智慧熱網控制系統(tǒng)的分析

馬奕軒,陳洪瑋

(1.河北華電石家莊華電供熱集團有限公司,河北 石家莊050051；2.中國華電河北分公司,河北 石家莊 050051)

為推進清潔城市供暖體系的構建,石家莊市分析現有供暖資源和設施,在深入研究供熱覆蓋區(qū)域后,根據排查居民供暖需求,將富余供熱能力向合理半徑延伸,挖掘供暖潛力,大力推進長輸供熱進市,減少供暖盲區(qū),滿足石家莊市“利劍斬污”節(jié)能降耗和采用清潔能源的要求,因此必須建設智慧熱網。智慧熱網是指基于信息基礎設施的發(fā)展,使用人工智能、大數據、云計算等技術,通過對供熱有關數據采集分析,對熱源單位、供熱管道、換熱站、供熱末端的各個供熱環(huán)節(jié)進行調控,實現熱網資源優(yōu)化配置,提高熱源輸送能力和節(jié)能的形式。該工藝采用互聯網控制技術,通過傳感層數據、傳輸層數據及數據應用層的控制對原有傳統(tǒng)供熱體系進行信息化升級改造,實現數據代替經驗,實行精準化管理,按需供熱；目的實現計算機調節(jié)控制,電子信息調控；動態(tài)實現數據化的能耗指標分析,通過遠程監(jiān)控進行數據分析。本文主要對基于信息化的熱網整體升級改造后的調控方式策略和節(jié)能效果進行分析,以智慧熱網系統(tǒng)解決供暖資源優(yōu)化問題,實現升級改造后的調控策略和節(jié)能效果。

1 智慧熱網控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概況

針對目前供熱熱源的多元化,智慧熱網通過建立無線網絡的熱網監(jiān)控系統(tǒng),來實現現場溫度、壓力、流量等參數的采集與傳輸,掌握實時掌握監(jiān)測點的計量數據,通過大數據匯總自動隨時對突發(fā)情況做出相應的處理。從而將監(jiān)控網絡擴展到城市熱網的任意角落,有效提高熱網運行的監(jiān)控水平和供熱行業(yè)的管理水平。智慧熱網控制系統(tǒng)見圖1。

圖1 智慧熱網控制系統(tǒng)

通過圖1可以看出,智慧熱網控制與傳統(tǒng)供熱結合產生的管理模式和流程共分為4個階段,第一,對于熱源側到換熱站之間的運行及大數據信息搜集和設備管理,通過視頻形式全程監(jiān)控,直觀反映生產運行工況；第二階段,根據運行工況傳輸給調度系統(tǒng),通過大數據統(tǒng)計和分析,將分析結果報告?zhèn)鬏斨琳{度與控制模塊；第三階段,智慧系統(tǒng)通過根系結果做出正確管理指令,反饋給二次熱用戶；第四階段,現場人員根據生產運行、安全管理、客服服務等調度指令進行現場操作,再通過現場結果匯總報至綜合信息查詢系統(tǒng),方便后續(xù)管理。

1.2 系統(tǒng)運行情況

1.2.1 熱源點生產運行情況

無論是單熱源局部區(qū)域供熱,還是多熱源的聯網供熱,都需要將熱源的生產情況傳輸到智慧熱網調度平臺,包括熱源點實時的供回水溫度、壓力、流量、熱量、補水流量等重要數據；同時還應具有熱負荷預測功能,可以根據未來幾天的天氣預報信息,自動計算出未來幾天的熱量需求,并根據調度預案制定熱源出口參數的運行策略,輔助于實時天氣情況的修正,提前協(xié)調安排熱源生產的規(guī)模和參數,保證供熱管網運行穩(wěn)定,根據需要調度熱源生產[1]。

1.2.2 換熱站運行情況

包含二次供水溫度、流量調節(jié)、補水控制、換熱站的安全保護等基本功能,同時還要有相關的壓力、溫度、電流等報警、保護功能,保證換熱站安全穩(wěn)定運行。

二次供水溫度控制。無論是混水站還是換熱器隔離站,都可以通過調控一次水的電動調節(jié)閥或分布式變頻泵來控制二次供水溫度,同時具備氣候補償功能,能夠根據溫控曲線或時間段自動調節(jié)二次供水溫度,溫控曲線和時間段可以根據換熱站和小區(qū)不同情況設定,達到節(jié)能運行的目的。

換熱站的流量調節(jié)。其可以分為定流量調節(jié)和變流量調節(jié),一般情況下可以用定供回水溫差的定流量調節(jié)方式,這種調節(jié)方式簡單,可根據供熱區(qū)域的不同情況,通過遠程手動調節(jié)來實現。而對于實行了分戶計量的供熱區(qū)域,可以采用壓差控制的變流量調節(jié)來實現最大的節(jié)能效果。

換熱站的補水。根據供熱區(qū)域情況不同,可以采用一網直補二網、二網單獨補水等形式,系統(tǒng)失水量較少時宜采用高低差控制的啟停模式,系統(tǒng)失水量較大時宜采用恒壓補水模式。無論采取哪種補水方式都應安裝補水流量表,以便及時掌握系統(tǒng)失水情況,方便系統(tǒng)查漏。

換熱站的安全保護。為了保障設備和供熱系統(tǒng)的安全運行,需要對一些危險運行情況或事故狀態(tài)進行提前保護預防,主要有:回水壓力低的循環(huán)泵停機保護；水箱水位低的補水泵停機保護；回水壓力高的補水泵停機和放水泄壓保護；一次水與循環(huán)泵的聯鎖保護；地下換熱站的地面浸水報警和排水系統(tǒng)自啟動保護；二次供水溫度、壓力高保護；系統(tǒng)停電時的自動保護等,所有的保護定值都應該根據每個換熱站的不同情況進行設定。

1.2.3 室外溫度的選取

要用好換熱站的氣候補償功能,室外溫度就必須保證準確、穩(wěn)定。有些供熱公司直接引入當地天氣預報溫度,因天氣預報溫度是當地的平均溫度,有時并不代表本供熱區(qū)域的實際室外溫度,且延遲時間較長,所以效果不是很好。正確的選取方法應該是,在供熱范圍內選取5～7個代表性的點,按照標準室外溫度測量方法安裝,將這5～7個點的溫度去掉一個最高溫度,去掉一個最低溫度,其余的溫度取平均值下發(fā)到各換熱站,換熱站統(tǒng)一用這一個室外溫度進行控制,這樣可以防止因個別采集點損壞而引起的室外溫度極端現象,一個供熱公司都用統(tǒng)一的室外溫度進行調整,可以對各換熱站供熱參數的比對提供依據,起到更好的節(jié)能效果[2]。

1.2.4 流量平衡和用戶室溫監(jiān)測系統(tǒng)

供熱的最終目標是使各用戶家里的溫度都達到標準,過高過低都需要調整,由于房屋位置朝向、樓層高低、建筑供熱率等因素的制約。流量調節(jié)到戶的每一個房間是精細化調節(jié)的最終目標,但是調節(jié)到戶點多量大,每個用戶的室溫監(jiān)測和調節(jié)實施起來比較困難,結合分戶計量改造能夠很好的解決這個問題,基本熱平衡調節(jié)好后,就可以根據用戶室內溫度的變化,調整換熱站供水溫度曲線和流量,避免冷熱不均和過熱現象,達到合理的節(jié)能降耗效果。

用戶室溫監(jiān)測系統(tǒng)可以根據各時間段的補水量分析出系統(tǒng)失水是用戶放水還是系統(tǒng)的跑冒滴漏；根據站點單位面積耗熱量的對比,結合供回水溫度、流量的分析,可以粗略判斷系統(tǒng)內是否存在盜熱等,從而使決策者能夠做出科學的判斷,指導管理人員有針對性地工作。

2 智慧熱網系統(tǒng)的技術分析

2.1 數據傳感層

智慧熱網監(jiān)控系統(tǒng)技術主要是根據系統(tǒng)現狀和概算熱負荷、計算耗能量、循環(huán)水量,以及現有設備及其使用情況和用戶具體要求來制定。采暖熱負荷同室外溫度、風向、風速、太陽輻照等主客觀因素有關[3]。

智慧熱網的數據傳感層涵蓋熱源廠、供熱站等生產參數、用戶計量管控系統(tǒng)和室溫采集系統(tǒng),實現“熱源—熱網—熱用戶”的供熱整網數據穩(wěn)定傳輸[4],具體如圖2所示。

圖2 供熱系統(tǒng)數據信息傳感層

a.通過硬件的模塊化設計,并根據各采集系統(tǒng)的個性化特點調整通信接口模塊,實現信息數據的傳輸。

b.熱網信息采集數據通過共享實現跨網域互聯互通。

c.對供熱網、熱力站管轄下的熱力入口的熱力水溫及水壓工況進行全面控制,從而為網絡調整提供管網平衡依據。

d.通過用戶供熱過程中各種參數采集,實現針對性的熱用戶按需調節(jié)。全方位調控各熱網熱源的供暖狀態(tài)。

2.2 數據傳輸層

數據通信可使用專用光纖、寬帶(ADSL)等公共網絡來實現網絡控制設備,設備采集的數據通過傳輸層傳送到應用層進行數據分析。

2.3 數據應用層

2.3.1 應用層功能

各種運行數據實時傳輸到計算機處理中心,通過實時展示、統(tǒng)計、分析及預測研究,實現熱網控制的輔助決策和調控策略預測分析研究。

遠程控制熱源來水溫度及回水溫度等,采用大數據策略對運行數據進行研討分析,并進行設備故障及故障原因分析診斷。

熱力站運行策略及設備啟停遠程上位機控制或自動反饋運行控制；采用大數據處理方法對各設備運行數據進行分析,并進行相應的故障診斷和偏離最佳工況的診斷。

通過戶內的遠程室內溫度采集系統(tǒng)調整整個熱力系統(tǒng)的運行工況；用戶通過控制面板設定室內溫度,實現熱用戶開啟開關和按需供熱。熱網可通過大數據熱用戶室溫情況來調整熱力站供熱參數。

2.3.2 智慧熱網熱源運行預測技術

在熱網調控時,不同的熱源形式影響熱源調控,如:熱電企業(yè)、熱水鍋爐、燃氣鍋爐等對熱網調控后的影響不完全相同,在調控時,應保證熱網的安全運行,必須對熱源各種方式及管網運行情況進行研究,各熱力站在不同運行熱源下采用不同的控制策略。

智慧熱網內置控制調控系統(tǒng)根據熱網特性和控制參數實時調整,對熱網運行參數動態(tài)采集的大數據進行實時預測分析,給出優(yōu)化控制策略。

2.3.3 熱力站系統(tǒng)優(yōu)化技術分析

由于建筑結構、用戶室溫變化規(guī)律不同,熱力站的調節(jié)方式和優(yōu)化控制規(guī)律也千差萬別。在室外天氣溫度、晝夜舒適度感受需求來控制室溫目標要求情況下,利用回歸優(yōu)化計算法,得出以滿足室內供暖溫度預定為優(yōu)化目標。

2.3.4 用戶智能系統(tǒng)控制技術分析

對于設定預設室內溫度較高的用戶,熱網調度管理人員可以遠程強制調整熱用戶室內溫度,進行管網熱平衡調節(jié)。

用戶在家時,可以通過智能控制面板上設定室內溫度,達到用戶要求的供熱的室內溫度。默認溫度范圍為智能控制面板上設定室內溫度±0.5℃。

當用戶外出時,可以通過智能手機APP調節(jié)室內溫度,即可以遠程實現預先期望的室內溫度,實現最大限度的按需供熱。

3 應用展望

目前石家莊市已有部分小區(qū)進行智能熱網試運行,運行過程中智慧熱網通過歷史數據挖掘,對熱源單位、小區(qū)熱力站及用戶安裝設備的運行情況進行智能排查,并分析得出熱源單位、小區(qū)熱力站和用戶的調控規(guī)律。采用大數據集中處理對熱網的運行給出故障診斷并根據用戶要求進行優(yōu)化。因此智能熱網根據數據處理給出適合的控制策略,指導熱網系統(tǒng)安全運行,進而實現真正的網絡化、智能化節(jié)能運行,具有非常廣闊的應用推廣價值[5]。

4 結束語

當前很多供熱企業(yè)都由粗放式管理向精細化管理轉變,利用各種方式保證供暖質量達標,盡量減少能源消耗,提升管理的科學性,最終起到提升企業(yè)經濟效益的目的。在大數據時代背景下,企業(yè)管理面臨的考驗更為嚴峻。然而智慧熱網的出現是企業(yè)的優(yōu)化和管理模式創(chuàng)新,是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢,可有效提升熱網管理的科學性、規(guī)范性,降低供暖經營成本。