智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化供熱系統(tǒng)的構建與實施

楊瑞

（華電國際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273500）

0 引言

熱源、一級網(wǎng)、換熱站、二級網(wǎng)如何協(xié)調(diào)一致并達到最佳的經(jīng)濟運行模式，是當前網(wǎng)源一體火電廠需要重點面對的課題。目前，國內(nèi)供熱企業(yè)還沒有完整及完善的系統(tǒng)進行借鑒；尋求高效、協(xié)調(diào)的供熱管控系統(tǒng)是實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定供熱的前提，構建智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化供熱系統(tǒng)成為必然。

立足2014年自主實施的《二級熱網(wǎng)智能控制技術應用研究》項目［1］，實踐證明智能控制等技術的節(jié)能效益非常顯著，且具有投資收益比高的特點，為后續(xù)智能熱網(wǎng)改造拉開了序幕，熱網(wǎng)智能控制技術完全可以做到全覆蓋，節(jié)能效果超過10%是可行的。

華電國際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠具有一定的控制系統(tǒng)硬件基礎，首站、一級網(wǎng)、二級網(wǎng)均屬于熱力公司管控，具備供熱網(wǎng)源一體化的調(diào)控基礎；該廠供熱一級管網(wǎng)總長度已超過100 km，熱力站達200余座，供熱面積已超1000萬m2。龐大的管網(wǎng)帶來供熱延遲較大、管網(wǎng)的水力與熱力平衡難以調(diào)控、人工調(diào)整難以實現(xiàn)用戶按需供熱等難題，室外溫度的不斷變化導致用熱量的精準調(diào)控難上加難。

1 供熱系統(tǒng)平臺

結合管網(wǎng)實際，通過熱負荷預測、一網(wǎng)參數(shù)選擇、水力平衡分析、換熱站動態(tài)調(diào)控、室溫監(jiān)控、能耗分析、管網(wǎng)優(yōu)化等子系統(tǒng)的構建與實施，完成大量數(shù)據(jù)的分析與提煉，確保智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的實現(xiàn)。

1.1 管網(wǎng)熱負荷預測系統(tǒng)

由于各熱力站的用熱面積、建筑物結構、地理位置等不同，造成其單位面積耗熱量（W／m2）存在差異。熱負荷需求隨室外溫度的變化而變化，需要根據(jù)室外溫度的變化及時地調(diào)整供熱量，保持管網(wǎng)熱負荷的整體平衡，使其剛好滿足用戶的室內(nèi)溫度需求，實現(xiàn)最優(yōu)供熱、單位熱耗最低。

利用積累的原始運行數(shù)據(jù)，擬合出熱耗曲線，如圖1所示。

圖1 單位面積熱耗曲線Fig.1 Heat loss curve per unit area

根據(jù)熱耗曲線，通過人工輸入或網(wǎng)絡讀取預報的室外溫度，同時結合測量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)可以預測未來幾天熱網(wǎng)負荷及變化趨勢。由于供熱系統(tǒng)的大慣性，負荷的預測需要綜合考慮前幾天的室外溫度及供熱情況，采用時間序列法來確定。在此基礎上再確定熱源的供熱參數(shù)：流量、壓力和供回水溫度等。

基于經(jīng)濟運行考慮，熱源的調(diào)節(jié)以分階段性調(diào)節(jié)為主。根據(jù)當天的負荷預測確定合適的供水溫度，做到廠網(wǎng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。為了避免出現(xiàn)水力、熱力失調(diào)，流量控制不易低于設計流量的60%。

1.2 應急熱源-蓄熱罐系統(tǒng)

為彌補供熱機組低負荷時供熱能力的不足，需建立應急熱源-蓄熱罐系統(tǒng)，作為備用熱源來滿足熱負荷的需求。供熱機組高負荷時，利用蓄熱罐系統(tǒng)常壓下存儲98℃熱水，待機組供熱能力不足時輸出熱量，增加供熱系統(tǒng)的靈活性，兼具大型補水罐功能，提高整個供熱系統(tǒng)的安全可靠性，同時減少汽輪機的冷端損失，提高電廠的經(jīng)濟性［2］。

2005年北京市熱力集團在左家莊供熱廠內(nèi)建設了中國第1個區(qū)域供熱蓄熱罐項目；蓄熱罐技術在芬蘭，瑞典，丹麥，韓國等地得到了廣泛的應用，是北歐地區(qū)熱電聯(lián)供機組的標準配置［3-5］。

1.3 一級網(wǎng)參數(shù)及水力平衡計算

一級網(wǎng)參數(shù)選取及水力平衡技術分析系統(tǒng)的目標：在設計或運行工況下，所有的末端換熱站均能夠獲得所需的流量，且滿足最不利環(huán)路所需的壓差；參照計算的水壓圖（熱網(wǎng)主管水頭線）可以全面反映熱網(wǎng)和熱用戶的壓力工況，指導各換熱站的自動調(diào)節(jié)，從而保證冷熱均勻，避免因水力失衡所導致的管網(wǎng)大流量、小溫差、高能耗、冷熱不均等問題。

依據(jù)管網(wǎng)實際狀態(tài)，結合管網(wǎng)設計參數(shù)，計算出一級網(wǎng)的流量和供熱溫度曲線［6］，如圖2所示。

圖2 一級網(wǎng)供熱溫度曲線及流量曲線Fig.2 Heat-supp ly tem perature and flow curve in the first-stage network

參照此曲線并結合熱負荷曲線即可確定管網(wǎng)在特定溫度下的供熱參數(shù)。

1.4 換熱站動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)

換熱站與二級管網(wǎng)最節(jié)能、最優(yōu)運行方式為質(zhì)量同調(diào)模式，運行成本也最低；換熱站的二級網(wǎng)動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)是實現(xiàn)質(zhì)量同調(diào)的核心。實施步驟如下：首先確定質(zhì)量同調(diào)模式的二級網(wǎng)供熱曲線；其次確定最小流量下的二級網(wǎng)的管網(wǎng)水力調(diào)平，并滿足換熱站主動變流量運行方式；最后進行各工況下的平衡微調(diào)。

1.4.1 一、二級網(wǎng)供熱曲線的協(xié)調(diào)

二級網(wǎng)的供熱曲線是保證一級網(wǎng)與二級網(wǎng)熱量能夠協(xié)調(diào)一致，確保各換熱站的動態(tài)平衡的基礎。

依據(jù)管網(wǎng)實際狀態(tài)，結合管網(wǎng)設計參數(shù)，計算出二級網(wǎng)供熱溫度曲線，如圖3所示。

1.4.2 換熱站動態(tài)調(diào)控模型

換熱站在給定的供水溫度曲線運行時，因建筑存在一定的熱滯后性，采用供水和回水溫度的平均值tp作為調(diào)控模型式中：tn為室內(nèi)溫度；tw為室外溫度；tg′為設計狀態(tài)下二次網(wǎng)供水溫度；th′為設計狀態(tài)下二次網(wǎng)回水溫度；tn′為室內(nèi)設計溫度；tw′為供暖室外計算溫度；tg為二次網(wǎng)供水溫度；th為二次網(wǎng)回水溫度；B為散熱器的散熱系數(shù)，準確數(shù)值可依據(jù)管網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)進一步修正，初值可參選0.25［7］（公式中所涉及溫度的單位均為℃）。

同樣的供水溫度條件下，用戶回水溫度升高，對應室內(nèi)溫度升高；運行人員采用供水、回水溫度平均值評判，可避免熱量過調(diào)。

圖3 二級網(wǎng)供熱曲線Fig.3 Second-stage network heat-supply curve

1.4.3 用戶或樓宇動態(tài)調(diào)控

熱用戶是最終的能量消耗終端，這就要求用戶的能量消耗與供熱量保持線性同步。為達到此目的，需要確保各用熱分支能夠適應換熱站主動變流量工作方式。因此，各終端用戶采用智能動態(tài)控制系統(tǒng)最佳，可通過智能手機遠控和互聯(lián)網(wǎng)遠控等實現(xiàn)用熱的可靠、智能、高效管理［8］。

如圖4所示，用戶智能動態(tài)控制系統(tǒng)包含：智能動態(tài)控制模塊包括數(shù)據(jù)交互模塊、無線通信模塊、壓差調(diào)節(jié)器、閥門智能控制器、電動調(diào)節(jié)閥門及電源模塊。閥門智能控制器通過與普通的電動執(zhí)行器結合，通過無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)普通電動閥的遠程監(jiān)測與控制，可以根據(jù)預設的控制參數(shù)實現(xiàn)對閥門的智能控制；同時，閥門智能控制器可采集到現(xiàn)場熱量表信號，并通過無線遠傳模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過樓宇集中接入無線路由上傳至監(jiān)控中心，有利于實現(xiàn)熱量分配的協(xié)調(diào)［9］。

實施：采用室外溫度修正后的回水溫度來控制熱用戶供熱流量的方法，該方法可以實現(xiàn)根據(jù)室外溫度實時調(diào)整供熱流量，保證有效用熱、經(jīng)濟用熱；同時能夠滿足溫度曲線、時間段分時曲線等供熱方式，曲線控制方式靈活、方便、高效。2014年實施以來每年平均可以實現(xiàn)效益203萬元。

圖4 戶用智能動態(tài)控制系統(tǒng)Fig.4 Intelligent dynam ic control system for users

不具備智能動態(tài)控制系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)，可采用人工方式進行管網(wǎng)的靜態(tài)、動態(tài)平衡，此方式需人工反復調(diào)整且工作量較大，對分支或用戶較少的管網(wǎng)比較適用；或采用網(wǎng)路上安裝動態(tài)阻力調(diào)節(jié)閥（可實現(xiàn)動態(tài)平衡和阻力特性鎖定功能）固定各分支或用戶管網(wǎng)特性曲線，來滿足換熱站的主動變流量運行模式的要求。

1.5 室溫監(jiān)控系統(tǒng)

熱用戶的室內(nèi)溫度滿足要求是供熱系統(tǒng)的最終目標。室溫監(jiān)控系統(tǒng)通過無線室內(nèi)溫度采集模塊來實現(xiàn)；同時作為用戶智能控制系統(tǒng)的監(jiān)測元件，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)街悄芸刂葡到y(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制；對不具備智能動態(tài)控制系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)，室溫數(shù)據(jù)可作為供熱曲線的修正與校準依據(jù)。

1.6 能耗分析評價系統(tǒng)

通過綜合分析各供熱環(huán)節(jié)的能耗指標，可以實時呈現(xiàn)熱、電、水等各種能耗，對比業(yè)內(nèi)先進指標，及時發(fā)現(xiàn)用能浪費或用能異常情況，判斷換熱站的運行參數(shù)是否匹配、用戶的室內(nèi)溫度是否達標等，從而實現(xiàn)能源利用的精細化管理。

1.7 管網(wǎng)優(yōu)化專家指導系統(tǒng)

熱力企業(yè)需要利用管網(wǎng)優(yōu)化專家系統(tǒng)進行熱網(wǎng)調(diào)整、能耗指標優(yōu)化等工作，同時能夠指導運行、檢修人員做好設備與系統(tǒng)狀態(tài)的優(yōu)化與監(jiān)控、設備的及時維修，實現(xiàn)能耗的最優(yōu)化運行，最大限度地降低企業(yè)成本。此專家系統(tǒng)的建設分步實施：首先建立一級網(wǎng)、換熱站、二級網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺；其次建立設備與熱力系統(tǒng)的計算模型；再次建立設備故障類型專家?guī)?；最后建立公司級的專業(yè)系統(tǒng)平臺。

2 系統(tǒng)實施后效果

通過上述系統(tǒng)的構建與實施，從負荷預測到熱量的各個傳輸環(huán)節(jié)，再到能耗的綜合評價分析，已初步建立起了網(wǎng)源一體電廠的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化供熱系統(tǒng)；經(jīng)第三方的性能試驗評價，僅二級熱網(wǎng)智能化的實施就取得了綜合節(jié)能14.65%的良好效益［10］，各系統(tǒng)應用前景廣闊，同時也為同類企業(yè)提供了重要的技術參考。

3 后續(xù)需進一步優(yōu)化的工作

3.1 既有換熱站的傳熱特性及室溫控制優(yōu)化

利用現(xiàn)有的室溫監(jiān)測系統(tǒng)，完善典型用戶室內(nèi)溫度的采集，綜合換熱站供、回水溫度、用戶供回水溫度、室外溫度等數(shù)據(jù)，依據(jù)公式（1）優(yōu)化散熱系數(shù)，做到室內(nèi)溫度與室外溫度協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)供熱最優(yōu)化。

3.2 在線室溫監(jiān)測系統(tǒng)測點的優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)小區(qū)的建筑特點，選取具有代表性的熱用戶，用戶的房間面積≥30m2時設置2個測點且測點距離地面或樓面700～1800mm，保證測點具有代表性［11］；并通過設置合適的時間間隔（≤2 h，誤差僅為7.6%）保證數(shù)據(jù)精度并降低歷史數(shù)據(jù)的存儲空間［12］；做到用戶的室溫能夠合理、及時、準確地反映，是在線室溫監(jiān)測系統(tǒng)測點優(yōu)化與調(diào)整的重點。

3.3 太陽熱輻射量的優(yōu)化計算及調(diào)整

太陽能輻射熱量受到區(qū)域、障礙物、建筑的保溫效果、窗墻比等因素的影響，為能夠獲得較為準確的輻射熱量，需經(jīng)大量的現(xiàn)場試驗來獲取，針對不同的小區(qū)及建筑類型分別進行優(yōu)化與調(diào)整；尤其需重點關注：房屋的南向窗墻比較大的，太陽輻射熱量較大且對全天的熱貢獻率也較高［13］，節(jié)能效果也更顯著。

4 結束語

網(wǎng)源一體電廠的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化供熱系統(tǒng)，對網(wǎng)源一體供熱電廠的在線管理提供了準確的數(shù)據(jù)支持和技術支撐，確保了供熱的安全性、科學性、經(jīng)濟性，為實現(xiàn)企業(yè)效益的最大化提供了有效的技術管控手段。