集中供熱智能改造技術(shù)路線的研究分析

李 志， 徐海鵬， 王啟業(yè)， 夏 明

（杭州華電能源工程有限公司， 浙江 杭州 310030）

0 引言

我國秦嶺淮河一線以北地區(qū)普遍實行冬季集中供暖政策，隨著城鎮(zhèn)化的逐步推進，分散式供暖規(guī)模逐漸減小，取而代之的是大型集中式供暖。 加之社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們環(huán)保意識逐漸增強，熱源的環(huán)保改造也越發(fā)顯得重要起來。 這些因素推動大型供熱管網(wǎng)的建設(shè)成為主流，隨著管網(wǎng)規(guī)模逐漸增大，熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)工作也越發(fā)變的困難，要保證居民供熱質(zhì)量、要智能化調(diào)節(jié)供熱參數(shù)、要信息化處理運行數(shù)據(jù)、要時刻保持熱力處于平衡可控狀態(tài)，傳統(tǒng)的集中供熱管理模式與運行控制策略已經(jīng)很難適應這種要求，急需進行技術(shù)改造，提升熱網(wǎng)系統(tǒng)的智能化水平。

行業(yè)內(nèi)的研究人員對智能化熱網(wǎng)開展了一系列研究，從多個角度提出了自己的思路。國海龍?zhí)岢鲆环N整合集控系統(tǒng)、模擬仿真軟件、調(diào)節(jié)軟件與一體的集成創(chuàng)新方案， 在一套系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)對城市熱網(wǎng)的智能化管理與運行控制，提高了工作效率[1]。 王建軍等[2]通過研究提出了以供暖特性系數(shù)R 作為熱網(wǎng)調(diào)節(jié)依據(jù)， 充分考慮了建筑物和光照、風速的影響，比傳統(tǒng)的固定溫度補償方法更精確。馬曉曉等[3]則對二級熱力站進行了優(yōu)化設(shè)計，從熱力站的合理規(guī)模、熱力站的生產(chǎn)安裝方式、設(shè)備與管道及附件的優(yōu)化選型三個方面進行了論證，提出了自己的見解。

由于智能供熱的推廣與普及， 使得傳統(tǒng)的熱網(wǎng)調(diào)控方式不能很好的適應新形勢下的供熱需求， 因此對集中供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化改造是很有必要的。 目前比較突出的一個問題是傳統(tǒng)的調(diào)控策略是在熱網(wǎng)首站和二級熱力站統(tǒng)一調(diào)整供回水溫度，而用戶只能被動的接受；而集中供熱管網(wǎng)智能化、智慧化改造后，用戶可根據(jù)自身需求自主調(diào)整供暖效果， 比如城市郊區(qū)居民與城市中心居民對供熱的需求不一致， 屋內(nèi)常年有人居住的供暖用戶與夜晚才有供暖需求的打工族用戶對供熱的需求不一致， 房間朝向、生活習慣、體感溫度等各類因素也會造成供暖用戶的需求不一致， 種種原因造成智能化集中供熱管網(wǎng)熱負荷需求波動頻繁、管網(wǎng)各處熱負荷需求呈現(xiàn)較大差異。 本文將通過對集中供熱所涉及的各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計，以期實現(xiàn)源網(wǎng)聯(lián)動調(diào)節(jié)、優(yōu)化熱網(wǎng)調(diào)度、實時平衡管網(wǎng)熱力工況、迅速有效精確地滿足用戶的用熱需求，為集中供熱智能化、智慧化發(fā)展提供一種可行的技術(shù)改造路線。

1 熱源側(cè)改造技術(shù)分析

集中供熱的熱源主要有熱電聯(lián)產(chǎn)機組， 分散式鍋爐等。 熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱能力提升改造成熟的技術(shù)路線有高背壓改造、吸收式熱泵改造、新型凝抽背改造等[4]，燃煤燃氣鍋爐用于集中供熱的方式已逐步邊緣化， 一般僅作為高峰期熱源補充使用，且多采用燃氣鍋爐。

1.1 高背壓改造

汽輪機側(cè)低壓缸采用雙轉(zhuǎn)子互換奇數(shù)， 即采暖供熱期使用動靜葉片級數(shù)相對減少的低壓轉(zhuǎn)子， 非采暖期換回純凝工況下配備低壓轉(zhuǎn)子， 采暖期凝汽器和非采暖期凝汽器背壓不同。 主要優(yōu)點：余熱能全部利用，經(jīng)濟效益較好，國內(nèi)應用相對較成熟。 缺點是投資較大，機組靈活性較差，以熱定電運行方式導致機組調(diào)峰能力差，此外每年需要停機兩次更換轉(zhuǎn)子，檢修維護工作量較大。

1.2 吸收式熱泵改造

吸收式熱泵運用低壓蒸汽可以把低溫熱源的熱量提高到中溫，熱泵主要優(yōu)點是運行方式簡單靈活，不需以熱定電運行，對機組出力影響小，增加了一個熱源點，對供熱安全性有提升。 缺點是需新建廠房，占地面積較大，投資較大。

1.3 新型凝抽背供熱改造術(shù)

新型凝抽背技術(shù)將中低壓缸連通管上的液壓蝶閥更換為全密封、零泄漏的，同時加裝了一個冷卻蒸汽旁路控制系統(tǒng)，整體軸系始終同頻運轉(zhuǎn)，還可保證低壓缸長期安全運行。 主要優(yōu)點是投資少，機組靈活性較好、調(diào)峰能力強；缺點是背壓工況排汽壓力高，對機組出力影響大。

1.4 供熱鍋爐改造

用于供熱的燃煤鍋爐一般型式有鏈條爐、爐排爐、煤粉爐、流化床爐等，燃燒熱效率在60%～90%之間，環(huán)保問題比較突出，已逐步淘汰并限制使用。燃氣鍋爐采用天然氣作為燃料，自動化程度高，燃燒產(chǎn)物污染性少，不需要處理煤灰，熱效率普遍高于90%，啟動快、調(diào)節(jié)能力強，目前是供熱鍋爐的主要型式。燃油鍋爐采用燃油作為能源，優(yōu)點與燃氣鍋爐類似，但受制于我國的能源結(jié)構(gòu)，燃油鍋爐運用于供熱的場景不多。 電熱鍋爐沒有爐膛、煙道，無需處理燃燒產(chǎn)物，噪聲小、自動化程度高，制熱效率可高達98%以上，但受制于能源使用政策，一般使用在棄風棄光較多的地區(qū)。

集中供熱的熱源主要采用熱電聯(lián)產(chǎn)機組， 采用何種技術(shù)路線對熱源進行改造， 要視熱負荷和電負荷的情況而定，目前城市供熱管網(wǎng)多采用環(huán)狀管網(wǎng)型式，可以實現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)，可視熱源點所處位置選擇技術(shù)改造方式。目前熱電聯(lián)產(chǎn)機組主流型式是高背壓機組+新型凝抽背機組，由高背壓機組提供基本熱負荷，高峰熱負荷由新型凝抽背機組提供，調(diào)節(jié)方式靈活，可較好地適應當?shù)氐臒峋W(wǎng)和電網(wǎng)的調(diào)度需求。部分地區(qū)因供熱管網(wǎng)范圍較大，機組供熱能力不足，可增設(shè)分散式供熱鍋爐作為補充，一般設(shè)置燃氣鍋爐，可很好的解決深寒時期熱負荷不足的問題，相對于新建熱電聯(lián)產(chǎn)機組， 此種方式投資少、 建設(shè)周期快、運營成本可控。

2 智能供熱云平臺改造技術(shù)分析

智能供熱云平臺到底如何建設(shè)， 相關(guān)的文獻研究并不充分， 華志剛等人對智慧電廠的建設(shè)提出了數(shù)據(jù)、安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、綜合五個方面的內(nèi)容[5]，對智能熱網(wǎng)智慧化發(fā)展提供了有益的參考。 傳統(tǒng)的智能供熱平臺各系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)共享；管網(wǎng)建設(shè)的各類工程資料和運營期產(chǎn)生的文檔信息不能實現(xiàn)有效管理與實時更新；各類軟件工程老舊，已不能滿足熱力企業(yè)的精細化管理要求；平臺只能監(jiān)控熱力站的運行數(shù)據(jù)監(jiān)，尚未對熱力站實現(xiàn)視頻監(jiān)控，無法做到無人值守、遠程巡檢的工程；系統(tǒng)數(shù)據(jù)未實現(xiàn)有效備份，數(shù)據(jù)安全性與平臺安全性都不高。

綜合以上種種因素， 本文提出智能供熱云平臺應包括監(jiān)控與調(diào)度子系統(tǒng)、全網(wǎng)平衡控制子系統(tǒng)、熱網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施運維管理子系統(tǒng)、收費及客戶服務(wù)子系統(tǒng)、GIS 地理信息子系統(tǒng)。

2.1 監(jiān)控與調(diào)度子系統(tǒng)

此子系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)各熱力站的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)采集與實時傳輸， 還能遠程實時監(jiān)控換熱站的現(xiàn)場情況，可實現(xiàn)監(jiān)控圖像的矩陣切換、輪巡、多畫面處理、人員入侵報警、畫面檢索回放、現(xiàn)場設(shè)備控制和視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能?？蛇h程調(diào)節(jié)各類閥門和水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)安全穩(wěn)定高效運行，實現(xiàn)換熱站自控和無人值守。

2.2 全網(wǎng)平衡控制子系統(tǒng)

根據(jù)管網(wǎng)的實際拓撲結(jié)構(gòu)建立熱網(wǎng)模型，通過模型計算的軟測量結(jié)果與熱網(wǎng)實際運行參數(shù)的比較，指導運行調(diào)度，優(yōu)化控制策略。主主要功能有全網(wǎng)仿真模型、離線模擬計算、在線模擬計算等功能。 可以很好的解決熱網(wǎng)普遍存在的水平水力失調(diào)的問題，大大的提高了供熱質(zhì)量。

2.3 熱網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng)

建立供熱能耗不同指標的計算模型， 利用歷史數(shù)據(jù)進行水、電、熱等能耗指標的計算分析，多維度進行統(tǒng)計對比并進行可視化輸出，可實現(xiàn)定比、同比、環(huán)比等綜合對比。 此外能耗分析時能夠綜合考慮建筑特性、 室內(nèi)溫度、氣象環(huán)境、設(shè)備及管網(wǎng)特性等影響因素，評價分析更為全面客觀。 能夠?qū)Ψ治龀龅母黝惍惓Ｖ笜诵畔⑦M行報警提醒， 便于運行管理人員及時掌握情況并進行有效調(diào)節(jié)。 使用移動互聯(lián)技術(shù)，支持PC、手機等常用終端設(shè)備接受權(quán)限范圍內(nèi)的各類運行數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。

2.4 設(shè)備設(shè)施運維管理子系統(tǒng)

提供熱源、熱網(wǎng)、各級熱力站所屬設(shè)備、管道及附件的基本信息統(tǒng)計，記錄檢修及保養(yǎng)記錄并可分析，對設(shè)備維修保養(yǎng)的工作計劃提出指導性預見性的意見， 通過建立專家診斷庫， 運用數(shù)據(jù)分析模型對可能發(fā)生故障的設(shè)備提前進行預警。

2.5 收費及客戶服務(wù)子系統(tǒng)

實現(xiàn)經(jīng)營數(shù)據(jù)信息數(shù)字化和集中化管理，包括入網(wǎng)管理、用戶檔案、收費管理、發(fā)票管理等一系列功能。 實現(xiàn)報修、投訴、咨詢等工單閉環(huán)管理，通過對工單的統(tǒng)計分析，可針對性的改進客服弊端，不斷優(yōu)化服務(wù)，提高客戶滿意度。

2.6 GIS 地理信息子系統(tǒng)

直觀顯示供熱系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施狀態(tài)、管網(wǎng)走向、各類熱用戶地理分布等信息，可存儲、管理、檢索、維護和更新熱網(wǎng)管理中各類對象的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)可以與監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)、全網(wǎng)平衡控制子系統(tǒng)、熱網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng)建立實時連接， 直觀化顯示熱網(wǎng)關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，實時進行分析計算，實現(xiàn)熱網(wǎng)穩(wěn)定運行，輔助使用者高效管理熱力設(shè)施及組織生產(chǎn)。

智能供熱云平臺的建立將極大提升實現(xiàn)熱力企業(yè)管理的精細化、科學化、高效化水平?？梢詫崿F(xiàn)高效巡檢和工單閉環(huán)，對突發(fā)情況能夠做到迅速反應、有效應對；可以模型管網(wǎng)運行工況，為運行調(diào)度提供決策依據(jù)；可以為運營人員降低能耗指標指明方向；可以實現(xiàn)各類供熱設(shè)施的信息化管理，做到有賬可查、有跡可循；經(jīng)營數(shù)據(jù)信息化管理，客戶服務(wù)工單閉環(huán)管理，都將提升客戶服務(wù)滿意度；將熱力參數(shù)可視化展示，提高運維人員界面交互友好度。

3 熱網(wǎng)側(cè)改造技術(shù)分析

本文認為要實現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡和熱力平衡， 那么就要求系統(tǒng)響應迅速，熱網(wǎng)首站需要與熱源實時聯(lián)動，實時調(diào)節(jié)流量溫度等參數(shù)； 一級管網(wǎng)則應盡可能的增大供回水溫差，給調(diào)節(jié)留下較大的空間；二級熱力站既要進行信息化改造，做到實時調(diào)控，還需要嚴格選擇測點位置，保證上傳數(shù)據(jù)的準確性，為運行策略的制定提供準確依據(jù)；二級管網(wǎng)連接的入戶閥門數(shù)量眾多， 用戶調(diào)節(jié)之后會帶來水力工況的改變，需采取可靠的水力平衡措施，做好各支路的水力平衡工作?？梢姙楸ＷC供熱質(zhì)量，智能熱網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)都需采取針對性的改造升級措施， 現(xiàn)將有關(guān)技術(shù)方案簡單介紹如下。

3.1 大溫差熱泵技術(shù)

大溫差熱泵所使用的是傳統(tǒng)的單效溴化鋰吸收式熱泵， 通過與熱交換器結(jié)合來分梯次降低高溫熱網(wǎng)水的溫度。 一次側(cè)高溫熱網(wǎng)水在溴化鋰吸收式熱泵發(fā)生器里作為驅(qū)動熱源工作后，送入熱交換器降溫，再送入吸收式熱泵蒸發(fā)器降溫，經(jīng)此循環(huán)后高溫熱網(wǎng)水可降低至25℃。

一級管網(wǎng)如果供回水溫差較小， 不僅影響管網(wǎng)本身輸送熱量的能力，還會使得水泵的能耗增加，在遇到局部地區(qū)供熱需求旺盛時， 供回水溫差過小還會導致管網(wǎng)供熱能力不足，因此對于大型集中供熱管網(wǎng)，大溫差供熱很有必要。

3.2 水力平衡閥

水力平衡閥一種能夠自動調(diào)整管網(wǎng)內(nèi)壓力波動進而消除流量偏差的閥門， 可以將二次管網(wǎng)復雜的調(diào)網(wǎng)工作簡化，有效的解決水力失調(diào)問題。 水力平衡閥有靜態(tài)式、自力式、電動式，從自動化調(diào)節(jié)、經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，選用自力式壓差平衡閥較為合理， 自力式壓差平衡閥為雙瓣結(jié)構(gòu)， 能穩(wěn)定被控制系統(tǒng)壓差， 控制壓差可調(diào)比能到25∶1，不需外力驅(qū)動。 如果居民室內(nèi)廣泛采用智能溫度調(diào)節(jié)裝置， 則在二次管網(wǎng)支路裝設(shè)自力式壓差平衡閥很有必要。

4 結(jié)論

本文對集中供熱進行智能化升級改造所遇到的問題進行了分析，針對熱源、供熱云平臺、熱網(wǎng)三個環(huán)節(jié)提出了相應的改造技術(shù)路線。通過上述分析可知，應盡可能采用多熱源聯(lián)網(wǎng)的型式，各熱源可根據(jù)所處管網(wǎng)位置、機組型式、當?shù)仉娏ο到y(tǒng)情況選擇合適的改造技術(shù)路線，多熱源組合的情況下，供熱穩(wěn)定性、供熱質(zhì)量均會明顯提高；供熱云平臺則要打通傳統(tǒng)的各數(shù)據(jù)服務(wù)器相互獨立的情況，能夠做到實時監(jiān)控、無人巡檢，數(shù)據(jù)智能化、智慧化處理分析，各類工單動態(tài)跟蹤、閉環(huán)處理，業(yè)務(wù)臺賬規(guī)范化管理，客戶服務(wù)質(zhì)量有效提升等多方面內(nèi)容；熱網(wǎng)則需提升管網(wǎng)調(diào)節(jié)能力， 增大一次管網(wǎng)供回水溫差是很有必要的，二級管網(wǎng)則需要做好各支路的水力平衡工作。