“三供一業(yè)”供熱分離移交改造中二次網(wǎng)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張圓圓

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原030000）

“三供一業(yè)”分離移交，有利于國有企業(yè)減輕負(fù)擔(dān)，保障國企輕裝前行，集中精力發(fā)展主營業(yè)務(wù)，也有利于整合資源，改造提升城市基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)城市公共事業(yè)的專業(yè)化和集約化管理，進(jìn)一步改善職工居住環(huán)境[1]。在“三供一業(yè)”供熱分離移交改造的過程中，實(shí)現(xiàn)了住戶的分戶采暖。為了更好地達(dá)到流量平衡和熱量平衡，對(duì)改造后的二次管網(wǎng)安裝自控系統(tǒng)。本文以太原市某小區(qū)為例，詳細(xì)介紹了二次網(wǎng)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及方案。

1 熱力站及小區(qū)基本情況

1.1 熱力站基本情況

該小區(qū)所在熱力站建于2014年，為散熱器供熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供熱面積1萬m2，實(shí)際供熱面積0.73萬m2，高程791.22m。

1.2 小區(qū)基本情況

該小區(qū)建于1990年，未節(jié)能保溫，且未分戶控制。該小區(qū)建筑面積4088m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷261.63kW，1棟樓4個(gè)單元，層高6層，共計(jì)78戶。

2 二次網(wǎng)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 二次網(wǎng)平衡控制的基礎(chǔ)理論

由穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程可知，散熱器向房間的傳熱量應(yīng)與房間向室外傳熱量相等，即：

式（1）中：Qs為建筑物吸收太陽輻射熱；Qr為建筑物內(nèi)部人員設(shè)備散熱；Qg為供熱系統(tǒng)供熱量；Qq為來自相鄰建筑物傳導(dǎo)吸熱；Qs′為建筑物對(duì)室外散熱；Qf′為空氣對(duì)流通風(fēng)散熱；Qq′為向其他相鄰建筑物傳導(dǎo)散熱。

其中最主要的是：Qg（供熱系統(tǒng)供熱量）≈Qs′（建筑物對(duì)室外散熱）。

式（2）中：KrFr為散熱器的傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積，W/℃；KbFb為建筑物的傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積（包括冷風(fēng)滲入的影響），W/℃；tg、th、ts、to分別為供水溫度、回水溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度，℃。

同一時(shí)刻，一定區(qū)域范圍內(nèi)的供水溫度大致相同、室外溫度也大致相同。因此，對(duì)于二次網(wǎng)平衡及負(fù)荷調(diào)控時(shí)，可以利用供熱的回水溫度來判斷該用戶室內(nèi)的供熱情況。

2.2 二次網(wǎng)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.2.1 系統(tǒng)介紹

二次網(wǎng)自控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 二次網(wǎng)自控系統(tǒng)示意圖

二次網(wǎng)自控系統(tǒng)由戶用智能調(diào)節(jié)閥、溫度采集面板、單元水力平衡閥、數(shù)據(jù)采集箱、平臺(tái)軟件組成。在采暖用戶入戶進(jìn)水管上加裝戶用智能調(diào)節(jié)閥，樓棟單元回水立管上加裝單元水力平衡閥，樓棟代表性用戶家中加裝室溫面板，設(shè)備通過線纜接入數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至總調(diào)中心，再通過平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)二次網(wǎng)的管理和調(diào)節(jié)。

2.2.2 設(shè)備說明

2.2.2.1 線材規(guī)格

單元干線、單元跨線MBUS信號(hào)線：RVVP2×1.0。單元干線DC24V電源線：RVV2×1.5。單元跨線DC24V電源線：RVV2×2.5。采集箱電源AC220V電源線：RVV3×2.5。

2.2.2.2 采集箱

無線電方式采集箱具有無線通訊模塊，與運(yùn)營商協(xié)議后的無線通訊方式需具有運(yùn)營商認(rèn)可的無線通訊模塊，可直接傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心。采集箱用電由樓棟公共用電提供AC220V電壓，同時(shí)需給相關(guān)遠(yuǎn)傳閥門等供電。

采集箱上行數(shù)據(jù)傳輸LoRa/無線電/3G/4G/5G/以太網(wǎng)等，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇傳輸模式；下行數(shù)據(jù)傳輸采用M-bus。采集箱可對(duì)相關(guān)監(jiān)控閥門進(jìn)行控制并采集狀態(tài)信息。

2.2.2.3 室溫采集面板

室溫采集面板具有溫度數(shù)據(jù)采集和記錄存儲(chǔ)的功能，并且可以通過低功耗網(wǎng)絡(luò)上報(bào)數(shù)據(jù)到服務(wù)器。室溫采集面板由采集箱供電，可設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期和上報(bào)周期。室溫采集器具有防止移動(dòng)報(bào)警功能，在用戶私自拆卸移動(dòng)時(shí)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)預(yù)警，保證室溫采集數(shù)據(jù)的有效性、合理性[2]。

2.2.2.4 戶控閥

戶控閥是有線遠(yuǎn)傳調(diào)節(jié)閥，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門開度，調(diào)節(jié)范圍0～100%，可為每戶單獨(dú)調(diào)節(jié)不一樣的開度。戶控閥配有一個(gè)LED指示燈，不同顏色代表閥開、閥關(guān)、故障狀態(tài)。戶控閥通過現(xiàn)場總線傳輸信號(hào)至采集箱，由數(shù)據(jù)采集集中裝置為其提供DC24V電源。

2.2.2.5 系統(tǒng)調(diào)節(jié)

二次網(wǎng)平衡監(jiān)控系統(tǒng)基本功能：可以實(shí)時(shí)在線的監(jiān)控與管理、診斷與報(bào)警、采集與報(bào)表、用戶管理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、趨勢曲線、故障診斷分析、Web遠(yuǎn)程瀏覽等。系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的二次網(wǎng)平衡工況情況及評(píng)價(jià)，根據(jù)單元回水溫度，對(duì)單元總管的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可有效地消除二次網(wǎng)的水力失調(diào)，實(shí)現(xiàn)回水溫度趨于一致，保證各單元供熱效果基本一致[3]。對(duì)于單元內(nèi)垂直失調(diào)嚴(yán)重的，出現(xiàn)個(gè)別住戶室溫異常時(shí)，可對(duì)入戶閥進(jìn)行微調(diào)。配合二次網(wǎng)平衡情況，可以優(yōu)化二次網(wǎng)運(yùn)行工況。二次網(wǎng)平衡度改善后，可以以最低回水溫度為限制值，降低二網(wǎng)循環(huán)量，拉大溫差，從而降低換熱站電耗。用戶室溫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以作為熱負(fù)荷調(diào)度的優(yōu)化修正指標(biāo)。

3 小區(qū)二次網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

小區(qū)二次網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 小區(qū)二次網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該小區(qū)共計(jì)1棟樓宇參與改造，共計(jì)78戶。每戶配備智能鎖閉閥一塊，部分鎖閉閥配套溫度采集面板，每單元配置遠(yuǎn)傳智能水力平衡閥，每棟樓配置數(shù)據(jù)采集器。采集器配電由樓棟公用電提供，并由采集器為相應(yīng)現(xiàn)場設(shè)備提供電源。采集箱通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)傳輸，通過M-bus下行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制監(jiān)測。

根據(jù)該小區(qū)樓棟數(shù)、單元數(shù)、戶數(shù)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，該小區(qū)需安裝自控設(shè)備如下：樓棟數(shù)據(jù)采集器安裝1臺(tái)，配套無線發(fā)射、接收一體機(jī)1套、樓棟電表1臺(tái)；整個(gè)樓棟抽樣安裝溫度采集面板，共計(jì)16臺(tái)；每個(gè)單元安裝遠(yuǎn)傳智能水力平衡閥1個(gè)，共計(jì)4臺(tái)；每戶安裝遠(yuǎn)傳智能鎖閉閥1個(gè)，共計(jì)78臺(tái)。

全網(wǎng)平衡軟件以該小區(qū)所屬熱力站為單位，根據(jù)該熱力站供熱范圍內(nèi)各遠(yuǎn)傳智能水力平衡閥采集到的回水溫度，統(tǒng)一設(shè)定溫度目標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)回水溫度控制遠(yuǎn)傳智能水力平衡閥的開度。

該棟樓前安裝數(shù)據(jù)采集箱，用于采集該樓棟各閥門的狀態(tài)、樓棟回水溫度、用戶溫度、通斷狀態(tài)等各類情況，同時(shí)可以遠(yuǎn)程控制各閥門。每個(gè)單元前安裝遠(yuǎn)傳智能水力平衡閥，控制該棟樓4個(gè)單元的流量分配，以達(dá)到每個(gè)單元的所需流量。若一個(gè)單元流量遠(yuǎn)小于計(jì)算所需流量，則需要開大水力平衡閥；反之，則關(guān)小。每戶安裝戶用通斷控制閥，戶控閥有3個(gè)指示燈，代表3種狀態(tài)，其中：紅燈表示關(guān)閉，黃燈表示無信號(hào)，綠燈表示開啟。在供暖初期，供熱公司可根據(jù)每戶繳納采暖費(fèi)情況啟閉通斷閥門。在供熱期間，根據(jù)戶內(nèi)溫度采集面板信息，還可以通過戶控閥對(duì)個(gè)別住戶家中供熱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度過高閉閥，溫度過低開閥。

在調(diào)度中心設(shè)立分戶表閥聯(lián)控系統(tǒng)，配備高性能工程師站、操作員站、服務(wù)器及相關(guān)組態(tài)軟件，該系統(tǒng)具備閥門和熱表數(shù)據(jù)采集功能、閥門調(diào)節(jié)和報(bào)警等功能。

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過“三供一業(yè)”供熱分離移交改造，更換了老舊小區(qū)的庭院管網(wǎng)、樓道立管、戶內(nèi)采暖系統(tǒng)，通過二次網(wǎng)平衡改造和調(diào)節(jié)，有效地改善了二次網(wǎng)的平衡狀況，提高了供熱效果，極大地降低了投訴率和能耗。

4.1 供熱效果改善

在2019—2020采暖季，該小區(qū)因庭院管網(wǎng)老舊、閥門失靈，導(dǎo)致二次管網(wǎng)無法調(diào)節(jié)，各樓、單元之間流量分布不平衡，所以存在邊戶、底層因循環(huán)不暢，導(dǎo)致供熱效果不良的情況。在2020—2021采暖季，經(jīng)過二次網(wǎng)平衡的調(diào)節(jié)，各樓棟之間流量合理分布，每棟樓各單元之間流量分布均衡，實(shí)現(xiàn)回水溫度趨于一致，保證各單元供熱效果基本一致。對(duì)于個(gè)別不熱的住戶，還可以對(duì)每一戶進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，確保每一戶的供熱質(zhì)量。在本采暖季，該小區(qū)住戶室溫合格率達(dá)到100%，投訴量減少30%，供熱效果得到極大的改善。

4.2 節(jié)能降耗

在2019—2020采暖季，該小區(qū)所屬熱力站初寒期循環(huán)泵頻率在35Hz，嚴(yán)寒期循環(huán)泵頻率在45Hz，整個(gè)采暖季的平均電單耗為1.33kW·h/m2，平均熱單耗為1.19GJ/m2。在2020—2021采暖季，通過二次網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)，消除了水力失調(diào)導(dǎo)致的末端管路的循環(huán)不暢，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。在保證良好供熱效果的前提下，本采暖季該小區(qū)所屬熱力站循環(huán)泵頻率有所下降，平均熱耗、電耗指標(biāo)均降低，初寒期循環(huán)泵頻率在32Hz，嚴(yán)寒期循環(huán)泵頻率在43Hz，整個(gè)采暖季的平均電單耗為1.18kW·h/m2，平均熱單耗為1.12GJ/m2。

5 結(jié)論

經(jīng)過“三供一業(yè)”供熱分離移交改造，實(shí)現(xiàn)了分戶控制，并通過二次網(wǎng)自控系統(tǒng)對(duì)二次網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，消除了二次網(wǎng)的水力失調(diào)，基本保證各單元、各戶的供熱效果基本一致，基本消除了末端住戶的不利情況，提高供熱舒適度的同時(shí)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)能增效的目的。