基于智慧城市的供熱系統(tǒng)余熱利用優(yōu)化研究

范常浩，梁娟娟

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023；2.北京華源熱力管網(wǎng)有限公司，北京 100025)

0 引言

隨著北方地區(qū)城市冬季供熱需求的不斷增加，使得熱網(wǎng)對熱源供熱能力和供熱量的要求也在不斷提高。在當(dāng)前不可再生能源存量日趨緊張的情況下，節(jié)能降耗，降低供熱成本，提高經(jīng)濟(jì)效益成為供熱機(jī)組當(dāng)前面臨的一項重要任務(wù)[1-3]。同時，快速的城市化建設(shè)進(jìn)程又加劇了集中供熱的問題，城市需要在多層面實現(xiàn)可持續(xù)、智慧型發(fā)展，以應(yīng)對多方挑戰(zhàn)。因此，深入研究智慧城市的供熱機(jī)組余熱利用尤為重要。汽輪機(jī)排汽中的熱量靠循環(huán)水帶到空冷島進(jìn)行散熱，大量余熱白白浪費(fèi)，其中凝汽器的冷源損失最大，約占總熱損失的60%[4]。本文針對某300 MW直接空冷發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了低真空循環(huán)水供熱技術(shù)優(yōu)化改造，并引入智慧城市供熱技術(shù)，更大程度提高了汽輪機(jī)的排汽余熱利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，在滿足熱網(wǎng)需求的前提下實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 電廠城市供熱余熱利用技術(shù)簡述

直接空冷發(fā)電機(jī)組由于其適應(yīng)背壓范圍廣，最高允許運(yùn)行背壓可達(dá)60 kPa，完全涵蓋了低真空供熱要求的運(yùn)行背壓[5-6]，因此，可以在汽輪機(jī)本體不動的情況下進(jìn)行汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱。低真空循環(huán)水供熱系統(tǒng)如圖1所示。

汽輪機(jī)低真空供熱技術(shù)就是降低汽輪機(jī)凝汽器的真空度來提高汽輪機(jī)的排汽溫度。在供熱初期和末期，熱用戶所需的供熱溫度不高，一般供水溫度不超過70 ℃，此時通過汽輪機(jī)排出的乏汽對熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行加熱到所需的供熱溫度，并送至熱網(wǎng)完成對外供熱。在深冬供熱期，外界熱負(fù)荷增加，所需的供熱溫度升高，單靠汽輪機(jī)排汽的加熱溫度無法滿足熱網(wǎng)需求，還須采用采暖抽汽對其進(jìn)行二次加熱，達(dá)到外界所需的供熱溫度，以滿足供熱要求。目前，采用該技術(shù)凝汽式汽輪機(jī)組的真空度最低約為-0.05 MP，排汽溫度一般為80 ℃，該工況下循環(huán)水溫度為50～60 ℃，符合供熱所需要的溫度。在供暖期采用高背壓運(yùn)行的方式，并增設(shè)熱網(wǎng)循環(huán)水管道切換系統(tǒng)。非供暖期將汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子及相應(yīng)部件更換為純凝轉(zhuǎn)子，使汽輪機(jī)在原設(shè)計背壓下運(yùn)行。

2 智慧城市供熱系統(tǒng)余熱利用優(yōu)化技術(shù)

智慧城市是以信息技術(shù)和人工智能應(yīng)用相結(jié)合的城市發(fā)展模式，是城市信息化高級階段的體現(xiàn)[7]。智慧城市供熱系統(tǒng)余熱利用優(yōu)化技術(shù)是將智慧城市技術(shù)與城市供熱系統(tǒng)余熱利用相結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)代化城市供熱系統(tǒng)余熱利用高效率、低能耗、智能化發(fā)展。但目前對于智慧城市供熱系統(tǒng)余熱利用方面研究較少，其實現(xiàn)方法和技術(shù)等尚未成熟，如何將智慧城市技術(shù)與城市供熱系統(tǒng)余熱利用進(jìn)行完美融合，以實現(xiàn)智慧城市對城市整體供熱系統(tǒng)的全面感知與智能化控制，是當(dāng)下亟待解決的主要問題。

針對如何將智慧城市技術(shù)與城市供熱系統(tǒng)余熱利用技術(shù)相結(jié)合，本文提出通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把智慧城市供熱系統(tǒng)中的供回水溫度、供回水壓力流量、室外和室內(nèi)溫度以及熱用戶各供水管道泵、壓力計、流量計和溫度表等智能化傳感器和變送器連接起來，形成物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對整個城市供暖系統(tǒng)的全面感知，利用云計算、人工智能等技術(shù)對感知信息進(jìn)行智能處理和分析，并發(fā)出指令，對供熱系統(tǒng)各個分支上的管道泵及節(jié)流閥作出智能化的響應(yīng)和決策，使城市供熱系統(tǒng)變成真正擁有智慧的系統(tǒng)。

2.1 改造后供熱方案技術(shù)簡介

通過對機(jī)組及供熱系統(tǒng)機(jī)理研究[8-10]，將傳統(tǒng)供熱機(jī)組余熱利用的供熱方式進(jìn)行優(yōu)化改造，改造后的供熱系統(tǒng)如圖2所示。

利用汽輪機(jī)排汽余熱加熱的熱網(wǎng)水，不經(jīng)中間各個換熱站直接送往各個用熱區(qū)域及各個熱用戶，以減少在換熱站的熱量損失，提高熱效率。在各個用熱區(qū)域和熱用戶的管路上均安裝有智能增壓水泵和節(jié)流閥，使得熱網(wǎng)水能夠安全可靠的送達(dá)。為了能夠更精確地控制到達(dá)各個熱用戶的供熱水的溫度、流量和壓力等，引入智慧城市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個管道泵、管路上的壓力、流量和溫度等測點(diǎn)通過物聯(lián)網(wǎng)送入監(jiān)控管理中心，使得工作人員可以隨時對整個供熱系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，做到更快速、更精確地控制，提高一次換熱效率，使得余熱利用更加充分。

2.2 供熱系統(tǒng)智能控制研究

本次供熱機(jī)組余熱優(yōu)化研究方案的主要創(chuàng)新點(diǎn)是將智慧城市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用于汽輪機(jī)余熱供熱自控系統(tǒng)中，把各類智能感應(yīng)器嵌入和裝備到溫度表、壓力表、流量表、管道泵及節(jié)流閥等設(shè)備中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)智慧城市供熱系統(tǒng)智能化控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這個控制網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)設(shè)置能力超級強(qiáng)大的中心計算機(jī)群，實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器和設(shè)備的實時管理與控制，在此基礎(chǔ)上，操盤人們可以更加精準(zhǔn)的管理供熱系統(tǒng)的運(yùn)行，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高余熱利用率。

(1)現(xiàn)場設(shè)備層。在供熱系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備級中，各分支管路上加裝溫度、壓力、流量等測點(diǎn)，通過溫度計、壓力表和流量計等進(jìn)行監(jiān)測，并將傳感器芯片嵌入這些儀表中，實現(xiàn)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連。安裝WiFi收發(fā)器使得壓力表、水流計、溫度計、增壓水泵及節(jié)流閥等均能與智慧城市物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊。

(2)控制網(wǎng)絡(luò)層。現(xiàn)場設(shè)備級和監(jiān)控管理中心通過控制網(wǎng)絡(luò)層的Internet進(jìn)行通訊，將供熱系統(tǒng)中各檢測設(shè)備的信號實時輸送至監(jiān)控管理中心，控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的智能控制策略發(fā)出調(diào)節(jié)指令，實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)各個分支管路上的管路泵和節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，智慧城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的溫度感應(yīng)器能夠準(zhǔn)確識別外界和室內(nèi)的環(huán)境溫度并能快速地反應(yīng)至監(jiān)控系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)迅速發(fā)出調(diào)節(jié)指令，實現(xiàn)最優(yōu)控制，使得余熱充分利用。

(3)監(jiān)控管理層。供熱控制系統(tǒng)配置有工控機(jī)、UPS電源和顯示屏等，在工控機(jī)上對整個供熱系統(tǒng)進(jìn)行硬件、軟件和監(jiān)控畫面等的配置，編寫運(yùn)行程序并進(jìn)行調(diào)試。所有需要監(jiān)控的儀表信息均組態(tài)至監(jiān)控畫面中，工作人員可以通過監(jiān)控畫面來對各個分支管路上的溫度、壓力及流量等進(jìn)行在線實時監(jiān)控。

(4)故障診斷及安全保護(hù)系統(tǒng)。智慧城市供熱系統(tǒng)引入GPRS全球定位功能，能夠準(zhǔn)確定位儀表的具體位置，同時供熱控制系統(tǒng)中的各個測點(diǎn)均設(shè)置有故障診斷信號，如果某一設(shè)備故障，監(jiān)控管理控制中心不僅能夠檢測到此故障信號，而且能夠準(zhǔn)確定位到該設(shè)備的具體位置，以便快速解決故障，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 供熱方案能耗對比

以某300 MW直接空冷凝汽式機(jī)組，供熱面積700萬m2為例，當(dāng)利用高背壓排汽作為一級供熱，將熱網(wǎng)循環(huán)水溫度由30 ℃加熱到65 ℃時，傳統(tǒng)供熱方案與改造后供熱方案的能耗計算及對比分析如下。

(1)背壓改變后，通過末級的蒸汽流量會發(fā)生變化，導(dǎo)致汽輪機(jī)做功減少，減小的做功量見下式。

(2)背壓變化后余速損失的改變量

式中：ω2、ω2c—排汽壓力是8 kPa、35 kPa時末級動葉片出口相對速度。

(3)背壓升高使得利用高背壓供熱的同時，未被利用的排汽進(jìn)入空冷凝汽器浪費(fèi)的能量見下式。

ΔP3=Dpw(hg-hd)/3 600

式中：Dpw—未被利用的排汽量，kg/h；

hd、hg—正常、高背壓下汽輪機(jī)排汽焓。

(4)當(dāng)機(jī)組排汽量減少時，空冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而帶來的結(jié)果是風(fēng)機(jī)耗電量下降。由耗電量與風(fēng)量之間的關(guān)系可以求得空冷凝汽器進(jìn)汽量減少而降低的耗電量。

因此，高背壓供熱時系統(tǒng)能耗量見下式。

ΔP=ΔP1-ΔP2+ΔP3-ΔP4

查各個參數(shù)對應(yīng)的焓值和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并帶入式中，經(jīng)仿真可求得原始供熱方案與改進(jìn)供熱方案的總能耗量，并進(jìn)行對比分析，機(jī)組的部分熱力參數(shù)和能耗計算量如表1。

表1 能耗分析

2.4 數(shù)據(jù)對比及節(jié)能原因分析

(1)通過表1中各項能量變化及能耗量對比分析可得，經(jīng)過改造之后供熱方案的總能耗量相比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的總能耗量減少了6 330.74 kW。

(2)與傳統(tǒng)的供熱方案相比較，改進(jìn)后的供熱方案不使用中間的各級換熱站，將汽輪機(jī)排汽余熱加熱的熱網(wǎng)水直接輸送至各個用熱區(qū)域和熱用戶，減少了換熱站環(huán)節(jié)的熱量損失，提高了熱量利用效率。

(3)取消中間換熱站，但在分往各用熱區(qū)域的各個管路上安裝增加水泵、節(jié)流閥和壓力測點(diǎn)、溫度測點(diǎn)和流量測點(diǎn)設(shè)備等，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)更加快速和準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)控制。智慧城市供熱技術(shù)應(yīng)用于供熱系統(tǒng)中，將增加水泵、壓力測點(diǎn)、溫度測點(diǎn)和流量測點(diǎn)等均接入物聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)行智能處理和分析，提高了供熱系統(tǒng)的一次換熱效率，使得余熱更多的利用。

3 總結(jié)

為進(jìn)一步提高現(xiàn)代化城市集中供熱技術(shù)的高效率、低耗能、智能化發(fā)展水平，本文提出智慧城市供熱機(jī)組的余熱利用優(yōu)化技術(shù)。將智慧城市技術(shù)和城市供熱機(jī)組的余熱利用技術(shù)相結(jié)合：

(1)將傳統(tǒng)供熱機(jī)組余熱利用的供熱方式進(jìn)行改造，采用直接由熱源加熱的熱網(wǎng)供水送至各個用熱區(qū)域的方式，實現(xiàn)城市集中供熱；

(2)在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上，通過智慧城市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對整個城市供熱系統(tǒng)進(jìn)行全面感知，實現(xiàn)對熱網(wǎng)及熱用戶供熱管路上的水泵和節(jié)流閥等設(shè)備的精準(zhǔn)、快速、智能化控制。

智慧城市供熱機(jī)組余熱利用優(yōu)化有效提高了供熱系統(tǒng)的一次換熱效率，使得余熱利用更加充分，為城市未來集中供熱系統(tǒng)智慧型發(fā)展和節(jié)能降耗提供了新的思路。