換熱站自動化系統(tǒng)優(yōu)化運行的研究與應(yīng)用

王琨 李贊

摘要：換熱站是連接供熱公司和用戶的重要環(huán)節(jié)，其工作安全性、可靠性直接影響了供熱質(zhì)量。近年來雖然大多換熱站已經(jīng)采用無人值守方式，但大多比較初級，只保證了補水系統(tǒng)、二次網(wǎng)循循環(huán)系統(tǒng)自動運行，以及一些基本的連鎖保護。各換熱站獨立運行，難以達到供熱系統(tǒng)的整理最佳狀態(tài)，易造成熱力失衡，影響供熱效果并造成能源的極大浪費。文章主要對換熱站無人值守系統(tǒng)進行論述，通過二網(wǎng)平衡，以及接收室溫參數(shù)進行閉環(huán)控制，最后探討總結(jié)換熱站自動化系統(tǒng)更加優(yōu)化的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：換熱站;二網(wǎng)平衡;自動化系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計

1換熱站自動化系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

以往的換熱站自動化系統(tǒng)大多只實現(xiàn)換熱站遠程控制，沒有從熱源情況、二網(wǎng)情況、室溫情況等綜合考慮，因此為了更加高效節(jié)能換熱站自動化系統(tǒng)的優(yōu)化是非常有必要的。

1.1優(yōu)化內(nèi)容

自動運行改造為綜合性工程，需要從二網(wǎng)平衡、室溫監(jiān)測、調(diào)度系統(tǒng)、能源分析系統(tǒng)、換熱站PLC算法五個方面實施。

二網(wǎng)平衡是室溫均衡的基礎(chǔ)，室溫采集基于二網(wǎng)平衡，為自動運行提供有效平均室溫，有效平均室溫是自動控制目標參數(shù)，用戶測點室溫是自動運行調(diào)試過程及日后運行跟蹤需要掌握的重要參數(shù)。

調(diào)度系統(tǒng)是運行人員與換熱站PLC程序交互的界面，能源分析系統(tǒng)計算的運行曲線、部分控制參數(shù)通過調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)，同時調(diào)度系統(tǒng)需要集成室溫數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，按配置自動下發(fā)到PLC。

能源分析系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)提供的運行數(shù)據(jù)，建立熱力工況模型，并建立各個機組在不同室外溫度下流量及供回水溫度曲線。根據(jù)系統(tǒng)自動運行反饋的數(shù)據(jù)，對原有曲線進行優(yōu)化。

PLC算法程序是自動運行的基礎(chǔ)。PLC接受上位下發(fā)的供熱運行曲線、實測室內(nèi)溫度、天氣預(yù)報的室外溫度，同時接受設(shè)定室內(nèi)溫度作為自動運行優(yōu)化目標，根據(jù)智能算法計算供水溫度設(shè)定，破解常規(guī)PID算法等一般調(diào)節(jié)手段難以控制的大慣性和大延遲供熱對象難題。

將調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)成為生產(chǎn)控制的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，將運行數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，室溫數(shù)據(jù)，換熱站控制設(shè)備有機結(jié)合起來，通過節(jié)能分析與全網(wǎng)自動運行，換熱站調(diào)節(jié)閥隨用戶室溫變化自適應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)用戶室溫穩(wěn)定可控。

1.1.1二次網(wǎng)水利平衡

1.1.1.1調(diào)試原理

二次網(wǎng)水力平衡的調(diào)試采用水力分析法，首先繪制供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)平面圖，確定各入戶分支供熱面積，分支閥門形式（閥門流量特性曲線），建立二次網(wǎng)系統(tǒng)模型，利用獨立開發(fā)的水力分析系統(tǒng)，通過水力平衡計算得到各管段流量及閥門理想開度，作為二次管網(wǎng)調(diào)試的依據(jù)，進行閥門的初調(diào)試，在供熱之前，冷態(tài)運行時就實現(xiàn)初平衡。供熱初期，再結(jié)合系統(tǒng)立管的回水溫度，室溫的變化進行閥門的細調(diào)試。建立閥門檔案，記錄閥門位置，編號，供熱面積，口徑，開度，便于日后維護。

1.1.1.2基礎(chǔ)資料調(diào)研

調(diào)研管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、閥門安裝環(huán)境、閥門對應(yīng)供熱面積及位置、閥門數(shù)量及口徑、房屋保溫性能及室內(nèi)采暖形式，確定單位面積能耗指標，形成如下調(diào)研表。

1.1.1.3方案設(shè)計

依據(jù)供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)平面圖，在水力分析軟件系統(tǒng)中建立系統(tǒng)模型，將供熱系統(tǒng)的建筑信息、供熱信息、用戶信息錄入到設(shè)計模型中，然后計算出管段流量、流速及平衡閥口徑，工作開度，形成如下調(diào)節(jié)閥報表。

通過水力計算結(jié)果確定閥門口徑及開度，并在現(xiàn)場安裝，即可建立二次網(wǎng)初平衡。

本方案采用數(shù)據(jù)鎖定式靜態(tài)平衡閥。閥門安裝位置在樓棟入口處，最終實現(xiàn)樓棟間的平衡。

通過調(diào)節(jié)各樓棟入口靜態(tài)平衡閥，可實現(xiàn)二次管網(wǎng)各樓棟間的水力平衡，一次調(diào)節(jié)，長期受益。靜態(tài)平衡閥安裝完成后，還可通過水力平衡儀現(xiàn)場測量校正工作流量，使水力平衡效果達到理想狀態(tài)。

1.1.2室溫采集

室溫采集分兩部分：一是測溫設(shè)備選擇，二是室溫采集平臺的建設(shè)

1、測溫設(shè)備選擇

選擇固定式測溫設(shè)備，建立室溫采集系統(tǒng)，不但對各站的典型用戶進行室溫實時監(jiān)測，而且通過數(shù)據(jù)篩選與分析，得到供熱機組的有效平均室溫，用于生產(chǎn)控制。

HX-TH01網(wǎng)絡(luò)溫濕度采集器是一款弱電型NB-IoT網(wǎng)絡(luò)溫濕度采集器。

（1）產(chǎn)品特點

> 86盒安裝，用戶無法移動位置，采集數(shù)據(jù)準確有效;

> 插座使用較大功率的用電設(shè)備也能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準確;

> 測溫精度達到0.1℃;

> NB-IoT通訊，信號穩(wěn)定，通訊費用低;

> 數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)皆破脚_。

（2）測溫設(shè)備放置原則

由于水力平衡調(diào)整后，管網(wǎng)水平失調(diào)已基本解決，不存在遠、中、近端的問題，因此只需要在熱力工況最不利點布置少量測溫設(shè)備，即可代表整體室溫情況。每個換熱站選一棟樓集中放置測溫設(shè)備，每棟樓隔一層放置，放置在靠邊用戶的客廳內(nèi)墻，使用率低的位置，避免陽光直射。

（3）室溫數(shù)據(jù)修正

室溫采集設(shè)備采用固定插座式，一般安裝距地面300mm。散熱器供熱時，影響不大，地?zé)峁釙r，測量值會偏高，因此要選擇高位插座進行安裝或根據(jù)安裝位置進行溫度偏差修正。

2室溫采集平臺升級

（1）編寫算法清洗測溫異常數(shù)據(jù)

建立室溫采集分析系統(tǒng)，通過對采集數(shù)據(jù)的分析，進行清洗、排雜，排除無效室溫，為下一步平均室溫分析提供可靠數(shù)據(jù)。

（2）獲取計算后的各機組有效平均室溫

室溫采集平臺將以機組為單位對室溫數(shù)據(jù)進行管理，在數(shù)據(jù)清洗、排雜處理的基礎(chǔ)上，分析獲得有效平均室溫。

（3）編寫對外統(tǒng)一格式接口，用于調(diào)度系統(tǒng)獲取室溫數(shù)據(jù)

對調(diào)度系統(tǒng)、室溫采集系統(tǒng)等數(shù)據(jù)通信接口進行標準化處理，實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)直接獲取室溫數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，用于生產(chǎn)控制。

1.1.3智能調(diào)度系統(tǒng)升級

系統(tǒng)具備運行圖、運行圖編輯、實時監(jiān)控、負荷預(yù)測、歷史查詢、分析查詢、運行工況、氣象管理、站點巡檢、調(diào)度值班、應(yīng)急指揮等功能。但室內(nèi)溫度沒有參與到生產(chǎn)控制。換熱站歷史運行數(shù)據(jù)（溫度、壓力、流量）、室溫數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、入住率等還存在數(shù)據(jù)隔裂現(xiàn)象，無法綜合利用。系統(tǒng)沒能成為生產(chǎn)控制的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，導(dǎo)致供熱系統(tǒng)測量、控制、分析功能分離，沒有充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值。系統(tǒng)目前處于人工經(jīng)驗管理階段，缺乏自動運行控制能力。本次主要工作是將室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)引入生產(chǎn)控制系統(tǒng)。將室外溫度、室內(nèi)溫度、換熱站運行數(shù)據(jù)傳遞給熱力工況模型仿真系統(tǒng)，根據(jù)熱力工況模型仿真系統(tǒng)運算得到的運行曲線下發(fā)至各個換熱站，將室內(nèi)外溫度定時下發(fā)給各換熱站用于曲線運行。全新開發(fā)上位全自動運行控制系統(tǒng)將上述功能有機結(jié)合，實現(xiàn)自動化運行。通過系統(tǒng)升級，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳、運行曲線獲取、運行曲線修正及下發(fā)、室外溫度、室內(nèi)溫度、設(shè)定溫度的自動下發(fā)功能，建立全自動運行控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。

升級現(xiàn)有智能調(diào)度系統(tǒng)，將調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)成為生產(chǎn)控制的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，使供熱系統(tǒng)測量、控制、分析功能結(jié)合，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，成為生產(chǎn)系統(tǒng)自動化運行的控制中心。

（1）將室外溫度、室內(nèi)溫度、換熱站運行數(shù)據(jù)傳遞給能源分析系統(tǒng)。

將運行數(shù)據(jù)實時傳遞給能源分析系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)分析。

（2）將能源分析系統(tǒng)運算得到的運行曲線下發(fā)至各個換熱站。

將能源分析系統(tǒng)計算的運行曲線，下發(fā)給各個換熱站，用于換熱站自主運行。

（3）將經(jīng)過修正的室外溫度及有效平均室溫定時下發(fā)給各換熱站

經(jīng)過氣象與作息時間修正后的室外溫度，將每小時給各換熱站自動下發(fā)，用于指導(dǎo)換熱站自動調(diào)節(jié)。

（4）各機組運行曲線庫

存儲能源分析系統(tǒng)優(yōu)化的各機組運行曲線，并根據(jù)運行情況，可以人為對曲線進行相應(yīng)修正，作為各機組的標準運行曲線，供下一個采暖季參考。

1.1.4能源分析系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)提供的運行數(shù)據(jù)（換熱站一、二次網(wǎng)流量，供、回水溫度，室內(nèi)、外溫度），建立熱力工況模型。應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，對系統(tǒng)熱力工況進行建模與仿真，建立各個機組在不同室外溫度下流量及供回水溫度曲線。

（1）供水溫度隨室外溫度變化曲線

根據(jù)每個機組的運行數(shù)據(jù)及確定的各階段運行流量，建立各機組的供熱運行曲線。

（2）二次網(wǎng)流量隨室外溫度變化曲線

根據(jù)每個機組的運行數(shù)據(jù)、二次網(wǎng)平衡情況，確定各機組的二次網(wǎng)分階段運行流量曲線。

（3）數(shù)據(jù)驗證

根據(jù)系統(tǒng)自動運行反饋的數(shù)據(jù)，對原有曲線進行優(yōu)化，并將優(yōu)化曲線重新下發(fā)給智能調(diào)度系統(tǒng)。

經(jīng)過優(yōu)化確定的運行曲線是基于運行數(shù)據(jù)得來的，因為每個機組的運行數(shù)據(jù)都不相同，優(yōu)化后的曲線也一定不同，將更接近于實際供熱狀況，每一條曲線都是特制的，運行的精度將更高。

1.1.5換熱站PLC程序升級

升級和優(yōu)化現(xiàn)有PLC程序和點表，實現(xiàn)接收二網(wǎng)流量、溫度控制曲線、室外溫度數(shù)據(jù)、室溫監(jiān)測數(shù)據(jù)功能，并按照設(shè)定控制策略實現(xiàn)自動運行。

PLC接收智能調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的不同流量下的供熱運行溫度曲線、室外溫度和有效平均室溫，根據(jù)下發(fā)數(shù)據(jù)，對比設(shè)定室溫，自動修正二次網(wǎng)供水溫度及循環(huán)泵轉(zhuǎn)速設(shè)定，PLC根據(jù)設(shè)定值變化，通過PID調(diào)節(jié)電調(diào)閥開度及改變水泵轉(zhuǎn)速。

2換熱站自動化系統(tǒng)優(yōu)化運行優(yōu)勢

通過全網(wǎng)自動運行，實現(xiàn)以下技術(shù)經(jīng)濟提升：

（1）自動運行控制系統(tǒng)能很好的控制用戶室溫，調(diào)度人員可以根據(jù)各區(qū)域用熱習(xí)慣，人員生活習(xí)慣，設(shè)置不同時段的室內(nèi)設(shè)定溫度，而不必管理一些中間變量，控制系統(tǒng)自動跟蹤，實現(xiàn)實際室溫與設(shè)定值的一致性，基本杜絕用戶投訴。

（2）控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精細度大大提高，優(yōu)化控制策略（算法），對常規(guī)PID算法等一般調(diào)節(jié)手段難以控制的大慣性和大延遲供熱對象，提供先進有效的控制方法。

（3）降低調(diào)度人員的工作強度，提高了控制參數(shù)的科學(xué)性。

（4）使智慧供熱運營平臺技術(shù)水平得到新的提升，真正實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的自感知，自優(yōu)化運行，不但提高了用戶滿意度，而且大幅降低熱、電指標。

3結(jié)束語

隨著時代經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有的換熱站自動運行方案已經(jīng)滿足不了節(jié)能的需求。本文所述的運行方式得以推廣將很好的控制住室溫，控制調(diào)節(jié)精細度大大提高，降低了供熱熱耗，降低了調(diào)度人員的工作強度，提高了控制參數(shù)的科學(xué)性，真正實現(xiàn)了供熱系統(tǒng)的自感知，自優(yōu)化運行，大幅度降低了熱、電指標。

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[3]葛楠.換熱站智能控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué).

（作者單位：國家電投集團東北電力有限公司大連開熱分公司）

作者簡介：

王琨，1978年11月20日出生，女，本科學(xué)歷，經(jīng)濟師，熟悉供熱行業(yè)相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)營管理知識。

李贊，1991年8月30日出生，男，本科學(xué)歷，助理工程師，熟悉供熱行業(yè)相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)營管理知識。