集中供熱二次網(wǎng)節(jié)能控制方法研究

耿曉龍

摘 要：集中供熱系統(tǒng)是城鄉(xiāng)基礎(chǔ)建設(shè)必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是城市現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)前城市集中供熱系統(tǒng)卻存在著熱源效率低下、缺乏長久的室溫調(diào)控機(jī)制、缺乏高效的熱計(jì)量方法、系統(tǒng)控制策略不夠完善和自動(dòng)化水平較低等問題。本文在充分的分析集中供熱系統(tǒng)原理和不足的基礎(chǔ)上，以換熱站和用戶端溫度調(diào)控為目的，以整個(gè)二次網(wǎng)供熱設(shè)備調(diào)控為核心，分別對(duì)用戶端、換熱站和供熱管理指揮中心進(jìn)行軟硬件平臺(tái)搭建。通過提高集中供熱系統(tǒng)控制策略和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，降低能耗的目的。

關(guān)鍵詞：集中供熱；二次網(wǎng)；節(jié)能

一、 發(fā)展現(xiàn)狀

我國集中供熱技術(shù)是由上世紀(jì)八十年代開始真正意義上的發(fā)展，主要經(jīng)歷了利用、管理、建設(shè)和發(fā)展四個(gè)階段。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的集中供熱技術(shù)雖然取得了長足的進(jìn)步，但是與國外相比還是較為落后。主要表現(xiàn)為供熱質(zhì)量差、供熱效率低、自動(dòng)化水平低、運(yùn)營成本高，以及穩(wěn)定性和安全性等沒有保障。目前，取暖費(fèi)用的收取主要還是停留在按面積收費(fèi)。因此，無法提高普通用戶的節(jié)約、環(huán)保意識(shí)，從而造成了室溫過低投訴、室溫過高開窗通風(fēng)等非正常現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致熱能利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

在供熱質(zhì)量上，發(fā)達(dá)國家的室內(nèi)供熱溫度為22℃以上，而我國達(dá)到16℃便滿足要求，且經(jīng)常發(fā)生冷熱不均等現(xiàn)象。其主要原因是：建筑物設(shè)計(jì)落后、老化，保溫、隔熱性較差；用戶端采暖設(shè)備自動(dòng)化水平較低，未能為用戶提供一種調(diào)節(jié)用熱、節(jié)約用熱成本的有效方法。本文便開發(fā)了一種用戶端智能控制設(shè)備，用以提高用熱品質(zhì)、節(jié)約能源。在控制手段上，我國早前的部分換熱站仍然處于運(yùn)營狀態(tài)，需要工作人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)采集和日常控制、維護(hù)。這種控制方式不僅需要耗費(fèi)大量的人力，且控制精度較低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著技術(shù)的發(fā)展，國家開始對(duì)供熱系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，開始配備先進(jìn)的儀器儀表、傳感器等。并新建了一批能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守的換熱站和供熱監(jiān)控中心，基本邁入了信息化、智能化建設(shè)階段。但是，其控制水平良莠不齊，多數(shù)換熱站只能不停的向監(jiān)控中心上傳數(shù)據(jù)，卻不能接收來自于監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程控制指令。

二、二次網(wǎng)供、回水溫度控制方案

1控制要求

集中供熱系統(tǒng)的供、回水溫度控制是通過調(diào)節(jié)一次網(wǎng)二次網(wǎng)流量實(shí)現(xiàn)的。量調(diào)節(jié)方法與質(zhì)調(diào)節(jié)相比對(duì)用戶用熱量變化的響應(yīng)速度更快，對(duì)于質(zhì)調(diào)節(jié)來說，由于其調(diào)節(jié)的是供水溫度，因此其速度為水流速度。水流在管道中速度約為1到2米/秒，傳送到1至10公里的用戶需要的時(shí)間約為10分鐘至3小時(shí)不等；若水流速度不高，傳遞時(shí)間會(huì)更長。而對(duì)于量調(diào)節(jié)來說，其調(diào)節(jié)是以聲速進(jìn)行傳遞的，其對(duì)熱用戶用熱量變化的響應(yīng)幾乎是同步的，因此，采用量調(diào)節(jié)將成為發(fā)展趨勢(shì)。量調(diào)節(jié)采用閥門節(jié)流運(yùn)行時(shí)浪費(fèi)電量較多，因此應(yīng)采用變速循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)量調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)量調(diào)節(jié)控制有溫度可調(diào)以及高效運(yùn)行兩個(gè)目標(biāo)，所以，對(duì)其有以下控制要求：

（1）一定室外溫度條件下二次網(wǎng)供水溫度維持穩(wěn)定

為了保證熱用戶的用熱量，首先要確保一定室外溫度條件下二次網(wǎng)供水溫度維持穩(wěn)定。熱用戶對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)這一定會(huì)導(dǎo)致二次網(wǎng)供水溫度的變化，為了維持熱用戶室內(nèi)溫度恒定，可通過自動(dòng)控制對(duì)熱源進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)其供熱量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保二次網(wǎng)供水溫度能夠維持穩(wěn)定。

（2）一定室外溫度條件下二次網(wǎng)回水溫度維持穩(wěn)定

為了保證供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)的高效運(yùn)行，首先要確保一定室外溫度條件下二次網(wǎng)回水溫度維持穩(wěn)定。為了提高換熱器的傳熱效率，在供熱系統(tǒng)運(yùn)行過程中不出現(xiàn)“大流量小溫差”的情況，就一定要確保二次網(wǎng)回水溫度維持穩(wěn)定，換熱器的傳熱量與供、回水溫差成正比例關(guān)系，也就是說要確保供、回水溫差達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

（3）二次網(wǎng)恒壓點(diǎn)的壓力值維持穩(wěn)定

為了控制二次網(wǎng)供、回水溫度，首先要確保二次網(wǎng)恒壓點(diǎn)的壓力值維持穩(wěn)定。無論供熱系統(tǒng)處于何種狀態(tài)（運(yùn)行或停止），壓力一直不變的點(diǎn)稱為恒壓點(diǎn)。熱用戶資用壓頭充足并且恒壓點(diǎn)的壓力穩(wěn)定是集中供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。如果發(fā)生不穩(wěn)定的情況，一定會(huì)導(dǎo)致供熱系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，也同樣不能達(dá)到供、回水溫度穩(wěn)定的目的。

2.傳統(tǒng)二次網(wǎng)供、回水溫度控制方案

集中供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)供、回水溫度控制方案應(yīng)將以下因素考慮在內(nèi)：①由于供水溫度控制與回水溫度控制之間有強(qiáng)耦合關(guān)系，因此要對(duì)其進(jìn)行解耦確定解耦控制方案②供水溫度的穩(wěn)定通過控制一次網(wǎng)電動(dòng)閥的開度來保證，回水溫度的穩(wěn)定通過控制變頻水泵進(jìn)而調(diào)節(jié)二次網(wǎng)流量來保證③由于供熱系統(tǒng)具有時(shí)變性、非線性、滯后性等特性，應(yīng)采用先進(jìn)控制方法進(jìn)行控制。一般傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)供、回水溫度控制方案由于控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，一般情況下先將系統(tǒng)先進(jìn)行分解，之后對(duì)其分別進(jìn)行控制。因此傳統(tǒng)二次網(wǎng)供、回水溫度控制方案可分解為二次網(wǎng)供水溫度控制方案、二次網(wǎng)回水溫度控制方案以及解耦控制方案。

3.改進(jìn)二次網(wǎng)供、回水溫度控制方案

目前傳統(tǒng)的控制方法都是設(shè)計(jì)解耦補(bǔ)償器來抵消耦合對(duì)象產(chǎn)生的不利影響，最后使系統(tǒng)輸出變成單回路控制，也就是先進(jìn)行解耦，解耦后在分別進(jìn)行控制。不同的是，本文設(shè)計(jì)的解耦控制器是將解耦補(bǔ)償器和控制器綜合在一個(gè)控制器中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)解耦和控制。

三、解耦控制方案

1. 解耦控制方案

對(duì)角陣解耦控制：對(duì)角陣解耦控制是針對(duì)多變量解耦控制中相對(duì)很早的一種解耦方法，對(duì)角陣解耦的條件是被控對(duì)象特性矩陣乘以解耦控制矩陣與對(duì)角陣相等，多變量系統(tǒng)在對(duì)角陣解耦之后耦合系統(tǒng)變成了獨(dú)立了單變量控制系統(tǒng)；前饋補(bǔ)償解耦控制：前饋補(bǔ)償解耦控制為了達(dá)到消除系統(tǒng)內(nèi)相互關(guān)聯(lián)的目的，依據(jù)不變性原理進(jìn)行解耦控制器的設(shè)計(jì)。耦合回路在前饋解耦后變?yōu)榱霜?dú)立的單變量控制系統(tǒng)；反饋解耦控制：對(duì)于前兩個(gè)解耦系統(tǒng)，解耦控制器一般配置在前向通道上，而對(duì)于反饋解耦控制器來說，其解耦控制器被配置于反饋通道上。

2.解耦控制方案缺點(diǎn)

針對(duì)高階的耦合系統(tǒng)，以上幾種方法的缺點(diǎn)是其龐大且繁瑣的計(jì)算量，并且適用的控制對(duì)象模型精度不能過高。而對(duì)于集中供熱系統(tǒng)，在受到外界溫度或者其他因素影響時(shí)，其模型參數(shù)會(huì)發(fā)生微小的變化，以上解耦系統(tǒng)很難穩(wěn)定完成對(duì)集中供熱系統(tǒng)的解耦控制，因此就要尋找一種能夠解耦較高精度的，可以接受模型參數(shù)微變的解耦控制方法。

結(jié)束語：本文分析了換熱站各個(gè)變量之間的關(guān)系，針對(duì)二次網(wǎng)供、回水溫度之間存在的耦合性，介紹了現(xiàn)有的解耦方法方法，提出了常規(guī)解耦控制方法以及本文想要采取的解耦控制方法。并且介紹了內(nèi)模解耦控制的原理以及性質(zhì)，為后續(xù)設(shè)計(jì)二次網(wǎng)供、回水溫度解耦控制系統(tǒng)提供了條件，從而達(dá)到節(jié)能的要求。

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