燃?xì)忮仩t的節(jié)能運(yùn)行及效益分析

王 朝

（太原熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司第五供熱分公司， 山西 太原 030013）

引言

為積極響應(yīng)當(dāng)前我國(guó)綠色發(fā)展、節(jié)能高效發(fā)展的政策，在集中供暖行業(yè)中，針對(duì)傳統(tǒng)燃煤鍋爐污染嚴(yán)重、效率低以及資源成本高等存在的問題已經(jīng)逐漸被燃?xì)忮仩t替代。在實(shí)際供熱中，由于環(huán)境因素的變化，包括有室外溫度、供水管路的壓力、流量以及光照強(qiáng)度的變化，用戶對(duì)供熱的需求量是處于時(shí)刻變化。也就是說(shuō)，用戶對(duì)供熱管網(wǎng)的熱量需求是處于變化，當(dāng)實(shí)際供熱量大于需求熱量時(shí)，會(huì)造成多余熱量的損失；而實(shí)際供熱量小于需求量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致供熱不足[1]。因此，對(duì)燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并基于可靠的控制策略達(dá)到預(yù)期的供熱熱量值是十分有必要，最終達(dá)到節(jié)能供熱的目的。本文將重點(diǎn)對(duì)燃?xì)忮仩t的節(jié)能供熱展開研究，并對(duì)其效益進(jìn)行分析。

1 燃?xì)忮仩t供熱過(guò)程分析

一般情況下，燃?xì)忮仩t的供熱流程如圖1 所示。

如圖1 所示，燃?xì)鉄崴仩t開機(jī)后將其中的水加熱到一定溫度后通過(guò)一次供水管網(wǎng)通過(guò)換熱站與二次供水管網(wǎng)中的循環(huán)水進(jìn)行換熱，經(jīng)換熱后的水源進(jìn)入熱用戶中。一般情況，一次供水管網(wǎng)中水的溫度不超過(guò)85 ℃；而且，在供熱過(guò)程中還需對(duì)一次、二次供熱管網(wǎng)中的溫度、壓力以及流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為換熱鍋爐是否需要調(diào)節(jié)供水中的熱量、流量以及溫度等參數(shù)提供支撐[2]。

從功能上，可將燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)分為燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)、助燃風(fēng)控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓補(bǔ)水系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)以及點(diǎn)火系統(tǒng)。其中，燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)、助燃風(fēng)控制系統(tǒng)組成的燃燒控制系統(tǒng)主要是對(duì)一次供水管網(wǎng)中水溫進(jìn)行控制；穩(wěn)壓補(bǔ)水系統(tǒng)是根據(jù)對(duì)供熱管網(wǎng)中的壓力進(jìn)行控制，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定；流量控制系統(tǒng)為對(duì)供熱管網(wǎng)中出水的流量進(jìn)行控制[3]。

從理論上講，管網(wǎng)的出水溫度與燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)的進(jìn)氣量、鼓風(fēng)量?jī)身?xiàng)參數(shù)相關(guān)，三者之間的函數(shù)關(guān)系下式所示：

式中：y1（k）為燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)一次管網(wǎng)的出水溫度；u1（k）為燃?xì)忮仩t的進(jìn)氣量；u2（k）為燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的鼓風(fēng)量。上述燃燒系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型將為后續(xù)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

2 燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷預(yù)測(cè)與模糊PID 控制

本節(jié)將在對(duì)燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)模糊PID 控制器根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)氣量、鼓風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制，保證熱量的實(shí)際需求量與燃?xì)忮仩t的實(shí)際熱量相匹配。

2.1 燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)對(duì)調(diào)節(jié)鍋爐出水溫度具有重要意義；實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐熱負(fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，可提前對(duì)燃?xì)忮仩t的進(jìn)氣量和鼓風(fēng)量進(jìn)行提前控制，從而解決了供熱溫度過(guò)高或者過(guò)低的問題，降低了熱能的損失、燃?xì)獾睦速M(fèi)且還保證了供熱效果[4]。鑒于燃?xì)忮仩t的熱負(fù)荷呈現(xiàn)非線性、時(shí)滯性以及熱慣性的特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型存在一定的難度；因此，在以往對(duì)燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷預(yù)測(cè)均是依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際的偏差太大，最終影響供熱系統(tǒng)所提供的熱量與實(shí)際需求的熱量不相匹配。

對(duì)于燃?xì)忮仩t的熱負(fù)荷預(yù)測(cè)而言，可根據(jù)預(yù)測(cè)周期分為短期熱負(fù)荷預(yù)測(cè)、中期熱負(fù)荷預(yù)測(cè)以及長(zhǎng)期熱負(fù)荷預(yù)測(cè)。其中，根據(jù)短期熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果可對(duì)24 h 內(nèi)的供熱量進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)供熱量與需求熱量的相互匹配；根據(jù)中期熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)為供熱公司制定生產(chǎn)維修技術(shù)、人員調(diào)度計(jì)劃等提供支撐；長(zhǎng)期熱負(fù)荷預(yù)測(cè)主要為供熱公司對(duì)城市的供熱規(guī)劃優(yōu)化提供支撐。

本文將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)，根據(jù)燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)所存在的復(fù)雜非線性、時(shí)變性以及不確定性確定適用熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元，并對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)初試權(quán)值以及學(xué)習(xí)率進(jìn)行選擇[5]。具體選擇結(jié)果如下：將適用于熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的激活函數(shù)選用Sigmoid 函數(shù)；對(duì)應(yīng)的將初試權(quán)值確定在（-10，10）之間，將學(xué)習(xí)率確定在（0.1，0.7）之間；在此設(shè)置基礎(chǔ)上，選取90 組實(shí)際供暖期間現(xiàn)場(chǎng)所采集到室外溫度、管網(wǎng)流量以及出水溫度的數(shù)值進(jìn)行訓(xùn)練，而后基于剩余10 組的數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的差距，對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 中，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)之間吻合性較高，即基于上述所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型可對(duì)燃?xì)忮仩t熱負(fù)荷進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

2.2 燃?xì)忮仩t模糊PID 控制

目前，燃?xì)忮仩t控制采用PID 控制器實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中存在控制效率低、節(jié)能效果差以及動(dòng)靜態(tài)性能不佳的問題。因此，本文將采用模糊PID 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)忮仩t的控制。模糊PID 控制器的主要控制依據(jù)為燃?xì)忮仩t的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)結(jié)果，根據(jù)所設(shè)計(jì)的模糊PID 控制器重點(diǎn)對(duì)燃?xì)膺M(jìn)氣量和鼓風(fēng)量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)忮仩t的實(shí)時(shí)控制，保證供熱量與需熱量相匹配。

根據(jù)燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)和模糊算法的模糊控制規(guī)則對(duì)PID 控制器的積分、微分以及比例參數(shù)進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的調(diào)整；首先，設(shè)定模糊PID 控制器的誤差e 和ec 的范圍為（-6，6），控制量的范圍為（-10，10）。模糊PID 控制器是模糊控制算法與PID控制相結(jié)合的控制器，對(duì)應(yīng)的模型如圖3 所示。

圖3 下半部分為PID 控制器的模型，上半部分為模糊算法對(duì)應(yīng)的模型，整體組合為模糊PID 控制器的模型。根據(jù)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果，將出水溫度設(shè)定為60℃為最佳，分別對(duì)基于PID 和模糊PID 控制的控制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 中，基于模糊PID 控制在50 s 后可達(dá)到60℃，并通過(guò)80 s 的調(diào)整時(shí)間后，出水溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量為2%；而基于PID 控制在60 s 后才可達(dá)到60℃，并通過(guò)220 s 的調(diào)整時(shí)間后，出水溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量為9%。

實(shí)踐表明，采用模糊PID 控制器后，節(jié)能率可達(dá)到26.5%。

3 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)忮仩t供熱為當(dāng)前主流的供熱系統(tǒng)，本文根據(jù)實(shí)際供熱需求和所存在的問題，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)仿真可知，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)，為燃?xì)夤嵯到y(tǒng)出水溫度的節(jié)能控制提供依據(jù)；而且，采用模糊PID 控制器較PID 控制器可更快達(dá)到預(yù)期出水溫度，超調(diào)量也低，節(jié)能率可達(dá)到26.5%。