集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究

丁鋒　秦玉龍

摘 要：近年來(lái)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，推動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)朝向健康、可持續(xù)方向發(fā)展，已經(jīng)受到社會(huì)各界人士廣泛的關(guān)注。城市集中供熱可以解決居民采暖以及工業(yè)供熱問(wèn)題，在改善我們的生活環(huán)境、節(jié)約能源等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是符合我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流的新興朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí)，集中供熱還能有效的提升能源利用率，促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)，加快城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快。但是，從我國(guó)北部地區(qū)供暖現(xiàn)狀來(lái)看，除了城鎮(zhèn)采用集中供暖外，建筑業(yè)也安裝了集中供熱系統(tǒng)和供熱設(shè)備，從某種程度上而言，加速了能源消耗，使得我國(guó)很多地區(qū)能源緊缺。因此，文章分析與研究一種集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)，希望能有效的節(jié)省能源，為相關(guān)領(lǐng)域人士提供一定的助力。

關(guān)鍵詞：集中供熱；協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)；研究

中圖分類號(hào)：TU995 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）16-0075-02

Abstract： In recent years， saving energy， protecting the environment and promoting the development of our country's social economy towards the direction of health and sustainability have been widely concerned by people from all walks of life. Urban centralized heating can solve the problems of residential heating and industrial heating， which plays a vital role in improving our living environment and saving energy. It is a new rising industry in line with the trend of social and economic development in China. At the same time， centralized heating can also effectively improve the efficiency of energy utilization， promote social production， and accelerate the pace of urban modernization. However， judging from the heating situation in the northern part of China， in addition to the central heating used in cities and towns， the construction industry has also installed central heating systems and heating equipment. To some extent， energy consumption has been accelerated， making the energy shortage in many areas of our country. Therefore， this paper analyzes and studies a centralized heating coordination and optimization control system， hoping to effectively save energy， and provide certain assistance for the relevant fields.

Keywords： central heating； coordinated optimal control system； research

1 集中供熱簡(jiǎn)介

顧名思義，集中供熱是指以熱水和蒸汽作為載能體，借助管網(wǎng)為區(qū)域用戶進(jìn)行供熱。集中供熱系統(tǒng)的出現(xiàn)，是城市現(xiàn)代化發(fā)展的象征，一方面實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源的科學(xué)利用，另一方面也推進(jìn)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展。從整體上來(lái)看，集中供熱系統(tǒng)由熱用戶、熱網(wǎng)和熱源三部分組成，熱源一般指熱電站和工業(yè)鍋爐制備的熱水和蒸汽，熱網(wǎng)負(fù)責(zé)將熱水和蒸汽有效的輸送和轉(zhuǎn)換，在這過(guò)程中要避免資源浪費(fèi)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷的合理分配，完成熱用戶與熱源之間的對(duì)接。熱用戶主要是指所有的用熱系統(tǒng)，一般包括熱水供應(yīng)、通風(fēng)、供暖、空氣調(diào)節(jié)以及生產(chǎn)工藝等，常用來(lái)衡量集中供熱系統(tǒng)的供熱效果。供暖熱負(fù)荷是城市集中供熱系統(tǒng)中的唯一熱負(fù)荷，隨外界溫度的變化而變化，常把供暖熱負(fù)荷作為供熱調(diào)節(jié)的依據(jù)。而供熱調(diào)節(jié)是為了使得熱負(fù)荷變化規(guī)律與散熱設(shè)備的放熱量相匹配，盡量避免溫度過(guò)低或過(guò)高現(xiàn)象的發(fā)生，在供熱調(diào)節(jié)過(guò)程中，常?？梢苑譃閭€(gè)體調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和集中調(diào)節(jié)三種方式。其中，集中供熱調(diào)節(jié)是最重要的方法，具有運(yùn)行管理方便、容易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。

一般情況下，熱網(wǎng)與熱源之間的協(xié)調(diào)關(guān)系是依據(jù)一次供水溫度、二次供水溫度與室外溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)確定。并且，一次供水溫度是熱源供熱能力的象征，二次供水溫度是熱網(wǎng)供熱能力的象征，室外的溫度反映用戶對(duì)熱量的需求，因此，找到其中的熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系，有助于換熱站在與鍋爐之間達(dá)到某種平衡。眾所周知，當(dāng)熱源的供熱能力很強(qiáng)時(shí)，通常以按需分配的方式，來(lái)滿足各子系統(tǒng)對(duì)熱量的需求。當(dāng)熱網(wǎng)的需求高于供熱能力時(shí)，各換熱站就會(huì)出現(xiàn)“搶熱”的現(xiàn)象，一方面造成了熱量的浪費(fèi)，另一方面也影響了供熱效果，需要采用協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，來(lái)最大限度地使供熱均勻，滿足各子系統(tǒng)對(duì)熱量的需求。

2 集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略

如今，供熱規(guī)模逐漸呈現(xiàn)加大趨勢(shì)，采用傳統(tǒng)的供熱方式已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的分析以及熱網(wǎng)的運(yùn)作、監(jiān)督，對(duì)熱量的評(píng)估也并不準(zhǔn)確，這對(duì)于集中供熱的可持續(xù)發(fā)展十分不利。具體表現(xiàn)為熱源調(diào)節(jié)無(wú)法滿足用戶對(duì)熱量的需求，在用戶總熱量高峰期，熱源設(shè)計(jì)的容量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。當(dāng)發(fā)生熱源供熱不足時(shí)，供熱系統(tǒng)的供熱效果并不均衡，各用戶需要調(diào)節(jié)閥門，采用增加流量的方式來(lái)滿足自身的供熱需求，這樣操作難免會(huì)使得各換熱站的水力失調(diào)。由此可見，缺少了自我約束，供熱系統(tǒng)的集中供熱效果并不良好，但是，從目前的集中供熱情況來(lái)看，大多數(shù)企業(yè)采用分管制度，熱網(wǎng)和熱源單獨(dú)控制，造成了一定程度的能源浪費(fèi)，也無(wú)法滿足用戶的供熱需求，對(duì)供熱事業(yè)的發(fā)展十分不利。針對(duì)供熱系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，本文提出了集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)。

首先，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的原理。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制的統(tǒng)一，所謂的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了把換熱站運(yùn)行情況和鍋爐集成到一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，并隨時(shí)根據(jù)熱負(fù)荷變化來(lái)調(diào)節(jié)熱量的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱量的均勻分配，有效地實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、自我調(diào)節(jié)、自我限制和統(tǒng)一調(diào)度的功能，有效改善傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)能效低的問(wèn)題。所謂的優(yōu)化控制，是指對(duì)傳統(tǒng)的控制方式進(jìn)行升級(jí)，通過(guò)引進(jìn)新控制策略以及新的思路，來(lái)提高系統(tǒng)的工作效率，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

眾所周知，當(dāng)熱網(wǎng)的需求小于熱源供熱能力時(shí)，熱量可以很好地滿足每一個(gè)子系統(tǒng)的需求，換熱站和鍋爐也能獨(dú)立運(yùn)作良好。但是，當(dāng)熱網(wǎng)的需求超過(guò)熱源的供熱能力時(shí)，各子系統(tǒng)之間會(huì)出現(xiàn)搶熱現(xiàn)象，造成一定的熱量浪費(fèi)。在這種情況下，采用協(xié)調(diào)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的均勻分配，以達(dá)到需求和共軌之間的相對(duì)平衡。

其次，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的優(yōu)點(diǎn)。從整體上看，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的優(yōu)點(diǎn)可以包括以下幾個(gè)方面：第一，集中監(jiān)測(cè)功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)換熱站以及鍋爐的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一些傳感器參數(shù)、調(diào)節(jié)閥的閥位、水泵工作頻率等都清晰顯示在電腦的控制中心，技術(shù)人員可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)把控。第二，預(yù)測(cè)分析功能。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)以及未來(lái)天氣情況，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)未來(lái)供熱狀況的預(yù)測(cè)和分析。第三，運(yùn)行可靠性高。一旦控制中心發(fā)生故障，子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，進(jìn)而不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用協(xié)調(diào)控制方法使得熱源供熱過(guò)程具有更高的可靠性以及隨機(jī)應(yīng)變能力。第四，節(jié)能效果顯著。由于對(duì)換熱站和鍋爐結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了優(yōu)化控制，可以有效提升能源的使用效率，節(jié)省能耗，保護(hù)環(huán)境。第五，高效管理。在集中監(jiān)測(cè)控制下所采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，會(huì)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)全網(wǎng)實(shí)行統(tǒng)一管理，提升了管理的效率。

再次，集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，集中供熱控制也越來(lái)越朝向智能化、高端化方向發(fā)展，控制結(jié)構(gòu)種類越來(lái)越豐富。能否科學(xué)合理的設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系著整個(gè)供熱系統(tǒng)的可靠性，因此，在進(jìn)行供熱系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)時(shí)，要先對(duì)協(xié)調(diào)優(yōu)化自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。主要可以包括換熱站控制子系統(tǒng)、鍋爐控制子系統(tǒng)和協(xié)調(diào)優(yōu)化控制主系統(tǒng)三個(gè)部分，并且每個(gè)部分之間相互獨(dú)立運(yùn)作，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所接收到各類數(shù)據(jù)的分析與處理，并結(jié)合熱量負(fù)荷用戶類型、室外溫度等信息來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊等等，有效地實(shí)現(xiàn)了各供熱管網(wǎng)的調(diào)度與管理，通過(guò)對(duì)液位壓力以及鍋爐溫度等進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)算，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以有效提升鍋爐的熱效率。

其中，換熱站優(yōu)化控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)液位、流量壓力以及溫度的采集，并且對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)之上，借助參數(shù)模型來(lái)優(yōu)化相關(guān)控制量，把經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)。在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)對(duì)供熱管網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)控，由溫度變化產(chǎn)生的熱網(wǎng)負(fù)荷變化都會(huì)從監(jiān)控系統(tǒng)中反映出來(lái)。同時(shí)，系統(tǒng)可以結(jié)合室外的溫度，鍋熱區(qū)面積大小以及系統(tǒng)對(duì)熱量的需求等因素進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，借助相關(guān)的模型來(lái)提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，更加節(jié)能高效，更能滿足供熱需求，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)的流程，本文所設(shè)計(jì)的集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

需要強(qiáng)調(diào)的是，借助的C/S控制系統(tǒng)，鍋爐優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度液位、電機(jī)頻率以及壓力等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，再借助現(xiàn)場(chǎng)控制器來(lái)對(duì)變頻器、傳感器以及電磁閥熱量輸出進(jìn)行分析，借助這些信息完成對(duì)參數(shù)的優(yōu)化。然后，優(yōu)化后的這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絻?yōu)化控制系統(tǒng)中，優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理與分析，并結(jié)合水循環(huán)的具體時(shí)間、用戶類型、熱量負(fù)荷變化以及大氣溫度等對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，得出協(xié)調(diào)解，并且將其發(fā)送到換熱站優(yōu)化控制系統(tǒng)和鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)，以視頻和參數(shù)的形式把各類信息顯示出來(lái)。與此同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)可以互聯(lián)，調(diào)用彼此信息，然后通過(guò)更大的液晶屏幕把這些信息合理的顯示出來(lái)，給相關(guān)技術(shù)監(jiān)測(cè)人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。最后，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)針對(duì)反饋的這些信息下發(fā)監(jiān)控指令，到換熱站優(yōu)化控制系統(tǒng)和鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)接收信息的計(jì)算，使用水泵、電機(jī)、閥門等設(shè)備完成動(dòng)作指令的輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文首先介紹了集中供熱，然后從協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的原理，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的優(yōu)點(diǎn)，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的優(yōu)點(diǎn)三個(gè)方面，探討了集中供熱協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，希望本文的研究能夠?yàn)榧泄釁f(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。當(dāng)然，由于本人的研究水平有限，本文的論述難免存在一定的不足，還希望相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者給予本人批評(píng)與指正，并從更多層面展開深入的分析與研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]王富強(qiáng)，賀桂林，張秋生，等.超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試策略研究[J].神華科技，2017，12（12）：42-46.

[2]何中杰.城市分布式泵站排水系統(tǒng)綜合節(jié)能與協(xié)調(diào)優(yōu)化控制研究

[D].浙江大學(xué)，2009，36（1）：31-40.

[3]接建鵬，辛力堅(jiān)，武文華，等.利用煤質(zhì)熱值校正對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012，38（24）：23-32.