智慧供熱系統(tǒng)低碳運(yùn)行的設(shè)計(jì)與研究*

席江濤 聶誠飛 查 波

(中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安)

0 引言

在我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展的情況下,建筑建造和運(yùn)營階段所產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)占據(jù)全國總碳排放量的40%～50%[1];區(qū)域供暖系統(tǒng)作為我國北方城市冬季主要的供暖基礎(chǔ)設(shè)施,成為建筑運(yùn)營階段主要的能源消耗和碳排放來源之一。目前該系統(tǒng)的運(yùn)行由于控制策略落后、系統(tǒng)老舊、滯后時(shí)間長和內(nèi)部關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn),容易存在水力失衡、冷熱不均、調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間長、能源浪費(fèi)和碳排放增加等問題;在動(dòng)力集中設(shè)置的情況下,水力失衡的主要原因在于輸配管網(wǎng)中連接到各末端用戶的管道或設(shè)備內(nèi)剩余壓頭沒有消除,產(chǎn)生了冷熱不均的現(xiàn)象。《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》[2]明確要求老舊城市供熱管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能低碳要持續(xù)性改造,提升系統(tǒng)的智能化管理運(yùn)行水平。同時(shí),國家和地區(qū)層面也十分關(guān)注大數(shù)據(jù)、人工智能和建模仿真等技術(shù)在供暖系統(tǒng)中的創(chuàng)新性應(yīng)用,運(yùn)用先進(jìn)控制技術(shù)按需精準(zhǔn)調(diào)控[3],建立新一代的智慧供熱系統(tǒng)。

因此,為了解決上述問題,在進(jìn)行老舊小區(qū)改造和新建社區(qū)建造的設(shè)計(jì)階段,針對(duì)區(qū)域供暖系統(tǒng)智慧化運(yùn)行的改造和提升,應(yīng)將換熱站及其二次側(cè)室外輸配管網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)優(yōu)化控制。首先,基于PLC(可編程邏輯控制器)、分布式控制器、安防攝像頭、執(zhí)行器和傳感器等關(guān)鍵設(shè)備完成硬件層的設(shè)計(jì);然后,將軟件層的大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化算法、預(yù)測控制和節(jié)能減排分析等關(guān)鍵技術(shù)與硬件層的控制設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理地有機(jī)結(jié)合;最后,在網(wǎng)絡(luò)層使用先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),完成軟件層和硬件層之間的信息交互。從而建立起3層架構(gòu)下的智慧供熱控制系統(tǒng),以此更好地實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)智慧和低碳運(yùn)行。

1 供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 區(qū)域供暖系統(tǒng)

區(qū)域供暖系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)分別由熱源廠、一次網(wǎng)、換熱站、二次網(wǎng)和熱用戶組成。一個(gè)熱源廠通過一次網(wǎng)將熱媒輸送至多個(gè)換熱站進(jìn)行換熱,然后換熱站將得到熱量的高溫?zé)崦酵ㄟ^二次網(wǎng)輸送至該站對(duì)應(yīng)供暖區(qū)域的多個(gè)熱用戶。

圖1 區(qū)域供暖系統(tǒng)示意圖

1.2 換熱站及其二次網(wǎng)工作原理

換熱站及其二次網(wǎng)工作原理如圖2所示,主要由板式換熱器、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、計(jì)量儀表、傳感器、PLC和分布式控制器等組成。板式換熱器將換熱站一次側(cè)高溫水的熱量傳給二次側(cè),通過換熱站二次側(cè)及室外輸配管網(wǎng)的供水管道將熱量輸送至各個(gè)熱用戶,并使用樓棟閥門對(duì)進(jìn)入熱用戶的熱量進(jìn)行控制;經(jīng)過熱用戶的高溫水變?yōu)榈蜏鼗厮?通過室外輸配管網(wǎng)及換熱站二次側(cè)的回水管道將低溫回水輸送至板式換熱器二次側(cè)進(jìn)行換熱,并使用并聯(lián)循環(huán)水泵對(duì)二次側(cè)回水進(jìn)行加壓控制;以此周而復(fù)始地循環(huán)工作。

圖2 換熱站及其二次網(wǎng)工作原理示意圖

除此之外,各種計(jì)量儀表和傳感器通過與PLC連接,完成運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和上傳;板式換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、補(bǔ)水泵的變頻器通過與PLC連接,完成運(yùn)行狀態(tài)的反饋和控制策略的輸出;樓棟閥門和循環(huán)泵作為影響末端用戶室內(nèi)熱舒適最直接的設(shè)備和系統(tǒng)中耗能最大的設(shè)備,不但要將其與PLC連接來完成運(yùn)行狀態(tài)的反饋,還要與各自的分布式控制器進(jìn)行連接,完成控制策略的輸出,從而建立起樓棟閥門和循環(huán)泵之間的分布式控制架構(gòu)(見圖2中的曲線連接部分)。

基于現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過有線或無線的方式建立分布式控制器的通信路由[4],每個(gè)分布式控制器可以與其相鄰的分布式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?？刂破鲀?nèi)需要存儲(chǔ)的算法程序和運(yùn)行參數(shù),由廠商在制造過程中存儲(chǔ),或由能源管控中心統(tǒng)一下載;在控制器運(yùn)行過程中,相同類型機(jī)電設(shè)備對(duì)應(yīng)的每個(gè)控制器都平等地進(jìn)行計(jì)算和通信,且可由任一控制器發(fā)起任務(wù)執(zhí)行指令開始運(yùn)行,并向相鄰的控制器發(fā)送啟動(dòng)訊號(hào),每個(gè)控制器按照內(nèi)置的算法完成運(yùn)行后向相鄰控制器傳遞所需的相關(guān)數(shù)據(jù),在所有分布式控制器完成滿足系統(tǒng)需求下的運(yùn)算時(shí),即可向樓棟閥門和循環(huán)泵變頻器輸出優(yōu)化后的控制策略。這種分布式架構(gòu)有效減少了PLC的運(yùn)行和調(diào)試負(fù)擔(dān),不需要對(duì)工程進(jìn)行逐例的算法開發(fā),僅通過給分布式控制器輸入相應(yīng)的參數(shù)即可。由于該控制器即插即用的特性,使得控制系統(tǒng)有了更好的靈活性和擴(kuò)展性。基于分布式架構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)控制策略的快速優(yōu)化計(jì)算,縮短了計(jì)算時(shí)間,更有助于實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。

2 智慧供熱控制系統(tǒng)組成

經(jīng)過上述對(duì)系統(tǒng)工作原理的簡要介紹,可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域供暖系統(tǒng)地域覆蓋范圍較廣。為了對(duì)熱源廠有限的熱源進(jìn)行充分利用,對(duì)換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)管控,對(duì)熱源廠所覆蓋的供暖區(qū)域進(jìn)行集中監(jiān)控,分別針對(duì)現(xiàn)場設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸和管控中心建立了硬件層、網(wǎng)絡(luò)層和軟件層的3層控制系統(tǒng)架構(gòu)[5],如圖3所示。

注：OLT為無源的光線路終端;ONU為無源的光網(wǎng)絡(luò)單元;ODN為光分配網(wǎng)絡(luò)。圖3 智慧供熱控制系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)場設(shè)備作為硬件層,主要是換熱站內(nèi)部及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)所含有的設(shè)備和連接,由安防攝像頭、換熱器、水泵、閥門、傳感器、執(zhí)行器和控制器等組成,完成流量、熱量和溫度等數(shù)據(jù)的采集與收集,實(shí)現(xiàn)板式換熱器一次側(cè)閥門和補(bǔ)水泵控制指令的下發(fā)。能源管控中心作為軟件層,主要包含預(yù)測模型、優(yōu)化控制算法和用戶界面等內(nèi)容,還應(yīng)當(dāng)有與其配套的服務(wù)器、顯示器、打印機(jī)和UPS(不間斷電源)等設(shè)備,能實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖系統(tǒng)的集中顯示、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警處理、智能客服、收費(fèi)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。從各個(gè)換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)的現(xiàn)場到能源管控中心的數(shù)據(jù)傳輸作為網(wǎng)絡(luò)層,將各個(gè)換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)與管控中心連接為一個(gè)整體,能夠高效、快速、安全地將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3 智慧供熱系統(tǒng)硬件層設(shè)計(jì)

在智慧供熱控制系統(tǒng)架構(gòu)中,硬件層主要由換熱站及其二次側(cè)網(wǎng)的監(jiān)控設(shè)備組成(見圖4),主要有級(jí)聯(lián)服務(wù)器、多路硬盤錄像機(jī)、安防攝像頭、負(fù)荷預(yù)測主機(jī)、PLC、人機(jī)界面、分布式控制器、調(diào)節(jié)閥門、變頻器、傳感器和計(jì)量器件等。負(fù)荷預(yù)測主機(jī)的輸入量有氣象數(shù)據(jù)和歷史熱負(fù)荷數(shù)據(jù)2類,作為后續(xù)負(fù)荷預(yù)測模型的輸入變量;同時(shí),負(fù)荷預(yù)測主機(jī)將每棟樓的熱負(fù)荷預(yù)測結(jié)果傳輸至各樓棟閥門的分布式控制器,作為后續(xù)各樓棟閥門分布式優(yōu)化控制的約束。其中,在軟件層中所涉及的負(fù)荷預(yù)測和優(yōu)化控制等程序,均可在能管中心通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸下載至硬件層的負(fù)荷預(yù)測主機(jī)和分布式控制器,然后在負(fù)荷預(yù)測主機(jī)和分布式控制器中分別完成該區(qū)域的負(fù)荷預(yù)測及控制策略優(yōu)化等工作。其目的主要是為了在熱源廠對(duì)應(yīng)的多個(gè)換熱站同時(shí)運(yùn)行時(shí),減少能管中心在負(fù)荷預(yù)測和優(yōu)化控制運(yùn)算方面的計(jì)算負(fù)擔(dān);同時(shí)由于分布式架構(gòu)天然的優(yōu)勢(shì),能夠縮短系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)長,有利于基于負(fù)荷預(yù)測的優(yōu)化控制策略在線快速運(yùn)行。

圖4 換熱站及其二次網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

分布式控制器含有數(shù)據(jù)交互接口、存儲(chǔ)單元、處理單元和驅(qū)動(dòng)控制交互接口4個(gè)部分。該控制器通過數(shù)據(jù)交互接口與其連接的分布式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,每個(gè)控制器最多可連接6個(gè)相鄰的分布式控制器;存儲(chǔ)單元中內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集,用于存儲(chǔ)設(shè)備的性能參數(shù)和運(yùn)行信息;處理單元主要完成各種復(fù)雜模型和算法的計(jì)算,并得到相應(yīng)的結(jié)果;驅(qū)動(dòng)控制交互接口用于連接各機(jī)電設(shè)備的執(zhí)行器模塊,將處理單元得到的優(yōu)化控制結(jié)果傳輸至執(zhí)行器并完成相應(yīng)動(dòng)作。除此之外,同種類型機(jī)電設(shè)備所配備的分布式控制器的程序完全相同,僅通過輸入該控制器對(duì)應(yīng)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)即可進(jìn)行程序運(yùn)行。

控制柜為成套設(shè)備,包含PLC、人機(jī)界面、UPS電源和工業(yè)級(jí)交換機(jī)。PLC應(yīng)預(yù)留20%的通道冗余量,程序運(yùn)行后的CPU(中央處理器)占用率不超過20%;人機(jī)界面選用與PLC同系列品牌的彩色觸摸屏,并配有通訊網(wǎng)口,可以對(duì)PID(比例-積分-微分)參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整,顯示現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù),通過設(shè)定報(bào)警極限值實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障報(bào)警功能;UPS電源容量為2 kV·A,含有12、24 V輸出的鋰電池,后備時(shí)間不短于0.5 h,并帶有故障指示功能;采用8口的工業(yè)級(jí)千兆交換機(jī),交換容量和包轉(zhuǎn)發(fā)率分別為20 Gbit/s(千兆位/秒)和14.88 Mbit/s(兆位/秒),下行端口8個(gè)10/100/1000BASE-T以太網(wǎng)端口,下行端口2個(gè)千兆SFP(小型可插拔)光模塊,并支持堆疊技術(shù)。

安防箱為成套設(shè)備,包含硬盤錄像機(jī)、硬盤存儲(chǔ)器和級(jí)聯(lián)服務(wù)器。硬盤錄像機(jī)為4路網(wǎng)絡(luò)輸入,最大支持600萬像素錄制,1 920×1 080/60 Hz,并且可以查詢歷史記錄,存儲(chǔ)時(shí)間為90 d。級(jí)聯(lián)服務(wù)器支持onvif(開放型網(wǎng)絡(luò)視頻接口)、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。安防攝像頭可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤和切換視頻畫面,監(jiān)控故障設(shè)備并兼顧安防報(bào)警,清晰度不低于1 080 P,23倍光學(xué)變焦;能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)偵測與跟蹤、自動(dòng)報(bào)警、360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)和180°自動(dòng)翻轉(zhuǎn)等功能。

水道溫度傳感器精度0.2%,輸出信號(hào)4～20 mA;水道壓力傳感器精度0.5%,輸出信號(hào)4～20 mA;室外溫濕度傳感器,溫度精度0.3%,濕度精度3%～10%,輸出信號(hào)0～10 V;流量計(jì)輸出信號(hào)4～20 mA,當(dāng)流速小于1 m/s時(shí),精度為2%,當(dāng)流速大于1 m/s時(shí),精度為3%;熱量表AC(交流)220 V供電或外接24 V;電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)4～20 mA、DC(直流)1～5 V或2～10 V,反饋信號(hào)4～20 mA或DC 2～10 V,執(zhí)行器電源為220 V(直流);補(bǔ)水泵變頻器應(yīng)具有PID邏輯的閉環(huán)調(diào)節(jié)功能,循環(huán)泵變頻器可以分別與PLC和分布式控制器進(jìn)行通訊;一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥能與PLC完成數(shù)據(jù)交互,而各樓棟閥門可分別與PLC和分布式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 智慧供熱系統(tǒng)軟件層研究

能源管控中心作為智慧供熱控制系統(tǒng)架構(gòu)的軟件層,通信服務(wù)軟件、服務(wù)器硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)庫軟件是其所需的主要配套設(shè)施。通信服務(wù)軟件負(fù)責(zé)與硬件層通訊完成數(shù)據(jù)交互;服務(wù)器硬件設(shè)備應(yīng)含有雙核以上的CPU、4 GB以上的內(nèi)存儲(chǔ)器、500 GB以上的外存儲(chǔ)器、與光纖連接的接口和操作系統(tǒng),其中內(nèi)存儲(chǔ)器用于正在運(yùn)行的程序,外存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)工程師開發(fā)的程序和系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)等;數(shù)據(jù)庫軟件對(duì)從硬件層收集來的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、存儲(chǔ)與管理,能隨時(shí)被人工調(diào)取或被運(yùn)行中的程序調(diào)用。

在區(qū)域供暖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段常常通過對(duì)大量且復(fù)雜的運(yùn)行工況進(jìn)行窮舉來制定控制策略,這很大程度依靠專家經(jīng)驗(yàn),這種方法對(duì)策略制定者的要求比較高,很難真正將系統(tǒng)運(yùn)行中的各種工況考慮全面,而且并不能根據(jù)熱用戶實(shí)際需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的節(jié)能性管控,從而無法實(shí)現(xiàn)真正的智慧化運(yùn)行。因此,對(duì)換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)運(yùn)行控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,是供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧和低碳運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)某換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng),首先對(duì)熱用戶進(jìn)行以樓棟為單位的熱負(fù)荷預(yù)測;進(jìn)而基于負(fù)荷預(yù)測結(jié)果,在分布式架構(gòu)下先完成各樓棟閥門的優(yōu)化控制,再基于負(fù)荷預(yù)測結(jié)果和閥門優(yōu)化控制結(jié)果對(duì)并聯(lián)循環(huán)水泵進(jìn)行控制策略優(yōu)化;然后依次完成一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和補(bǔ)水泵的控制;最后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行得到的結(jié)果,對(duì)系統(tǒng)在該優(yōu)化控制策略指導(dǎo)下運(yùn)行的效果進(jìn)行節(jié)能減排分析;即可完成一次系統(tǒng)的優(yōu)化控制過程,以此周而復(fù)始,用于供熱系統(tǒng)的智慧化運(yùn)行(見圖5)。

圖5 智慧供熱系統(tǒng)低碳運(yùn)行控制策略示意圖

4.1 各樓棟熱負(fù)荷預(yù)測

每棟建筑在不同的日、月和季節(jié)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷特征雖然有明顯的差異與規(guī)律,但內(nèi)在的耦合性也非常顯著[6],因此對(duì)樓棟熱負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測是區(qū)域供暖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按需供熱和精準(zhǔn)管控最重要的前提[7]。針對(duì)以樓棟為單元的熱負(fù)荷預(yù)測,建立一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8](convolutional neural network, CNN)的混合預(yù)測模型(見圖6)。首先對(duì)歷史熱負(fù)荷數(shù)據(jù)和室外氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,為了避免模型有效輸入變量的不足或冗余,使用套索[9](least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)回歸模型篩選出影響熱負(fù)荷較大的輸入變量,分別為干球溫度、相對(duì)濕度、室外風(fēng)速、太陽輻射;然后為了避免原始CNN模型中由于參數(shù)隨機(jī)性而影響預(yù)測精度,以預(yù)測誤差最小為目標(biāo)函數(shù),使用緞藍(lán)園丁鳥優(yōu)化算法[10](satin bower bird optimization algorithm, SBO)對(duì)CNN的卷積層過濾器數(shù)量和Dropout(去掉部分神經(jīng)元)層概率進(jìn)行優(yōu)化;最后將優(yōu)化得到的結(jié)果作為構(gòu)建CNN模型的最優(yōu)參數(shù),從而提高混合預(yù)測模型的精度。預(yù)測得到的熱負(fù)荷為能量值,通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的供回水溫差,基于熱負(fù)荷與供回水溫差和質(zhì)量流量乘積成正比的關(guān)系,即可得到各樓棟所需的流量。

圖6 熱負(fù)荷混合預(yù)測模型示意圖

4.2 各樓棟閥門的分布式優(yōu)化控制

為了使供暖系統(tǒng)在運(yùn)行中能夠精準(zhǔn)按需供熱,避免末端熱用戶冷熱不均問題,以負(fù)荷預(yù)測結(jié)果為前提,在分布式架構(gòu)下對(duì)各樓棟供水閥門開度進(jìn)行合理優(yōu)化控制(見圖7)。首先對(duì)二次側(cè)輸配管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果進(jìn)行收集與整理,通過分析換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)中閥門、管道、建筑體和換熱器等主要設(shè)備的壓降與阻抗和流量的關(guān)系,得到各設(shè)備的壓降計(jì)算模型,以熱媒流動(dòng)方向作為參考方向,對(duì)這些模型進(jìn)行疊加,即可得到換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)的總壓降計(jì)算模型;然后在分布式架構(gòu)下,以換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)的總壓降最小為目標(biāo),滿足各樓棟所需的流量為約束,以各樓棟閥門開度為變量建立分布式優(yōu)化模型;進(jìn)而對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解,由于果蠅優(yōu)化算法[11](fruit fly optimization algorithm, FOA)在嗅覺搜索階段使用隨機(jī)賦值策略,不利于最優(yōu)解的計(jì)算,因此使用正余弦算法[12](sine cosine algorithm, SCA)中的正余弦策略替代FOA中的隨機(jī)賦值策略,并對(duì)結(jié)合后的算法進(jìn)行分布式改進(jìn),即可完成分布式算法的設(shè)計(jì);最后使用該分布式算法在分布式架構(gòu)下對(duì)樓棟閥門的分布式優(yōu)化模型進(jìn)行求解,得到各樓棟閥門的開度和換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)的最小總壓降。

圖7 各樓棟閥門的分布式優(yōu)化控制示意圖

4.3 并聯(lián)循環(huán)水泵分布式優(yōu)化控制

為了避免供暖系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生水力失衡的問題,在分布式架構(gòu)下,基于負(fù)荷預(yù)測和閥門優(yōu)化的結(jié)果,對(duì)并聯(lián)水泵的開啟臺(tái)數(shù)與轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化控制[13],如圖8所示。首先對(duì)實(shí)際工程中所用的水泵性能參數(shù)和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果進(jìn)行收集與整理,得到水泵的流量-揚(yáng)程、流量-效率、流量-功率模型及各棟建筑所需的總流量,同時(shí)水泵的分布式控制器接收來自樓棟閥門分布式控制器的最小總壓降;然后以并聯(lián)循環(huán)水泵運(yùn)行總功率最小為目標(biāo),以滿足換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)總壓降為約束,以各臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速為優(yōu)化變量建立分布式優(yōu)化模型;進(jìn)而使用分布式算法在分布式架構(gòu)下對(duì)并聯(lián)循環(huán)水泵的分布式優(yōu)化模型進(jìn)行求解,所使用的算法與樓棟閥門的優(yōu)化求解算法相同;最后得到各臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速比和并聯(lián)循環(huán)水泵所消耗的總功率。

圖8 并聯(lián)循環(huán)水泵的分布式優(yōu)化控制示意圖

4.4 一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制

為了充分利用熱源廠有限的熱源,對(duì)板式換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的精確控制尤為關(guān)鍵;閥門的開度決定了換熱站二次側(cè)所能得到的熱量,同時(shí)也影響著熱力公司向熱源廠支付的費(fèi)用。通過現(xiàn)場硬件層對(duì)換熱站二次側(cè)供水溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測,將測量值與系統(tǒng)的設(shè)定值在PLC中進(jìn)行對(duì)比,然后閥門執(zhí)行基于PID的閉環(huán)調(diào)節(jié);通過調(diào)節(jié)一次側(cè)流量來改變二次側(cè)供水溫度,使其達(dá)到設(shè)定值的要求(見圖9)。

注：ts為二次側(cè)供水設(shè)定值。圖9 一次側(cè)電動(dòng)閥控制示意圖

4.5 補(bǔ)水泵的控制

為了避免由于供熱系統(tǒng)漏水導(dǎo)致系統(tǒng)工作壓力下降而引起末端建筑物內(nèi)出現(xiàn)倒空的現(xiàn)象,需要將二次側(cè)回水管道上的壓力維持在一個(gè)恒壓值,這就要求補(bǔ)水泵能夠根據(jù)二次側(cè)回水管道實(shí)時(shí)的壓力值作出及時(shí)調(diào)節(jié)(見圖10)。對(duì)二次側(cè)回水管道上的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,將監(jiān)測值傳輸至補(bǔ)水泵的變頻器,在變頻器中對(duì)監(jiān)測值與設(shè)定值進(jìn)行比較,基于PID控制邏輯對(duì)補(bǔ)水泵啟停進(jìn)行控制。當(dāng)二次側(cè)回水管道的壓力降至p1時(shí),啟動(dòng)補(bǔ)水泵;當(dāng)二次側(cè)回水管道壓力升至p2時(shí),關(guān)閉補(bǔ)水泵;當(dāng)壓力升至p3時(shí),位于二次側(cè)回水管道上的安全閥啟動(dòng)泄壓,將二次側(cè)回水壓力始終維持在定壓線的高度。

注：p1為補(bǔ)水泵開啟壓力;p2為補(bǔ)水泵關(guān)閉壓力;p3為二次側(cè)母管安全閥泄壓值。圖10 補(bǔ)水泵控制示意圖

4.6 節(jié)能減排分析

供熱系統(tǒng)基于圖5完成一次優(yōu)化控制后,對(duì)該系統(tǒng)所能節(jié)約的電量和等價(jià)總碳排放量進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)在這種優(yōu)化控制策略指導(dǎo)下的節(jié)能運(yùn)行和減排效果進(jìn)行分析,如圖11所示。

圖11 節(jié)能減排分析示意圖

具體有以下步驟：

1) 整理負(fù)荷預(yù)測曲線和優(yōu)化循環(huán)水泵得到的總功率迭代曲線;

2) 對(duì)負(fù)荷預(yù)測前后曲線和水泵總功率優(yōu)化前后迭代曲線的差值在時(shí)間上求定積分,將功率轉(zhuǎn)換為功,即可得到通過負(fù)荷預(yù)測所節(jié)約的能量和循環(huán)泵優(yōu)化后所節(jié)約的能量,兩者相加即為節(jié)約的總能量;

3) 通過3.6×106J=1 kW·h計(jì)算出循環(huán)泵優(yōu)化前后所節(jié)約的電量;

4) 基于該系統(tǒng)所節(jié)約的總能量,根據(jù)1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生29 307.6 kJ熱量,即可計(jì)算出該系統(tǒng)可節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤量;

5) 基于該系統(tǒng)所節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤量,根據(jù)1 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒排放2.67 kg二氧化碳,即可計(jì)算出該系統(tǒng)可減排的二氧化碳量;

6) 基于該系統(tǒng)可減排的二氧化碳量,根據(jù)1 kg 碳完全燃燒產(chǎn)生3.67 kg二氧化碳,即可算出該系統(tǒng)可減排的碳量。

5 智慧供熱系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

智慧供熱系統(tǒng)中在硬件層與軟件層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚?、高效和完整尤為關(guān)鍵,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)設(shè)施的低故障率和低建設(shè)成本也不可忽視。在智慧供熱系統(tǒng)中通過無源光網(wǎng)絡(luò)(passive optical network, PON)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源管控中心與各換熱站現(xiàn)場的數(shù)據(jù)交互。PON技術(shù)采用P2MP(點(diǎn)到多點(diǎn))結(jié)構(gòu)的通信模式,由OLT、ODN和ONU組成。其中OLT位于網(wǎng)絡(luò)側(cè),即能源管理中心機(jī)房;ONU位于用戶側(cè),即換熱站控制室;兩者之間的通信網(wǎng)路構(gòu)成ODN,ODN主要由光纜、連接器、無源分光器、無源光衰減器和光纖接頭等組成。

該技術(shù)下行(OLT到ONU)采用廣播方式,將OLT發(fā)送的光信號(hào)通過分光器分成多份相同的信號(hào)送至每個(gè)ONU,但是ONU會(huì)根據(jù)報(bào)文中所含有的標(biāo)記選擇性地接收只屬于自己的信號(hào),對(duì)其余不屬于自己的信號(hào)進(jìn)行丟棄,采用波長1 490 nm;而上行(ONU到OLT)采用時(shí)分復(fù)用多址接入(TDMA)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)側(cè)給每一個(gè)ONU分配屬于自己的時(shí)間片,ONU則嚴(yán)格按照時(shí)間片窗口發(fā)送信號(hào),并且只會(huì)通過ODN傳輸至OLT,不會(huì)發(fā)送至其他ONU,采用波長1 310 nm。從OLT到分光器之間的主干光纖鏈路和分光器到各ONU的各換熱站子干線鏈路位于室外段,該段發(fā)生斷纖的可能性及斷纖后導(dǎo)致的影響面更大,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行Type-B類型的全保護(hù)。

PON技術(shù)應(yīng)用于智慧供熱系統(tǒng)時(shí),在相距較遠(yuǎn)的能源管理中心和各換熱站之間,全部采用光纜,使用普通的PVC(聚氯乙烯)線管即可,這給空間狹小的老舊小區(qū)改造和施工穿線帶來了極大的便利;同時(shí),ODN中無源器件的使用大大降低了網(wǎng)路的故障率。除此之外,該技術(shù)所特有的手拉手組網(wǎng)方式和高寬帶的特點(diǎn),非常適用于涉及地域較廣和數(shù)據(jù)種類豐富的區(qū)域供暖系統(tǒng),對(duì)于相距較遠(yuǎn)的換熱站,可各自通過分光器直接與OLT走線,而對(duì)于相距較近的多個(gè)換熱站而言,這些換熱站可通過1∶2非均分的方式進(jìn)行手拉手通信,從而實(shí)現(xiàn)各換熱站中ONU與能源管理中心的OLT進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,有利于降低建設(shè)成本和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。

6 結(jié)束語

在區(qū)域供暖系統(tǒng)的控制中,針對(duì)能源管理中心、數(shù)據(jù)傳輸鏈路和各換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng),建立了基于軟件層、網(wǎng)絡(luò)層和硬件層的智慧供熱系統(tǒng),提高了區(qū)域供暖系統(tǒng)智慧和低碳運(yùn)行的水平。智慧供熱系統(tǒng)在軟件層將深度學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法等人工智能技術(shù)應(yīng)用于各樓棟閥門和循環(huán)水泵的聯(lián)動(dòng)優(yōu)化控制中,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基于負(fù)荷預(yù)測的提前優(yōu)化控制,并對(duì)優(yōu)化控制策略的節(jié)能減排效果進(jìn)行了分析,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的水力平衡和按需供熱;在網(wǎng)絡(luò)層基于PON技術(shù)建立了無源光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸方案,有助于滿足智慧供熱系統(tǒng)中高寬帶、低成本和多業(yè)務(wù)的需求;在硬件層對(duì)換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況和現(xiàn)場安防進(jìn)行監(jiān)控,使用分布式控制器建立各樓棟閥門和循環(huán)水泵的分布式控制架構(gòu),提高了系統(tǒng)在線優(yōu)化控制水平。該智慧供熱系統(tǒng)經(jīng)過在實(shí)際工程中對(duì)能源管控中心和各換熱站及其二次側(cè)輸配管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)試,能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域供暖系統(tǒng)穩(wěn)定、節(jié)能和低碳運(yùn)行,及時(shí)合理地滿足用戶的熱舒適需求。