基于大數(shù)據(jù)分析的二級(jí)網(wǎng)智能平衡系統(tǒng)應(yīng)用

左文東，李彪，郭寶剛，高曉宇，顧吉浩，王維賀，董智鵬

（1.天津華電福源熱電有限公司，天津 301700；2.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；3.工大科雅（天津）能源科技有限公司，天津 300401）

0 引言

碳達(dá)峰、碳中和的新氣候目標(biāo)是我國(guó)統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)和國(guó)際兩個(gè)大局的戰(zhàn)略決策［1］。在“雙碳”目標(biāo)的導(dǎo)向下，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化布局顯得尤為重要。我國(guó)能源消費(fèi)主要集中在工業(yè)、交通、建筑三大領(lǐng)域。2019 年，我國(guó)城鎮(zhèn)集中供熱導(dǎo)致的CO2間接排放量為4.5 億t，約占建筑領(lǐng)域碳排放總量的29.0%，約占全國(guó)碳排放總量的4.6%［2］。由此可以看出集中供熱行業(yè)存在較大的“節(jié)碳”市場(chǎng)，能源轉(zhuǎn)型和節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)集中供熱行業(yè)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。

近年來(lái)，集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)也在不斷升級(jí)。穆連波等［3］基于北京某燃?xì)忮仩t實(shí)際改造案例，提出了煙氣余熱深度回收利用方案，通過(guò)改造每年可減少排放4 722.5 t CO2；李琦等［4］針對(duì)熱力站一次側(cè)供熱量與需求量不匹配的現(xiàn)象，基于深度確定性策略梯度提出了一種熱力站一次側(cè)優(yōu)化控制策略；Mattias Vesterlund 等［5］以瑞典北部小鎮(zhèn)為實(shí)例，提出了一種基于環(huán)狀管網(wǎng)的集中供熱系統(tǒng)的建模方法，用于優(yōu)化多熱源聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行；Ryohei Yokoyama 等［6］將多棟建筑的供熱和制冷設(shè)備通過(guò)管網(wǎng)連接，靈活調(diào)度冷熱源輸配實(shí)現(xiàn)按需供能，節(jié)約能耗10.2%～25.2%。

現(xiàn)階段，熱源、一級(jí)網(wǎng)、熱力站的節(jié)能降耗技術(shù)已相對(duì)成熟，但供熱二級(jí)網(wǎng)缺乏有效的水力調(diào)控手段，導(dǎo)致水力和熱力失調(diào)，以及熱用戶室溫?zé)o法實(shí)時(shí)監(jiān)控，是供熱能耗過(guò)高的主要原因［7-9］。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也進(jìn)行了大量地探索研究，旨在消除“供熱最后1千米”的失調(diào)問(wèn)題。李甲年等［10］提出一種“預(yù)設(shè)比例法”對(duì)二級(jí)網(wǎng)進(jìn)行流量平衡調(diào)節(jié)。史凱等［11］基于動(dòng)態(tài)壓差平衡閥和靜態(tài)平衡閥技術(shù)，解決二級(jí)網(wǎng)水平失調(diào)和垂直失調(diào)問(wèn)題。李更生等［12］采用“基于回水溫度平衡法的智能二網(wǎng)平衡系統(tǒng)”對(duì)單元水力進(jìn)行了平衡調(diào)控，使單元回水溫度趨于一致。何樂(lè)［13］提出了一種基于室溫修正技術(shù)的智能樓棟平衡系統(tǒng)，并分析了該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的水力工況和平衡效果。上述2種方法僅是解決了水平方向上的水力失調(diào)問(wèn)題，高層建筑垂直失調(diào)問(wèn)題仍然存在。劉劍等［14］采用以用戶室溫作為調(diào)控目標(biāo)的二級(jí)網(wǎng)智能平衡的調(diào)控策略，并對(duì)調(diào)控前后的室溫及節(jié)能率進(jìn)行了對(duì)比分析。但一般情況下，小區(qū)室溫采集裝置的安裝數(shù)量有限，以室溫為目標(biāo)的智能調(diào)控策略在推廣時(shí)具有一定難度。王建浮等［15］提出應(yīng)用“通斷法”熱計(jì)量設(shè)備，通過(guò)改變分戶閥門的通斷比，實(shí)現(xiàn)二級(jí)網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)，但要實(shí)現(xiàn)各用戶室內(nèi)溫度的均衡，需要制定復(fù)雜的控制邏輯。史登峰等［16-17］定義了室溫穩(wěn)定度、室溫偏離度和系統(tǒng)熱力平衡度3 個(gè)公式，并結(jié)合其他數(shù)據(jù)對(duì)室溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于評(píng)價(jià)二級(jí)網(wǎng)熱力平衡效果。張杰等［18-19］通過(guò)構(gòu)建新型數(shù)字化、智能化二次網(wǎng)熱平衡系統(tǒng)，探討了戶間熱平衡系統(tǒng)的架構(gòu)、控制方案和室溫估算技術(shù)，理論分析了戶間熱平衡系統(tǒng)的調(diào)控過(guò)程和運(yùn)行效果。朱翼虎等［20］提出了以物聯(lián)網(wǎng)水力平衡閥為核心設(shè)備，結(jié)合云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)水力平衡技術(shù)，通過(guò)對(duì)二級(jí)網(wǎng)的應(yīng)用測(cè)試，對(duì)水力平衡結(jié)果進(jìn)行了分析。

本文基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立二級(jí)網(wǎng)分戶智能平衡調(diào)控系統(tǒng)，同時(shí)解決垂直失調(diào)和水平失調(diào)，并以用戶室溫反饋優(yōu)化熱力站調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)熱力站和熱負(fù)荷的“站荷聯(lián)動(dòng)”。在保障用戶供熱品質(zhì)的前提下，通過(guò)降低二級(jí)網(wǎng)供水溫度和循環(huán)水流量，節(jié)省熱耗和電耗。

1 項(xiàng)目概況

該住宅小區(qū)位于天津市武清區(qū)，2020—2021年采暖季供暖面積63 771 m2，12 棟建筑，760 戶，采暖末端為散熱器，熱力站分高、低區(qū)。2020 年，對(duì)小區(qū)二級(jí)網(wǎng)平衡系統(tǒng)及熱力站自控系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)。主要建設(shè)內(nèi)容包括：（1）在每個(gè)用戶回水管道上安裝帶回水溫度傳感器的智能閥，調(diào)節(jié)流量及監(jiān)測(cè)回水溫度；（2）選取304 戶典型熱用戶，安裝室溫采集裝置，監(jiān)測(cè)熱用戶室內(nèi)采暖溫度；（3）以樓棟為單位安裝12臺(tái)數(shù)據(jù)采集集中器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程調(diào)控；（4）升級(jí)小區(qū)熱力站自控程序，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)接；（5）在監(jiān)控中心部署智慧供熱管控平臺(tái)，以熱用戶室溫為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站運(yùn)行策略的自動(dòng)優(yōu)化。二級(jí)網(wǎng)智能平衡系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 二級(jí)網(wǎng)智能平衡系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of the secondary network intelligent balance system

2 調(diào)控原理

2.1 平衡調(diào)控理論

散熱器與房間的傳熱量計(jì)算公式為

式中：A為散熱器表面積，m2；K為散熱器傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；tpj為散熱器內(nèi)熱媒平均溫度，℃；tn為室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度，℃；β1，β2，β3為散熱器修正系數(shù)。

由式（1）可知，在理想條件下，各用戶供回水均溫一致即達(dá)到了用戶間的熱力平衡，而熱用戶供水溫度基本相同，則各用戶回水溫度一致即可認(rèn)為達(dá)到熱力平衡。使用回水溫度一致法，可避免流量測(cè)量的復(fù)雜性和低精度，有效提高了調(diào)控效率且降低了成本。但由于熱用戶散熱設(shè)備阻力系數(shù)和周邊采暖狀況等各不相同，因此需要通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立各用戶回水溫度修正的數(shù)據(jù)庫(kù)。

由于用戶回水溫度存在明顯的滯后性，因此二級(jí)網(wǎng)調(diào)控方式必然是定周期調(diào)節(jié)模式，調(diào)控步長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際回溫與理論回溫的偏差決定。

二級(jí)網(wǎng)熱用戶的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)會(huì)使整個(gè)二級(jí)網(wǎng)的管網(wǎng)特性發(fā)生變化：近端用戶閥門關(guān)小，管網(wǎng)阻力系數(shù)增大，但由于緩解了水力失調(diào)現(xiàn)象，整網(wǎng)流量會(huì)明顯降低，最終二級(jí)網(wǎng)循環(huán)泵降低頻率運(yùn)行即可滿足要求。一般循環(huán)泵按照設(shè)定供回水壓差的模式運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)調(diào)頻且滿足水力工況。

2.2 調(diào)控效果驗(yàn)證

二級(jí)網(wǎng)智能平衡調(diào)控效果檢驗(yàn)：（1）調(diào)控前后的能耗對(duì)比分析；（2）熱用戶回水溫度離散性分析；（3）熱用戶室溫分析。

由于調(diào)控前后室內(nèi)外平均溫度不同，為了統(tǒng)一對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)際能耗折算至供暖期室外計(jì)算溫度和同一室溫下計(jì)算，折算公式為

式中：xmax為用戶回水溫度最大值，℃；xmin為用戶回水溫度最小值，℃。

3 調(diào)控效果分析

3.1 調(diào)控前后能耗分析

3.1.1 熱耗分析

選取2020—2021 年采暖季智能調(diào)控啟用前后2 個(gè)時(shí)段的熱耗數(shù)據(jù)，并將熱耗數(shù)據(jù)折算到統(tǒng)一室內(nèi)及室外標(biāo)準(zhǔn)溫度下，再進(jìn)行對(duì)比分析。

未啟用智能調(diào)控時(shí)，供熱運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)熱力站進(jìn)行調(diào)控，用戶室溫受室外溫度波動(dòng)的影響較大，室內(nèi)均溫在21.20～25.50 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，并且用戶室溫比較離散。啟用平衡系統(tǒng)后，熱力站根據(jù)典型用戶的室溫目標(biāo)23.00 ℃進(jìn)行調(diào)控。調(diào)控結(jié)果表明，熱用戶的日均室溫波動(dòng)很小，基本在（23.00±1.00）℃范圍內(nèi)變化。本文中的室外溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng)，調(diào)控前后的室內(nèi)外溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，室內(nèi)外溫度變化曲線如圖2所示。

表1 室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical data of indoor and outdoor temperatures

圖2 日均室內(nèi)外溫度變化曲線Fig.2 Variation of daily average indoor and outdoor temperatures

熱耗數(shù)據(jù)采用該小區(qū)熱力站內(nèi)的熱計(jì)量表，圖3 和圖4 分別給出了調(diào)控前后的單位面積熱耗以及折算至采暖期室外計(jì)算溫度和相同室溫下的單位平米熱耗統(tǒng)計(jì)。

圖3 單位面積熱耗Fig.3 Heat consumption per unit area

圖4 折算后單位面積熱耗Fig.4 Heat consumption per unit area after conversion

經(jīng)有效數(shù)據(jù)計(jì)算，時(shí)段1 熱耗指標(biāo)為2.95 MJ/（m2·d）即34 W/m2，時(shí)段2 熱耗指標(biāo)為2.82 MJ/（m2·d），利用耗熱量折算公式（2），調(diào)控前折算耗熱量為3.27 MJ/（m2·d），調(diào)控后折算耗熱量為2.82 MJ/（m2·d），調(diào)控后熱耗降低14%。

3.1.2 電耗分析

供熱二級(jí)網(wǎng)總循環(huán)流量直接影響熱力站耗電量，圖5 和圖6 分別給出了智能調(diào)控前后的循環(huán)水泵頻率曲線和供回水溫差曲線。由圖可知，循環(huán)水泵頻率由50 Hz 降低到46 Hz，供回水溫差由8 ℃上升到11 ℃，說(shuō)明二級(jí)網(wǎng)水力失調(diào)得到了有效緩解，減小了運(yùn)行流量，實(shí)現(xiàn)“小流量、大溫差”的智能運(yùn)行模式，循環(huán)泵頻率隨之降低，節(jié)省了熱力站的電耗。

圖5 循環(huán)泵頻率曲線Fig.5 Curve of the circulating pump frequency

圖6 供回水溫差曲線Fig.6 Curve of the supply and return water temperature

根據(jù)熱力站電耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，本采暖季調(diào)控前（時(shí)段1）日均電耗為0.011 4 kW·h/m2，調(diào)控后（時(shí)段2）日均電耗為0.008 8 kW·h/m2，電耗下降23%，節(jié)電量效果顯著。

3.2 熱用戶回水溫度離散性分析

從上位機(jī)軟件抽取調(diào)控前后2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的換熱機(jī)組回水溫度及部分熱用戶回水溫度，并對(duì)熱用戶回水溫度離散性進(jìn)行分析。圖7 和圖8 分別為2020年12 月8 日19∶00（調(diào)控前）與12 月23 日19∶00（調(diào)控后）各用戶回水溫度散點(diǎn)。由圖可知，機(jī)組平均回水溫度為39.04 ℃，調(diào)控前的用戶回水溫度離散度較大，最高回溫為44.00 ℃，最低為34.50 ℃，極差為9.50 ℃。智能調(diào)控后，熱用戶回水溫度的離散度明顯減小，大部分回水溫度與換熱機(jī)組平均回水溫度接近。用戶回溫最高值為41.00 ℃，最低值為37.50 ℃左右，極差為3.50 ℃。在智能調(diào)控的過(guò)程中，大部分近端用戶的智能閥開度逐步減小，回水溫度逐漸降低，最終在低開度保持穩(wěn)定。遠(yuǎn)端用戶在調(diào)控前期，流量不足，回水溫度低于換熱機(jī)組平均回水溫度，智能閥處于全開狀態(tài)。調(diào)控后，遠(yuǎn)端用戶的回水溫度較調(diào)控前明顯上升，逐漸與換熱機(jī)組平均回水溫度趨于一致。

圖7 12月8日19∶00熱用戶回水溫度散點(diǎn)Fig.7 Discrete points of the heat user's return water temperature at 19∶00 on December 8th

圖8 12月23日19∶00熱用戶回水溫度散點(diǎn)Fig.8 Discrete points of the heat user's return water temperature at 19∶00 on December 23rd

對(duì)該小區(qū)用戶回水溫度利用公式（3），（4）計(jì)算，得到調(diào)控前后用戶回水溫度標(biāo)準(zhǔn)差和極差，見表2。由表2 可知，開啟智能平衡后，熱用戶回水溫度的離散性明顯降低，說(shuō)明各用戶水力失調(diào)問(wèn)題明顯改善。

表2 熱用戶回水溫度標(biāo)準(zhǔn)差和極差Table 2 Standard deviation and range of the heat user's return water temperature

3.3 熱用戶室溫分析

為分析調(diào)控過(guò)程對(duì)用戶室溫的影響，隨機(jī)抽取了3 戶室溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。圖9 給出了抽取樣本的室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)：調(diào)控前熱用戶室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，調(diào)控后室內(nèi)溫度波動(dòng)較小并逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明二級(jí)網(wǎng)平衡調(diào)控策略發(fā)揮了明顯的作用。

圖9 室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)分析（2020）Fig.9 Dynamic analysis on the indoor temperature in 2020

通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)熱用戶室內(nèi)溫度進(jìn)行了抽樣調(diào)查，熱用戶室溫達(dá)標(biāo)率均為99%以上，如圖10所示，說(shuō)明啟用智能平衡在節(jié)能降耗的同時(shí)，并未對(duì)供熱質(zhì)量造成影響。

圖10 12月23日室內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì)Fig.10 Indoor temperatures on December 23rd

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

由本文3.1 小節(jié)的能耗分析可知，整個(gè)采暖季按121 d 計(jì)算；節(jié)能量根據(jù)能源折標(biāo)系數(shù)折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，則節(jié)能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 各類能源折算標(biāo)煤量Table 3 Standard coal equivalent of various energy sources after conversion

由表3 可知，整個(gè)采暖季預(yù)計(jì)節(jié)電量20 062.40 kW·h，節(jié)熱量3 472.30 GJ，總節(jié)能量折合標(biāo)煤124.79 t，減少CO2排放量308.23 t。

天然氣熱值一般為35 998 325.66 J/m3，則節(jié)熱量對(duì)應(yīng)節(jié)省天然氣96 132.3 m3；天然氣單價(jià)2.31元/m3，則節(jié)約燃料成本22.21 萬(wàn)元；電費(fèi)單價(jià)0.89元/（kW·h），節(jié)約電量成本1.79萬(wàn)元；整個(gè)采暖季節(jié)能收益為23.90 萬(wàn)元。本項(xiàng)目投入資金110.00 萬(wàn)元，投資回收期4.6 a。

4 結(jié)論

對(duì)小區(qū)二級(jí)管網(wǎng)的水力平衡系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造后，消除了水力失調(diào)及冷熱不均，日均室溫與室溫目標(biāo)設(shè)定值接近且波動(dòng)幅度減少，室溫達(dá)標(biāo)率99%以上，供熱質(zhì)量明顯提高。在保障熱用戶采暖熱舒適度的前提下，實(shí)現(xiàn)了按需供熱、精準(zhǔn)供熱。與啟用智能調(diào)控系統(tǒng)前相比，熱耗降低14%，電耗降低23%，節(jié)能效果顯著。