集中供熱的智能化系統(tǒng)研究

王金星WANG Jin-xing

（河北工大科雅能源科技股份有限公司，石家莊 050000）

0 引言

城市供暖作為當前能源消耗的重要一部分，優(yōu)化供熱系統(tǒng)以實現(xiàn)供熱節(jié)能顯得尤為重要。但是在傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)中，由于技術和設備的限制，導致很難滿足節(jié)能要求，也使得集中供熱系統(tǒng)運行效率低下，為此，想要充分擺脫這一困境，人們必須重視智能化技術在集中供熱系統(tǒng)設計中的運用，構建全新的集中供熱自動化系統(tǒng)，提高智能控制水平。

1 集中供熱系統(tǒng)智能化改造的重要意義

1.1 實現(xiàn)供熱負荷預測

在集中供熱系統(tǒng)運行中，對系統(tǒng)負荷影響的因素比較多，例如室內室外溫差、建筑結構、建筑種類、管網參數(shù)以及實際供熱負荷等，并且每一種因素之間都不存在線性關系，一些甚至很難有效預測，比如天氣變化無常以及管網突然故障等等。就現(xiàn)階段而言，當前關于集中供熱系統(tǒng)的負荷預報，通常都是使用傳統(tǒng)預報方法和經驗分析，包括知識平滑方法、回歸式反洗方法以及時間序列分析等。而以往的預報方式要求給出由各種影響因素所構成的地熱供暖負荷預測模型。但隨著集中供熱體系日趨復雜化，其中的非線性變動影響因素和時間變性并存，而除去有關供暖負荷的歷史數(shù)據之外，在實際建模時也需要大量的歷史數(shù)據支持，包括太陽輻射系數(shù)以及環(huán)境溫度變化等，因此很難保證其完整性，有些時候甚至無法進行合理評價。所以，預測模型的精確程度將無法獲得合理提高。若結合了以上因素，也使得以往的供熱負荷預測方式無法滿足現(xiàn)代化需求，而通過智能化系統(tǒng)的設計，能夠有效解決這一困境，實現(xiàn)精準的供熱負荷預測功能，也滿足現(xiàn)代化集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展需求。

1.2 滿足集中供熱系統(tǒng)優(yōu)化調度

對于傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)來說，在調度優(yōu)化中主要包括搜索算法、枚舉法和啟發(fā)式計算方法。集中供熱系統(tǒng)調度優(yōu)化是一項復雜的問題，如果通過傳統(tǒng)的搜索算法，那么也會引發(fā)更加復雜的問題，使收斂速度降低，影響集中供熱系統(tǒng)運行效率，此外，由于非線性最優(yōu)化的方法是單點搜索，容易陷入局部最優(yōu)解，從而很難得到全局最優(yōu)解。所以，通過集中供熱系統(tǒng)智能化系統(tǒng)設計，也可以有效解決這一問題，通過遺傳算法的引入，利用隨機化技術指導編碼參數(shù)的高效搜索，與其他算法相比具有良好的應用優(yōu)勢，能夠全面實現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)調度優(yōu)化的目標。

2 集中供熱系統(tǒng)存在的問題

2.1 鍋爐運行效率不高，污染排放量較大

鍋爐系統(tǒng)是集中供熱系統(tǒng)中的重要組成部分，但是在以往的鍋爐系統(tǒng)設計中，經常存在設計不合理的現(xiàn)象，也有部分鍋爐系統(tǒng)存在運行控制精確度不足的現(xiàn)象，進而造成鍋爐運行過程中能源消耗較大，產生的污染排放也比較大，不僅浪費大量的能源，也會引發(fā)嚴重的污染。為此，這一問題也逐漸成為新時期集中供熱系統(tǒng)研究中的熱點話題。從以往的集中供熱系統(tǒng)來看，大部分集中供熱單位所使用的鍋爐都是燃煤鍋爐，而這種類型的鍋爐最大缺陷就在于鍋爐運行效率不高，而且會帶來嚴重的污染?，F(xiàn)階段，在我國煤氣改造理念的推動下，煤改電和煤改氣工程的不斷完善，也取代了傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，逐步采用電鍋爐和燃氣鍋爐。以電鍋爐為例，其主要是通過電力能源的轉化來達到高效供熱效果，但是作為二次能源，將污染源由鍋爐轉移到電廠，也會引發(fā)一定的環(huán)境問題。此外，能源的綜合利用效率也要結合實際工程分析進行設定。燃氣鍋爐的效率要高于燃煤鍋爐，但是我國現(xiàn)階段集中供熱系統(tǒng)中的燃氣鍋爐運用中，許多燃氣鍋爐的應用效率沒有得到有效發(fā)揮。

①鍋爐運行中受到外部因素的影響，導致鍋爐運行效率始終無法有效提升；②鍋爐內部結構設計不合理，使燃料無法得到充分燃燒，引發(fā)能源浪費與環(huán)境污染；③排煙濃度較高，高溫煙氣排放也將大量熱量消散，使鍋爐供熱效率大大減弱。

2.2 自動節(jié)能效果不高

在新時代的集中供熱系統(tǒng)中，自動控制系統(tǒng)是重要的組成部分，同時也是系統(tǒng)中成本消耗最大的部分，所有自動化設備的有效運用，不僅能夠準確地實現(xiàn)信息傳遞，同時還可以滿足遠程控制需求，對換熱站實行管控和調度功能，從而合理化分配熱源，達到能源充分利用的目的。但是結合我國當前的集中供熱自動化系統(tǒng)來看，依然存在許多問題，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

①集中供熱自動化系統(tǒng)中換熱站在日常運行中很難實現(xiàn)對熱量數(shù)據與熱源產生數(shù)據有效對接；

②熱量傳輸過程中會受到控制阻礙，導致熱量無法高效輸送到熱力站，也很難達到用戶控制效果；

③在集中供熱系統(tǒng)工作時，最經常出現(xiàn)的問題便是溫度水利失調現(xiàn)象，但由于這一問題大多是由供暖管道產生的，要徹底解決具有相當困難，而同時在供暖系統(tǒng)內部所使用的溫度調控裝置又沒有合理性，導致整個工作系統(tǒng)都很難對室內外的氣溫數(shù)值進行合理調節(jié)，并由此造成了大量的熱能散失。

2.3 供熱管網熱能損失嚴重

集中供熱系統(tǒng)常見問題便是能源損耗，引發(fā)這一問題的主要因素是熱管網中的熱能損失嚴重，從而導致供熱系統(tǒng)的熱輸送效率無法滿足預期供熱目標，也影響集中供熱系統(tǒng)節(jié)能效果。而引發(fā)這一問題的因素包括以下幾種：

①供熱管網缺乏城市供熱系統(tǒng)合理規(guī)劃，導致管網長時間使用無法有效維護，經常出現(xiàn)管網破損等問題；

②管網安裝設置環(huán)節(jié)中，由于施工人員的疏忽引發(fā)管網泄露等問題，大大降低了管網熱輸送效率，從而給集中供熱企業(yè)帶來較大的損失。

3 集中供熱系統(tǒng)的智能化設計和實現(xiàn)

3.1 集中供熱智能化監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1.1 DCS電控柜硬件設計

圖2為集中供熱系統(tǒng)智能監(jiān)控拓撲圖，在DCS電控柜的一次管網和二次管網安裝中，合理設計溫度傳感器、過濾器、壓力變送器、流量計、補水閥變頻器、循環(huán)泵等控制系統(tǒng)與監(jiān)視設備。在DCS監(jiān)控柜的設計中，還要融入可編程PLC控制裝置、不間斷UPS裝置、無線傳輸模塊、變壓器、數(shù)據采集系統(tǒng)以及觸摸屏，通過可編程PLC總線和無線傳輸模塊連接，利用數(shù)據采集器傳輸數(shù)據，將觸摸屏與可編程邏輯控制器相連。工業(yè)用數(shù)據采集器和現(xiàn)場傳感器進行有效連接，無線數(shù)據遠程傳輸模塊將信號傳輸?shù)娇刂浦行?，變壓器和UPS為系統(tǒng)提供電能。通過補水泵和循環(huán)的變頻控制系統(tǒng)設計，達到良好的智能控制效果?？刂崎y門開度完成二次供水溫度調節(jié)，并且利用變頻器調節(jié)實現(xiàn)二次回水的壓力與壓差調節(jié)。

圖2 集中供暖溫度監(jiān)測系統(tǒng)詳細拓撲圖

3.1.2 通信協(xié)議和程序設計

供熱管線的智能監(jiān)測控制系統(tǒng)方案設計中，必須設計通訊網絡、可編程控制器設備和管理信息等一些關鍵部分。在數(shù)據通信網絡中，利用五G通信模塊實現(xiàn)撥號，從而得到隨機分配的IP地址，并通過數(shù)據中心IP和端口向大規(guī)模數(shù)據中心發(fā)送通訊申請，從而形成了良好的通訊聯(lián)系。當DTU接收到熱供控制器中的數(shù)據后，將數(shù)據到TCP/UDP內，當接收到遠程傳送的數(shù)據串碼后，還可利用串口將數(shù)據發(fā)送至可程序化控制器中，從而進行了良好的數(shù)據處理，如圖1所示。

圖1 PLC控制流程

3.1.3 模糊PID控制技術

結合動態(tài)集中供熱系統(tǒng)的設計來說，針對其具有的滯后性、耦合性以及時變性特征，需要構建Fuzzy-PID控制系統(tǒng)，從而為系統(tǒng)提供供水恒溫輸出功能。通過該控制系統(tǒng)的設計，能夠對熱網二次供水溫度進行實時調節(jié)，通過人工設定控制器溫度，利用實際語言變成的模糊法則，輸出PID控制參數(shù)，達到二次供水溫度控制的作用。

3.1.4 溫度補償調節(jié)技術

當室外溫度產生較大變化時，集中供熱系統(tǒng)的供熱量大于需求后，很容易產生供熱能源浪費。為此，通過智能化技術的運用，開展聯(lián)合遠程控制和現(xiàn)場溫度補償控制系統(tǒng)的設計，結合溫度補償器反饋來實現(xiàn)熱負荷調節(jié)，熱電廠基于熱負荷預估反饋，建立供熱面積與實時供水的數(shù)學模型，從而實現(xiàn)智能化供暖狀態(tài)。集中供熱調節(jié)的基本公式是：q=（tn-tw）/（tn-tw’）=g（tg-th）/（tg’-th’）=（tg+th-2tn）1+b/（tg’+th’-2tn）1+b

式中tn——供暖室內計算溫度，℃；tw——供暖室外某一溫度，℃；Tw’——供暖室外計算溫度，℃。

3.1.5 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于Kingview組態(tài)軟件，對多個二級熱力站進行實時監(jiān)控，在主界面設計多個換熱站的集中顯示界面，在子界面設計各個換熱站的熱網回路，監(jiān)測熱網回路中一次供水溫度、二次供水溫度、閥門開度、循環(huán)泵壓力、補水泵壓力等指標。各換熱站的子界面監(jiān)控系統(tǒng)雖內容相似但相互獨立，子界面監(jiān)控系統(tǒng)集成到主界面監(jiān)控系統(tǒng)中。根據結構化設計思想，該系統(tǒng)設計成一個清晰的層次結構，組成相對獨立的單位，盡量避免彼此之間共享信息，從而達到良好的集中化供熱智能化管理目標。

3.2 智能化技術應用

在互聯(lián)網+時代的推動下，智慧能源也得到了各個領域的廣泛關注，而智慧供暖也成為了當代集中供熱系統(tǒng)建設的重要發(fā)展方向。智慧供暖的核心在于實現(xiàn)自動化技術的有效融合，通過管網系統(tǒng)以及采集熱源數(shù)據的采集，利用自動化系統(tǒng)作出準確預判，下達命令完成多系統(tǒng)聯(lián)動控制效果，充分展現(xiàn)出系統(tǒng)運行的經濟系與穩(wěn)定性。優(yōu)化集中供熱系統(tǒng)的運行方式，也能夠滿足熱力平衡和水力平衡的系統(tǒng)需求，降低能源消耗，為用戶帶來舒適的供暖體驗，也能夠提高供暖企業(yè)經濟收益。所以，通過智能化技術的引入也可以確保供熱體系中多方受益。此外，隨著計算機技術與信息化技術的全面發(fā)展，計算機監(jiān)控系統(tǒng)保持著較高的自動化程度，能夠大大節(jié)約集中供熱系統(tǒng)的勞動生產率與熱效率，所以在集中供熱系統(tǒng)中也實現(xiàn)廣泛運用，進一步提升了集中供熱系統(tǒng)的運行效率，設定相應的計算機監(jiān)控體系對鍋爐運行進行實時監(jiān)管，結合具體情況，對整個集中供熱系統(tǒng)計算機監(jiān)控體系實現(xiàn)合理化設計，通過集散式監(jiān)控模式和中央集中監(jiān)控模式的靈活運用，降低系統(tǒng)故障率，提高智能化監(jiān)控水平。

3.3 減排技術的開發(fā)和應用

在我國節(jié)能減排理念的推動下，也要做好集中供熱系統(tǒng)的全面改革。眾所周知，每年集中供熱系統(tǒng)運行產生的污染和能源消耗巨大，因此，開展集中供熱系統(tǒng)的減排和降耗也成為重要的研究方向。集中供熱行業(yè)作為民生工程項目，要深入研究節(jié)能減排供暖技術，在工藝水平符合實際要求的基礎上，實現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)內部設備進行智能化改造，利用最新節(jié)能降耗措施，減少鍋爐煙氣排放量，設計智能化除塵、降氮和脫硫脫硝系統(tǒng)，科學化地降低煙氣排放量，有效減少能源浪費，符合集中供熱系統(tǒng)節(jié)能減排的設計要求。通過變頻技術的應用，集中供熱系統(tǒng)的調節(jié)運行過程中，泵與風機等設備所消耗的電能較大，其變頻控制技術的使用可帶來顯著的節(jié)能效果，同時還可以在很大程度上提高供熱質量，滿足用戶的供熱需求。尤其是分布式變頻循環(huán)泵的使用，不僅可以提高水力平衡度，滿足均衡供熱需求，還可以提高效率，降低管網輸送能耗，有效實現(xiàn)節(jié)能減排。由流體力學相關知識可知：

其中n1和n2分別代表機械轉速，G1和G2代表流體實際流量，H1和H2表示流體壓力值；P1和P2表示電機功率。由上式看出，相似工況下的水泵或風機滿足相似定律，其轉速和流量之間成正比，輸出功率分別和流量與轉速的立方成正比。通過引進變頻設施，可以有效地實現(xiàn)整個集中供熱系統(tǒng)的調速節(jié)電運行目標，尤其是在風機的運行方面所產生的節(jié)電效果最為顯著。

3.4 分布式智能供熱系統(tǒng)

集中供熱系統(tǒng)作為一個結構復雜、規(guī)模宏大、目標多樣的系統(tǒng)，在智能化設計中還要充分遵循大系統(tǒng)理論思路，將系統(tǒng)的總體功能與目標結合一定關系分配到各子系統(tǒng)中，所有子系統(tǒng)都設置獨立控制裝置，并且具備獨立決策能力，將大系統(tǒng)功能和目標分解，各子系統(tǒng)復雜性比整合系統(tǒng)復雜性小，容易實現(xiàn)自身最優(yōu)化，并且實現(xiàn)良好的協(xié)調，取得系統(tǒng)全局優(yōu)化設計的效果。在整套系統(tǒng)的設計思路中，應用大系統(tǒng)理論，能夠結合不同的系統(tǒng)結構，設計出各自的控制方法與方向，對集中供熱系統(tǒng)進行階梯化結構設計，通過把大系統(tǒng)分解成單獨的子系統(tǒng)，以確保各系統(tǒng)之間共同管理信息，并通過為上級系統(tǒng)設計協(xié)調處理信息的自動管理功能，進行上下級信息交流，并且取得子系統(tǒng)優(yōu)勢的基礎上，以確保大系統(tǒng)中獲得最優(yōu)值。集中供熱系統(tǒng)由熱源用戶、熱管網和提供熱源所組成，提供熱源為一次網系統(tǒng)，由熱力所組成，對集中供熱系統(tǒng)而言，一般包括次管網系統(tǒng)和熱力站，用戶端則是二次網系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)在整個集中供熱體系中又具有幾個子系統(tǒng)，一次管網與二次網之間直接通過熱力站連接，熱力站的功能可以滿足供暖需要，同時熱力站之間彼此獨立，相互間影響能夠基于一次網合理調度來實現(xiàn)。所以，在進行整個供熱系統(tǒng)方案設計中，可以通過熱力站作為調節(jié)系統(tǒng)，確保集中供熱系統(tǒng)建模結構簡化，達到分布式智能供熱效果。

4 結束語

綜上所述，集中供熱系統(tǒng)作為北方地區(qū)重要的民生工程，給人們的生活和城市發(fā)展都帶來重要的保障。為此，文章主要從集中供熱系統(tǒng)智能化改造的意義入手，分析了當前我國集中供熱系統(tǒng)中存在的典型問題，對供熱系統(tǒng)鍋爐運行效率不高、污染排放量較大、自動節(jié)能效果不理想、供熱管網熱能損失嚴重等幾個問題進行了深入討論，并對此研究出全新的智能化集中供熱系統(tǒng)，利用智能監(jiān)控技術、節(jié)能減排理念以及分布式智能供熱技術，解決傳統(tǒng)集中供熱中存在的各類問題，也符合新時期的供熱系統(tǒng)運行要求，滿足我國供熱工程的健康發(fā)展。