基于模糊控制的集中供暖系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行新技術(shù)＊

季 濤

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

基于模糊控制的集中供暖系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行新技術(shù)＊

季 濤

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

本文采用現(xiàn)場總線監(jiān)控技術(shù)將整個供暖系統(tǒng)中燃煤鍋爐、泵房循環(huán)泵和公共建筑供熱負(fù)荷分時段控制集成為一個監(jiān)控系統(tǒng)。采用模糊PID控制技術(shù)優(yōu)化鍋爐運(yùn)行風(fēng)煤比，提高鍋爐運(yùn)行效率，采用智能分時分區(qū)流量控制技術(shù)實現(xiàn)大型公共建筑節(jié)能，采用氣候補(bǔ)償技術(shù)精確調(diào)節(jié)鍋爐熱功率輸出。在保證供暖質(zhì)量的前提下，采用系統(tǒng)節(jié)能的方式實現(xiàn)供暖系統(tǒng)最優(yōu)節(jié)能。針對供暖系統(tǒng)電機(jī)節(jié)能改造帶來的諧波污染問題，采用先進(jìn)的電能質(zhì)量控制節(jié)電技術(shù)消除了鍋爐房配電系統(tǒng)的諧波污染，達(dá)到了節(jié)約熱能、電能，并且提高電能質(zhì)量的目的。現(xiàn)場實際運(yùn)行表明，該技術(shù)可行有效，節(jié)能效果明顯。

供熱節(jié)能；分時分區(qū)流量控制；模糊PID技術(shù)；氣候補(bǔ)償

1 引言

在我國能源消耗結(jié)構(gòu)中，北方地區(qū)供熱采暖耗能約占全社會總能耗的12%，占民用建筑總能耗的56%－58%［1］。供熱系統(tǒng)的能源綜合利用率僅為35%－55%，遠(yuǎn)低于供熱發(fā)達(dá)國家80%左右的水平［2］。因此，集中供暖系統(tǒng)的節(jié)能對于節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，提高人們居住質(zhì)量等方面意義重大。

我國供熱系統(tǒng)普遍存在鍋爐熱效率低、熱源、熱網(wǎng)輸配不能隨時根據(jù)用戶的熱用量改變做出相應(yīng)的調(diào)整、鍋爐房配電系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重等問題。城鎮(zhèn)熱水集中供熱大部分采用的燃煤鍋爐平均運(yùn)行效率僅為60%－65%，比國外先進(jìn)水平低15－20個百分點［3］。過去推行的供暖管理一直提倡“看天燒火”，但真正做到根據(jù)室外溫度的變化動態(tài)調(diào)節(jié)鍋爐功率輸出還有著相當(dāng)大的距離。過去供熱運(yùn)行指標(biāo)一直居高不下是個很好的說明：耗煤量達(dá)到27－28kg／m2，耗氣量達(dá)到10－11Nm3／m2，電耗達(dá)到3.8－4.2k Wh／m2。與此同時由于鍋爐房內(nèi)大量變頻設(shè)備的應(yīng)用，導(dǎo)致諧波的大量產(chǎn)生，大量的諧波對電氣設(shè)備的使用壽命、繼電保護(hù)的快速動作、儀器儀表的精確測量、數(shù)據(jù)通訊的可靠性都有非常嚴(yán)重的影響。如今實現(xiàn)了用熱計量收費(fèi)，所需熱量和流量由用戶自行決定。流量的變化使得對供熱系統(tǒng)水力工況和熱力工況的控制變得更加復(fù)雜。

2 集中供暖系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行新技術(shù)

針對供熱系統(tǒng)存在的以上問題，研究開發(fā)了熱源及供熱負(fù)荷節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)。

在供暖調(diào)節(jié)過程中引入帶有氣候補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量－流量調(diào)節(jié)方法。采用此種調(diào)節(jié)方法的供熱系統(tǒng)不僅供水溫度隨熱負(fù)荷的減小而降低，同時熱網(wǎng)的流量也隨熱負(fù)荷的減小而減小，這樣可以大大節(jié)省熱網(wǎng)循環(huán)水泵的電能消耗；但是為了防止水力失調(diào)，對直接連接的供暖用戶，進(jìn)入系統(tǒng)的流量不能太少，通常應(yīng)不小于設(shè)計流量的60%［4］。

為了實現(xiàn)供熱系統(tǒng)根據(jù)室外溫度變化和用戶的供暖需求按需供熱，精確實現(xiàn)質(zhì)量－流量調(diào)節(jié)，本文采用模糊PID算法實現(xiàn)鍋爐出水溫度的控制，從而實現(xiàn)鍋爐輸出熱功率調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)以出水溫度信號為被調(diào)量，通過熱水鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)的爐排給煤控制、送風(fēng)控制和負(fù)壓控制，達(dá)到出水溫度的控制。

在節(jié)省熱能的同時通過電能質(zhì)量控制節(jié)電技術(shù)精確濾除5次到50次的諧波電流，實現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小均變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)節(jié)約電能和提高電能質(zhì)量的目的。

通過以上方案，熱源及熱網(wǎng)輸配能隨時根據(jù)室外溫度和用戶的用量改變做出相應(yīng)的調(diào)整；供熱系統(tǒng)的供熱質(zhì)量、電能質(zhì)量、燃煤鍋爐的熱效率都得到了一定程度的提高。總體上提高了供熱系統(tǒng)的能源利用率。

3 控制技術(shù)原理

3.1 不同室外溫度下供回水溫度、流量計算

3.1.1 流量的計算

在供暖調(diào)節(jié)過程中相對流量G和相對熱負(fù)荷Q符合如下關(guān)系［3］：

其中，m∈［0，1］。

則簡單直接連接的熱網(wǎng)供回水溫度為［2］：

即：

其中，tn：室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；t′g：室內(nèi)供水設(shè)計溫度，℃；t′h：室內(nèi)回水設(shè)計溫度，℃；b：散熱器傳熱特性系數(shù)；tw：室外溫度，℃；t′w：室外設(shè)計溫度，℃。

3.1.2 流量優(yōu)化系數(shù)m的取值

為了防止水力失調(diào)，對直接連接的供暖用戶，進(jìn)入系統(tǒng)的流量不能太少，通常應(yīng)不小于設(shè)計流量的60%［4］。

由ˉQ≤1以及ˉG必須大于0.6可知m必須小于logˉQmin ˉGmin即：

只有這樣，才能保證在供暖期間內(nèi)ˉG＞0.6的穩(wěn)定性要求，以濰坊地區(qū)為例：t′w＝－6℃［3］，tn＝20℃，供暖期內(nèi)室外最高溫度tw（max）＝10℃，則

此外，m也不能太小，否則ˉG始終接近1，水泵節(jié)能不明顯。

3.1.3 雙管熱水供熱系統(tǒng)中供回水溫度、流量計算

則對應(yīng)的供回水溫度；

以濰坊地區(qū)為例：

也僅是室外溫度tw的函數(shù)，如當(dāng)室外溫度tw＝5℃時，tg＝71.8℃、th＝71.8℃，此時，

3.2 鍋爐的模糊PID自動調(diào)節(jié)

采用模糊PID算法，以控制鍋爐出水溫度實現(xiàn)鍋爐熱功率輸出調(diào)節(jié)，最終在熱網(wǎng)中精確實現(xiàn)質(zhì)量－流量調(diào)節(jié)。

模糊PID算法中以出水溫度信號為被調(diào)量，通過熱水鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)的爐排給煤控制、送風(fēng)控制和負(fù)壓控制，達(dá)到出水溫度的控制。

3.2.1 模糊PID控制器的設(shè)計

根據(jù)鍋爐運(yùn)行的控制要求，對鍋爐輔機(jī)采用模糊PID復(fù)合控制，采用模糊PID切換控制策略，在誤差大于最大誤差量程的7%時，采用模糊控制算法，誤差小于7%時，采用PID控制算法。這樣既克服了傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)慢的缺點，又克服了模糊控制不精確的缺點，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，提高了系統(tǒng)的整體性能。

3.2.2 鍋爐出水溫度控制的方法和要求

根據(jù)公式（8）得出供水溫度TG與室外溫度，為了在不同的室外溫度TW下，供水溫度TG滿足式（8），通過調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速、鼓引風(fēng)配比等因素控制鍋爐燃燒來實現(xiàn)。

3.2.3 模糊控制算法及其實現(xiàn)

（1）確定模糊控制結(jié)構(gòu)

在每個燃燒周期，根據(jù)出水口溫度測量值和由式（8）計算出的設(shè)定溫度TG對比，求出溫度偏差e以及每個周期的溫度偏差的變化ec作為模糊控制的2個輸入量，爐排轉(zhuǎn)速的百分比（△MV）作為輸出量，形成雙輸入單輸出模糊控制結(jié)構(gòu)。

（2）確定各變量的模糊集

誤差E的模糊量取7個，即PB、PM、PS、Z0、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。量化到整數(shù)論域為E＝｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝。

由于溫度變化緩慢，由觀察所得，確定溫度變化率△E取0.2℃，△E的模糊量取7個，即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。量化到整數(shù)論域為EC＝｛－3，－2，－1，－0，＋0，1，2，3｝。

輸出爐排速度U的模糊量取7個，即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。量化到整數(shù)論域為U＝｛－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7｝。

在設(shè)定溫度上下分別取6個偏離值將溫度模糊分割為7個區(qū)域，形成出水口溫度的模糊集（T－LL，T－LM，T－LH，T－NM，T－HL，T－HM，T－H H），然后再依據(jù)燃燒周期把每個周期溫度變化在0值左右分別取6個偏離值，以便將溫度變化率模糊分割為溫度變化模糊集（BT－LL，BT－LM，BT－LH，BT－NM，BT－HL，BT－HM，BT－H H）。

（3）確定各變量的論域

根據(jù)該鍋爐具體情況，溫度的論域換算百分?jǐn)?shù)，差值設(shè)置為（－3，－2，－1，0，1，2，3）。溫度變化的論域設(shè)置為（－0.06，－0.01，－0.005，－0，0.005，0.01，0.06），爐排轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速增量的論域（%）設(shè)置為（－2，－1，－0.5，0，0.5，1，2）。

（4）建立模糊控制規(guī)則

模糊推理依據(jù)模糊語言規(guī)則進(jìn)行，根據(jù)當(dāng)前出水口溫度和溫度變化通過模糊條件語句確定模糊控制規(guī)則。

（5）模糊變量賦值

根據(jù)隸屬度函數(shù)確定出水口溫度、溫度變化與爐排轉(zhuǎn)速變化的隸屬度賦值表。

（6）建立控制規(guī)則表

根據(jù)模糊控制規(guī)則以及最大隸屬度方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。即爐排轉(zhuǎn)速變化的百分值。鍋爐控制規(guī)則見表1。

表1 鍋爐控制規(guī)則表

（7）在每個燃燒周期，根據(jù)當(dāng)前出水溫度設(shè)定值，通過查表的方法確定爐排轉(zhuǎn)速的增量。

3.3 電能質(zhì)量優(yōu)化控制

在鍋爐房內(nèi)，爐排、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵等電機(jī)設(shè)備的調(diào)節(jié)一般是通過控制變頻設(shè)備來實現(xiàn)的，而變頻設(shè)備的應(yīng)用會產(chǎn)生大量的諧波電流和無功電流，引起電網(wǎng)電壓、電流波形畸變，三相不平衡和功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題。為了此類問題，可在系統(tǒng)中并聯(lián)電能質(zhì)量控制節(jié)電裝置。

電能質(zhì)量控制節(jié)電裝置利用高性能數(shù)字處理控制芯片TMS320F2812和全控型電力電子器件，采用基于瞬時無功功率理論的諧波檢測技術(shù)、電流環(huán)無靜差數(shù)字控制算法、雙閉環(huán)控制和空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，實時檢測電網(wǎng)中負(fù)載電流，快速分離出諧波成分、基波負(fù)序分量和無功分量，并根據(jù)各電流分量的大小產(chǎn)生控制指令，實時將大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)瞬時濾除諧波，同時還可以提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。電能質(zhì)量控制節(jié)電裝置的工作原理圖如圖1所示，通過安裝電能質(zhì)量控制節(jié)電裝置可以達(dá)到以下功能：

圖1 電能質(zhì)量控制節(jié)電裝置的工作原理圖

（1）動態(tài)無功快速跟蹤補(bǔ)償，將鍋爐房內(nèi)所有電機(jī)設(shè)備的功率因數(shù)提高到98%以上；

（2）采用有源補(bǔ)償?shù)姆绞较擞捎诓豢卣鲙淼闹C波污染，提高了電能質(zhì)量；

（3）保證了溫度、壓力、流量等儀表的正常工作和各參數(shù)數(shù)據(jù)的可靠通訊。

4 現(xiàn)場驗證

2010年7月，濰坊學(xué)院集中供暖系統(tǒng)采用本文所述方法進(jìn)行了供暖系統(tǒng)整體節(jié)能改造，在保證供暖質(zhì)量的前提下，采用公共建筑智能分時控制技術(shù)實現(xiàn)公共建筑節(jié)能，采用氣候補(bǔ)償技術(shù)，根據(jù)氣候溫度的變化實時調(diào)節(jié)熱源熱功率輸出，采用模糊PID控制技術(shù)調(diào)整鍋爐風(fēng)煤比，保證煤的充分燃燒，提高鍋爐熱效率，實際運(yùn)行結(jié)果表明，采用該技術(shù)實現(xiàn)集中供暖系統(tǒng)節(jié)能改造，節(jié)煤率可以達(dá)到15%－35%，節(jié)電率可以達(dá)到20%－45%。

圖2 連續(xù)24小時房間室內(nèi)溫度與室外溫度變化對應(yīng)圖

圖3 連續(xù)24小時室外氣溫、供水溫度設(shè)定值與一次供水溫度的對應(yīng)圖

圖2為連續(xù)24小時房間室內(nèi)溫度與室外溫度變化對應(yīng)圖，室內(nèi)測溫平均值為18.38℃，室外溫度平均為0.6625℃，室外溫度最大差值為8.4℃，室內(nèi)溫度最大差值僅為1.2℃，表明室內(nèi)溫度晝夜波動較小，滿足供熱要求。

圖3為連續(xù)24小時室外氣溫、供水溫度設(shè)定值與一次供水溫度的對應(yīng)圖，實測表明，供水溫度與溫度設(shè)定值跟蹤情況良好，靜差平均值為0.7125，最大靜差為1.9，最小靜差為0.2，完全滿足供暖要求。

5 結(jié)論

（1）公共建筑智能分時分區(qū)控制技術(shù)對于大型公共建筑供暖節(jié)能效果非常明顯。

（2）氣候補(bǔ)償技術(shù)既可以提高供暖質(zhì)量，又能夠節(jié)約熱能，適用于所有集中供暖系統(tǒng)節(jié)能改造。

（3）采用模糊PID控制技術(shù)優(yōu)化鍋爐運(yùn)行風(fēng)煤比，可以實現(xiàn)煤的充分燃燒，提高鍋爐熱效率。

（4）質(zhì)量－流量調(diào)節(jié)方法與傳統(tǒng)的質(zhì)量調(diào)節(jié)方法相比，相對流量G小于1，有利于降低循環(huán)水泵能耗，減少管網(wǎng)供熱損失。

（5）采用變頻調(diào)速技術(shù)精確控制風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵的電功率輸出，可以起到很好的電力節(jié)能目的，同時，采用電能質(zhì)量控制技術(shù)可以消除由于不控整流帶來的諧波污染和無功電流的影響。

［1］江億.我國建筑能耗狀況及有效的節(jié)能途徑［J］.暖通空調(diào)，2005，35（5）：30－40.

［2］涂逢祥.建筑節(jié)能形勢與政策［J］.中國建設(shè)信息供熱制冷，2006，（1）：34－37.

［3］李德英.供熱工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［5］陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

（責(zé)任編輯：肖恩忠）

New Energy－efficient Technology in the Central Heating System Based on Fuzzy Control Technique

JI Tao
（Weifang University，Weifang 261061，China）

The paper integrates the coal－fired boiler，circulating pump in the pump room and controlling heating load of public building in different time periods into an optimizing control system adopting field bus control technology.In the paper，air－coal ratio of boiler is optimally controlled adopting fuzzy PID control technology，the operation efficiency of boiler is improved，the large public buildings'energy consumption reduces adopting the intelligent flow control technology in different time periods and different type of region，the heating power output is regulated accurately adopting the climate compensation technology.On condition that the heating quality is guaranteed，the optimal energy saving target in the heating system can be achieved though adopting the system energy saving mode.Aiming at the harmonic pollution because of energy saving improvement of motor in the heating system，electric power quality control techniques are adopted to eliminate the harmonic pollution，which can reach the goal of heating saving，power saving and power quality improving.Practical operation shows that the technology is feasible and efficient，and the energy saving effect is remarkable.

heating energy saving，flow control technology in different time periods and different type of region，fuzzy PID control technology，climate compensation

2011－08－18

國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2011年科學(xué)技術(shù)項目：濰坊學(xué)院供暖系統(tǒng)節(jié)能改造示范工程（2011－S3－04）

季濤（1975－），男，山東濰坊人，濰坊學(xué)院信息與控制工程學(xué)院副教授，博士。研究方向：電力節(jié)能、供熱節(jié)能新技術(shù)及應(yīng)用。

TK323；TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－4288（2011）06－0116－05