源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)在供熱運行中的應用研究

馬艷良 羅詩林 李彥成

天津市熱力有限公司

0 背景

在供熱領域，以節(jié)能降耗為目的的“精準供熱”方式越來越受到各供熱公司的重視。隨著自動控制技術的不斷發(fā)展，已產(chǎn)生多種節(jié)能降耗的自動控制模式來逐漸替代傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)方式。其基本宗旨是盡量減少人為參與的程度，利用大數(shù)據(jù)等計算方法，實現(xiàn)自動、智能、合理地調(diào)節(jié)供水溫度，在降低能耗的同時，保證用戶的用熱需求，使其室內(nèi)溫度處于體感舒適的溫度范圍。重點介紹了源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)在供熱運行中的應用，通過技術路線、運行策略、操作步驟及全網(wǎng)運行狀態(tài)等方面的介紹，分析該控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 技術路線

源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)的基礎是二次網(wǎng)智能平衡，通過調(diào)整安裝在熱力管井內(nèi)的戶用智能調(diào)節(jié)閥開度來實現(xiàn)。該系統(tǒng)的目標是使熱用戶室內(nèi)處于舒適的溫度，通過設定室內(nèi)目標溫度，基于大數(shù)據(jù)分析的全網(wǎng)優(yōu)化控制策略自動進行分析，憑借熱源、換熱站的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)源網(wǎng)聯(lián)動調(diào)節(jié)，達到按需供熱、節(jié)能運行的目的。

該系統(tǒng)包括智慧供熱節(jié)能監(jiān)控平臺、下位機、戶用智能閥、換熱站PLC控制系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)挖掘分析專家系統(tǒng)、電動調(diào)節(jié)閥、典型用戶室內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)、鍋爐房PLC控制系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)清洗及分析挖掘機器學習的AI系統(tǒng)、智慧供熱數(shù)據(jù)庫。

智慧供熱節(jié)能監(jiān)控平臺用于設定二次供水溫度、室內(nèi)溫度目標值、監(jiān)控運行數(shù)據(jù)等；下位機用于接收調(diào)控指令，對戶用智能閥下達調(diào)節(jié)開度的指令；戶用智能閥用于調(diào)節(jié)入戶循環(huán)水的流量，自動調(diào)節(jié)二次網(wǎng)水力平衡；換熱站PLC控制系統(tǒng)用于接收和下發(fā)換熱站設備的控制指令；基于大數(shù)據(jù)挖掘分析專家系統(tǒng)用于分析運行參數(shù)，并自動下發(fā)二次供水溫度；電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)一次循環(huán)水流量，從而達到調(diào)節(jié)二次供水溫度的目的；典型用戶室內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測典型用戶的室內(nèi)溫度，并通過數(shù)據(jù)篩查和分析計算，采取有效室內(nèi)平均溫度；鍋爐房PLC控制系統(tǒng)用于接收和下發(fā)鍋爐房設備的控制指令；基于大數(shù)據(jù)清洗及分析挖掘機器學習的AI系統(tǒng)用于分析智慧供熱數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并預測鍋爐負荷；智慧供熱數(shù)據(jù)庫包含室外綜合氣象參數(shù)、歷史運行參數(shù)、建筑熱惰性，為基于大數(shù)據(jù)挖掘分析專家系統(tǒng)和基于大數(shù)據(jù)清洗及分析挖掘機器學習的AI系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。其控制系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)原理圖

2 運行策略

供熱系統(tǒng)由熱源、熱力站、熱網(wǎng)組成，在運行過程中往往僅能單獨調(diào)節(jié)、獨立運行，缺少三級聯(lián)動控制，造成能源的浪費與運行成本的增加。針對供熱系統(tǒng)的此特性，亟須一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱源、熱力站、熱網(wǎng)三級聯(lián)動控制的方法，達到按需供熱、節(jié)能運行的目的，減少能源的消耗，降低供熱運行的成本。

源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)的運行策略是將熱源、熱力站、熱網(wǎng)聯(lián)動控制，以用戶室溫為目標，動態(tài)調(diào)整二次供水溫度；二次網(wǎng)循環(huán)泵采用定壓差方式運行；鍋爐出水溫度根據(jù)源網(wǎng)參數(shù)之間的耦合條件，采用非線性規(guī)劃理論進行優(yōu)化確定；一次網(wǎng)循環(huán)泵采用定壓差方式運行。源網(wǎng)聯(lián)動運行原理圖見圖2。

圖2 源網(wǎng)聯(lián)動運行原理圖

每個供熱系統(tǒng)的特性均具有不可復制性，如何根據(jù)源網(wǎng)匹配特性定制優(yōu)化控制策略，保證熱網(wǎng)安全、穩(wěn)定、節(jié)能運行非常重要。因此，需要針對熱力管網(wǎng)的實際情況，制訂優(yōu)化控制策略，以實現(xiàn)全網(wǎng)的科學調(diào)控與安全運行，達到“均衡輸送、按需供熱、節(jié)能降耗”的最終目標。

源網(wǎng)聯(lián)動運行的全網(wǎng)平衡策略為一次網(wǎng)均勻性控制，消除水力失調(diào)帶來的能源浪費。實現(xiàn)以上需求的控制策略如下：

1）根據(jù)穩(wěn)定運行后的歷史供水溫度、階段性循環(huán)流量、歷史耗熱量等監(jiān)測參數(shù)，預測熱源未來輸出熱量和供水溫度，指導熱源供熱范圍內(nèi)的合理分配，并實時判斷熱源供熱量是否與需熱量匹配。

2）依據(jù)各換熱站的二次供水溫度、二次回水溫度、耗熱量、室外氣象參數(shù)等歷史數(shù)據(jù)，結合建筑熱特性、室溫需求及室外氣象參數(shù)變化，預測在滿足供熱需求的情況下各換熱站未來的日耗熱量、未來的日二次網(wǎng)供熱參數(shù)，使各熱源下轄的換熱站按照需求進行調(diào)控運行，實現(xiàn)按需供熱。

3）選取智慧供熱改造范圍內(nèi)的各小區(qū)的典型熱用戶室溫，由于小區(qū)建筑結構、室內(nèi)采暖方式等決定的滯后特性及室溫變化規(guī)律不同，換熱站調(diào)節(jié)控制和優(yōu)化規(guī)律也不同。在綜合考慮室外綜合溫度（室外溫度、太陽輻照、室外風速）、晝夜人體熱舒適度感受需求、室內(nèi)溫度控制目標要求（恒溫、階段性溫度變化）等因素下，利用機器學習優(yōu)化計算方法，形成系統(tǒng)的閉環(huán)控制流程，得出以滿足預設室內(nèi)溫度為總體目標，以滿足采暖舒適度的建筑熱耗為控制目標，以滿足分時改變供水溫度為控制參數(shù)的換熱站優(yōu)化控制策略。

3 操作步驟

第一步為錄入基礎信息，點擊菜單【基礎信息】進入。實現(xiàn)對從熱源到熱用戶全面的基礎信息的錄入和編輯功能，包括【熱力信息管理】【組織機構】【熱源管理】【管網(wǎng)站管理】【換熱站管理】【居建管理】【室溫監(jiān)測】及【采暖期信息】。重點注意各熱用戶、換熱站、熱源的供熱面積準確性以及各層級所屬關系。其基礎信息錄入圖見圖3。

第二步為設置室溫目標，點擊主界面【運行監(jiān)控】進入【換熱站運行監(jiān)控】。開啟換熱站自動運行模式，并逐一設定各換熱站下屬熱用戶的室溫目標。室溫目標溫度設置圖見圖4。

第三步為下發(fā)聯(lián)動控制命令，返回主界面【運行監(jiān)控】進入【熱源運行監(jiān)控】。點擊【控制柜】進入熱源控制柜運行圖界面，下發(fā)聯(lián)動控制命令，開啟鍋爐自動運行模式。根據(jù)系統(tǒng)提示信息，現(xiàn)場啟動投運鍋爐。聯(lián)動控制命令下發(fā)圖見圖5。

圖5 聯(lián)動控制命令下發(fā)圖

第四步為監(jiān)測全網(wǎng)運行狀態(tài)，通過對各換熱系統(tǒng)控制精度的分析，可以監(jiān)測調(diào)節(jié)控制情況，確保供熱平衡，達到預定控制目標。根據(jù)上位機數(shù)據(jù)繪制各個熱力站的供水壓力、回水壓力水壓圖，分析管網(wǎng)的壓力分布，從全局上掌控整網(wǎng)運行調(diào)節(jié)情況。

通過智能分析功能對各個機組、系統(tǒng)進行設備故障診斷、能耗診斷、優(yōu)化控制等全方位的分析，監(jiān)測整個供熱系統(tǒng)設備故障情況、能耗情況，及時了解管網(wǎng)目前狀態(tài)并進行針對性的解決。

4 結語

使用源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)的第一個采暖季，熱單耗為0.107 6 MJ/m2·℃，與計劃的指標值0.127 7 MJ/m2·℃相比，下降了15.7%，同時電耗、水耗也有一定程度的下降，節(jié)能降耗工作取得了一定的效果。

源網(wǎng)聯(lián)動控制系統(tǒng)建立了優(yōu)化、合理的控制邏輯策略，配備了各環(huán)節(jié)所需的控制硬件及軟件，以大數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理為手段，通過終端熱用戶室內(nèi)測溫面板溫度的反饋，及時對換熱站和熱源的熱能分配進行調(diào)整，在滿足熱用戶實際用熱需求的同時，實現(xiàn)精準供熱、節(jié)能降耗的目的。該系統(tǒng)完善了供熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一調(diào)度和控制[1]，弱化了人為參與供熱運行調(diào)節(jié)的程度，降低了人為因素造成能源浪費的可能性，對熱力公司產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。