探究城市供熱網(wǎng)的智能化控制與管理

劉臻杰

（國電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

城市供熱網(wǎng)絡(luò)具有復(fù)雜性和封閉性的特點(diǎn)，其管理一直是一個挑戰(zhàn)，特別是在用戶數(shù)量快速增長的情況下，供熱設(shè)備也隨之改進(jìn)和更新，為城市供熱管理、建立供熱網(wǎng)絡(luò)帶來了許多困難。為保證最佳管理效果，必須積極采用智能控制方式。這是新時期城市熱網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的必然選擇，可以減少投資，提高人力資源管理的效率，使城市熱網(wǎng)的服務(wù)水平也大大提高，對城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有很大的幫助。因此，智能控制城市熱網(wǎng)的研究、推廣和應(yīng)用至關(guān)重要。

1 城市熱網(wǎng)管控現(xiàn)狀

目前，城市供熱網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上主要分為一次水直接供熱和二次水間接供熱。從熱源上可分為電廠蒸汽和熱水鍋爐兩種。最初，城市供熱也使用一次蒸汽進(jìn)行直接供暖，但由于安全性差和能源浪費(fèi)嚴(yán)重，新型供熱網(wǎng)絡(luò)已不再采用。一次水直接加熱具有投資小、熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在安全性、穩(wěn)定性差、維修率高、長期使用熱效率低等缺點(diǎn)。目前，除部分特殊情況外，新建供熱管網(wǎng)一般不使用，現(xiàn)有供熱管網(wǎng)大部分已改造或正在規(guī)劃改造[1]。熱交換站是間接二次熱水加熱方法的核心，用于通過熱交換器將一次蒸汽或鍋爐一次熱水的熱能直接傳遞給用戶的二次中/低溫水。目前，換熱站的控制和管理已由原始的工作人員現(xiàn)場手動操作方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣涌刂品绞?，換熱站沒有工作人員，熱交換器被集成、集中和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 城市集中供熱智能系統(tǒng)背景分析

2.1 熱負(fù)荷預(yù)測

一個城市的集中供熱系統(tǒng)能否安全可靠運(yùn)行，往往與多個因素有關(guān)，例如建筑物的類型、結(jié)構(gòu)、供熱二次管網(wǎng)設(shè)計(jì)、室內(nèi)采暖型式等[2]。如果這些因素沒有得到適當(dāng)?shù)目刂疲蜁绊懝嵯到y(tǒng)的實(shí)際負(fù)載能力，因此必須采取適當(dāng)措施來控制這些因素。首先，利用熱負(fù)荷預(yù)測可以保證集中供熱管理的順利進(jìn)行，并且該方法獲得的效果大于常規(guī)方法。到目前為止，已經(jīng)使用了以下方法來估計(jì)熱負(fù)荷，例如指數(shù)平滑、時間序列分析等，不同的方法扮演不同的角色。其次，城市集中供熱系統(tǒng)本身就是一個內(nèi)容較多的系統(tǒng)，不確定性和非線性并存，應(yīng)該采取行動以確保預(yù)測模型的準(zhǔn)確性并加強(qiáng)治理。

2.2 供暖系統(tǒng)問題

目前，城市集中供熱智能系統(tǒng)還存在一些問題。主要體現(xiàn)在內(nèi)部操作人員技術(shù)不到位，沒有接受過專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)，沒有豐富的技術(shù)技能和扎實(shí)的理論知識和經(jīng)驗(yàn)，無法及時處理系統(tǒng)中存在的問題，直接影響系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。如果換熱站出現(xiàn)嚴(yán)重問題，將會給人們的生活和工作帶來極大的不便。此外，由于運(yùn)營商沒有及時采取措施有效解決問題，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備錯過最佳維護(hù)時間，城市供熱系統(tǒng)的管控水平難以提高。為解決城市供熱系統(tǒng)控制和管理問題，應(yīng)制定科學(xué)和可操作的措施。

3 直供熱管網(wǎng)供熱站設(shè)計(jì)

3.1 基本情況

近些年，我國對城區(qū)進(jìn)行了供熱改造。轉(zhuǎn)換的主要目標(biāo)是熱源，通過使用熱電廠的冷凝器作為熱源來節(jié)省資金。城區(qū)的傳統(tǒng)熱源主要是地?zé)峋湾仩t，老小區(qū)的散熱端主要是鑄鐵暖氣片。在市區(qū)，地勢比較平坦，所以在轉(zhuǎn)換過程中采用了直接埋地直接加熱，通過使用這種方式來防止熱用戶在使用時出現(xiàn)倒空或者超壓現(xiàn)象，壓力損失由城市的分區(qū)和面積決定。對于典型的庭院管網(wǎng)，壓力一般維持在10～15m左右[3]。

3.2 各種工況下的配熱站設(shè)計(jì)

3.2.1 無高層建筑的熱用戶

對于沒有高層建筑的熱力用戶，應(yīng)保持30m以上的恒壓，以保證熱力用戶的最低要求，滿足整棟建筑的供熱需求。當(dāng)城市地區(qū)有許多老社區(qū)時，終端散熱器通常是傳統(tǒng)的鑄鐵散熱器。另外，計(jì)算鑄鐵暖氣片的耐壓能力時，要考慮到老小區(qū)內(nèi)部供暖管網(wǎng)的老化。為了確保管網(wǎng)的安全，用戶建筑物后墻上的管道壓力應(yīng)保持在30～38m，以防止排空。根據(jù)高溫用戶壓降假設(shè)，配水站二次管網(wǎng)熱水管壓力設(shè)定為45m，回水管壓力設(shè)定為33m。此設(shè)置旨在能夠滿足所有熱用戶的需求。通常，熱力站是由一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)通過換熱器進(jìn)行熱交換，以達(dá)到用戶所需的溫度。其中，一次供水管網(wǎng)通過調(diào)節(jié)閥流入換熱器，在換熱器內(nèi)發(fā)生熱交換后流入一次管網(wǎng)。二次循環(huán)水管網(wǎng)經(jīng)過濾器流入循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)循環(huán)泵輸送至換熱器，提高水溫，以滿足用戶需求。在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮管道的管徑，管道直徑是根據(jù)每個用戶計(jì)算出的流量的總和來確定的。在熱水管網(wǎng)的主干線及其沿程的比摩阻中，主干線是管網(wǎng)中平均比摩阻最小。根據(jù)熱水管網(wǎng)干線各管段的計(jì)算流量和從相關(guān)表中選取比摩阻數(shù)值，可以得出干線各管段管徑及對應(yīng)的實(shí)際比摩阻數(shù)值[4]。

3.2.2 有高層建筑的熱用戶

對于有高層建筑的熱力用戶，如果維持30m以上的恒定壓力，來滿足整個建筑居住者的采暖需求，則無法保證熱力用戶的最低要求。因此，遇到此類建筑時，必須采取對策，劃分高層建筑的區(qū)域，防止供暖管道排空。當(dāng)面對建筑物內(nèi)部的防空措施時，供熱站不需要考慮這個問題，但是當(dāng)面對沒有設(shè)置防倒空措施時，供熱站通常需要考慮這個問題。為解決這一問題，供熱站通常采用閥門前壓力調(diào)節(jié)，防止放空。假設(shè)建筑物高度為54m，為達(dá)到閥前調(diào)壓閥的最小值，保證閥前調(diào)壓閥正常工作，調(diào)節(jié)彈簧的顯影壓力應(yīng)調(diào)至57m。另一方面，還必須考慮閥前壓力調(diào)節(jié)的意外情況并關(guān)閉閥。為保證高層建筑的回流壓力在60m以上，根據(jù)要求，二次熱配站回流必須關(guān)閉，水管壓力設(shè)置為67m。對于靠近或靠近一次管網(wǎng)的熱用戶，應(yīng)在供水管線上加裝減壓閥，以防止供水管線因壓力過大而破裂。高位熱用戶，需在后管區(qū)加裝前置閥調(diào)壓閥[5]。

4 城市供熱系統(tǒng)智能控制措施

4.1 智能化供熱原理

智能供熱的原理體現(xiàn)在兩個方面。首先，隨著人們生活水平的不斷提高，對供暖行業(yè)的要求越來越高，必須采取相應(yīng)的措施來實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理?！爸悄芑薄肮芸亍钡年P(guān)鍵是平衡系統(tǒng)運(yùn)行過程中的熱平衡，進(jìn)一步減少資源浪費(fèi)問題，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，要使供暖系統(tǒng)的智能化管理順利進(jìn)行，還必須對熱平衡進(jìn)行調(diào)整控制。系統(tǒng)與環(huán)境之間的熱交換總和等于熱量總和，等于換熱站提供給用戶的熱量總量減去熱源提供給換熱站的熱量，也是物理學(xué)中的熱平衡方程。其次，在實(shí)際工作過程中，公式可能存在一定的差異。簡單的說，供熱站提供的熱量和建筑物實(shí)際使用的熱量是不一樣的，尤其是無人值守的，需要檢查兩者的相對平衡，保證城市集中供熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.2 氣候補(bǔ)償

所謂“氣候補(bǔ)償”是城市集中供熱智能系統(tǒng)管理控制中常用的一種方法，時至今日也取得了可喜的成果和效果，這種方法主要是指二次間接水溫的控制。在實(shí)際的智能控制管理過程中，工作人員必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置二次采暖溫度與室外溫度的對應(yīng)曲線，而不是直接采用熱平衡的方式向用戶供熱。這種方法不能滿足用戶的實(shí)際需求，并且在一定程度上可能會引起其他問題，因此在建立相應(yīng)的曲線后，應(yīng)根據(jù)供熱系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。當(dāng)然，根據(jù)季節(jié)差異，也必須設(shè)置相應(yīng)的曲線，才能達(dá)到提高供暖質(zhì)量的目的[6]。

4.3 無人值守操作

無人操作是城市集中智能供熱系統(tǒng)管理的重要手段，主要是指在換熱站內(nèi)安裝相應(yīng)的自動控制設(shè)備，使用戶在使用過程中自動控制水溫或補(bǔ)水。這種方法還可以起到解決問題的作用，進(jìn)一步保證供熱系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，達(dá)到降低人工成本的目的。無人值守本身就是一種比較常見的技術(shù)手段，可以減輕員工的勞動強(qiáng)度，讓其有足夠的時間處理其他問題，也可以防止系統(tǒng)因操作不當(dāng)而出現(xiàn)安全隱患。此外，無人化運(yùn)營管理模式的應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)對供暖系統(tǒng)智能化管控的愿望，還可以提高供暖系統(tǒng)的可靠性，為用戶的生活提供更優(yōu)質(zhì)的供暖服務(wù)。

4.4 換熱站控制

換熱站控制也是城市集中供熱智能系統(tǒng)管控的重要組成部分。工作人員也應(yīng)高度重視，采取科學(xué)措施，加強(qiáng)換熱站控制管理。一般來說，加熱站的控制主要包括以下幾個方面，如二次供水溫度控制、蒸汽壓力控制、保持熱穩(wěn)定性。只有做好這方面的工作，才能保證供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并提供給用戶安全穩(wěn)定的供熱服務(wù)。在城市集中供熱智能化管控過程中，通常采用一個或多個熱交換站供熱，充分滿足用戶供熱需求。當(dāng)然，換熱站控制過程中出現(xiàn)的問題也必須及時處理，要想解決問題，首先要制定可行的方案，降低安全事故和其他問題，促進(jìn)智能供暖將實(shí)用化，使系統(tǒng)得到提升和進(jìn)步[6]。

4.5 量調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用

量調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用是城市集中供熱管網(wǎng)控制協(xié)調(diào)的重要技術(shù)，主要涵蓋集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行的各個階段。因?yàn)樵诔鞘姓郊泄釙r，集中供暖的質(zhì)量和效果也隨著外界溫度的變化而變化，所以需要通過量調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用來控制各個供暖階段的供暖溫度，使供暖效果最大化。集中供熱系統(tǒng)在建設(shè)和運(yùn)行過程中，成本投入和消耗都比較大，所以為了最大限度地發(fā)揮工作效果，降低成本，集中供熱企業(yè)不可避免地需要調(diào)整供暖溫度。主要分為兩個階段。第一階段為初冷期，此時外界溫度相對適宜，居住者的取暖要求不高，因此公司必須在此階段進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。另一個階段是冬末春初，氣溫開始回升，但人們的取暖需求還是比較高的，天氣變化也比較頻繁。此時，相關(guān)人員必須調(diào)整加熱溫度和時間，注意外部溫度的變化。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長，人民群眾的供熱需求也在逐年增加，對供熱企業(yè)提出了新的要求，為此，必須利用高新技術(shù)手段。供暖系統(tǒng)的智能化管控不僅提高了供暖效果，而且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管理工作的不足，切實(shí)為廣大用戶的工作和生活帶來了方便，最終加快了城市化進(jìn)程的步伐。