新的三級熱量管理的基本理念

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.5 Diagram of system function structure

1）對熱源、一次網(wǎng)、二次網(wǎng)這3個環(huán)節(jié)全部使用測量熱量管理，廢止了全面溫度管理熱網(wǎng)運(yùn)行模式。2）隔離用戶網(wǎng)對于熱源的控制，確保熱源能夠?qū)崿F(xiàn)按規(guī)劃運(yùn)行，擺脫熱源受個別不熱戶控制的被動供熱問題。3）熱源實(shí)行自動化控制，確保熱源供熱量按規(guī)劃的高效率運(yùn)行。

5.2 組合應(yīng)用二級泵技術(shù)和分布變頻泵技術(shù)

1）取代了傳統(tǒng)的統(tǒng)一大循環(huán)泵的運(yùn)行方式，有效解決了各熱力站富裕資用壓力造成的大量電能浪費(fèi)問題，降低了供熱成本。2）在以混水方式實(shí)現(xiàn)了熱源向熱網(wǎng)傳遞熱量的同時(shí)，解決了熱源運(yùn)行流量長期受困于熱網(wǎng)運(yùn)行流量的難題，從根本上解決了在供熱運(yùn)行中熱網(wǎng)流量超出鍋爐額定流量引起的電能浪費(fèi)和作為旁通使用鍋爐的熱能浪費(fèi)問題。3）把傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)改變成了一種柔性的供熱系統(tǒng)，允許熱網(wǎng)可以根據(jù)平衡需要，隨意調(diào)節(jié)各熱力站的運(yùn)行流量，并且不會出現(xiàn)管道壓力大幅度波動的安全問題，在機(jī)電“掉電關(guān)閉閥”系統(tǒng)的配套支持下，鍋爐房的掉電安全保護(hù)可以得到有效加強(qiáng)。4）熱網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)工作可以隨著各熱力站循環(huán)泵的啟動而完成，簡化了大面積過熱和過冷的調(diào)節(jié)工作。5）熱網(wǎng)運(yùn)行溫差可以大于鍋爐運(yùn)行溫差，有利于大溫差、小流量節(jié)電熱能傳輸方案的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了供熱界多年希望的大溫差量調(diào)節(jié)供熱運(yùn)行方案。

5.3 提升了多項(xiàng)供熱技術(shù)，推動了供熱行業(yè)技術(shù)進(jìn)步

1）解開了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)熱源流量和一次網(wǎng)流量之間的流量耦合關(guān)系，使得這2個流量可以根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)。2）解開了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)各熱力站運(yùn)行流量之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，也可以使得各熱力站的運(yùn)行流量根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)。3）解決了困擾傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)熱能傳輸電耗大的難題，找到了一種節(jié)電的一次網(wǎng)熱能傳輸工藝系統(tǒng)模式。4）在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管理下可以實(shí)現(xiàn)量調(diào)節(jié)供熱。5）實(shí)現(xiàn)了多熱源－熱網(wǎng)全自動聯(lián)控，整體提高了熱網(wǎng)自動化控制水平。

6 應(yīng) 用

綜合目前應(yīng)用理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的熱力公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為用戶年節(jié)能在15%以上。

6.1 河北盛華化工有限公司采用本方案后實(shí)際節(jié)能情況

熱源以河北盛華化工有限公司熱電廠3臺130 t／h循環(huán)流化床鍋爐和2 臺南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的C25－4.90／0.981抽凝機(jī)組為主，凝汽器低真空循環(huán)水供熱是利用汽輪機(jī)凝汽器中的尾氣余熱作為供暖系統(tǒng)熱源，供熱面積為80萬m2。

2009年至2010年，采暖季張家口市供熱單耗為熱0.39GJ／m2（合標(biāo)煤13.5kg／m2），電2.17kW·h／m2，實(shí)現(xiàn)年綜合節(jié)能21%。

6.2 新疆吐哈石油基地應(yīng)用本項(xiàng)目后實(shí)現(xiàn)節(jié)能情況

新疆吐哈石油基地供熱系統(tǒng)采用間接換熱的集中采暖和生活熱水兩聯(lián)供系統(tǒng)，采暖面積為136.5萬m2，全年連續(xù)供應(yīng)生活熱水。新疆吐哈石油基地2008年至2009年采暖季實(shí)現(xiàn)供熱目標(biāo)如下：平均室溫達(dá)到22 ℃，實(shí)際單耗熱合標(biāo)煤22.3kg／m2，電4kW·h／m2，年實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能16%。

6.3 山西朔州熱力公司采用本方案后實(shí)現(xiàn)節(jié)能情況

山西朔州熱力公司采用熱電聯(lián)產(chǎn)供熱模式，以山西神頭第二發(fā)電廠為熱源，并利用熱電廠冷卻循環(huán)水余熱供熱，供熱面積為628 萬m2。2010年至2011年采暖季，朔州熱力公司供熱單耗如下：熱0.47GJ／m2，電3.8kW·h／m2，年實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能19%。

7 結(jié) 語

理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案，適用于中國北方的各類集中供熱系統(tǒng)。理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為熱力行業(yè)的用戶提供了可靠的科學(xué)化管理平臺，解決了困擾熱力行業(yè)多年的技術(shù)瓶頸——熱力平衡難題，從根本上化解了阻礙熱力行業(yè)科學(xué)化管理的癥結(jié)，為推動和諧社會的建立，實(shí)現(xiàn)城市清潔天空的節(jié)能減排做出了較大的貢獻(xiàn)。

2010－10－14 在北京國際會議中心召開了中國計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成10周年總結(jié)大會暨2010中國信息服務(wù)業(yè)高峰論壇。鑒于理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對推動城市集中供熱行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)，以及節(jié)能減排的良好效果，河北理工大學(xué)智能儀器廠的“理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案”獲“計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成典型解決方案（2010年度）”獎，此次表彰涉及23個?。ㄊ校?1家單位的100個方案，該方案是河北省唯一獲獎項(xiàng)目。此榮譽(yù)的獲得，標(biāo)志著理智系列城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)成果將對中國熱力行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生積極的推動作用。

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