供熱管網(wǎng)L值平衡控制算法的研究和應(yīng)用

丁 云

(杭州云谷科技股份有限公司，杭州 310051)

0 引 言

城鎮(zhèn)集中供熱是關(guān)系人民群眾切身利益的重大民生工程和民心工程，一直受到各級政府和社會的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計[1]，截至2022年底，我國北方地區(qū)建筑供熱面積達到238 億m2，其中城鎮(zhèn)供熱面積約167 億m2。根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心測算[2-3]，2021年我國建筑運行總能耗為11.1 億t標準煤，約占全國能源消費總量的21%，單位面積能耗13.1 kg標準煤/m2，能源消耗造成的二氧化碳排放總量為22 億t，約占全國二氧化碳排放總量的18%，其中北方供暖一次能源總消耗達到2.14 億t標準煤，占全國建筑運行總能耗的19.3%。北方城鎮(zhèn)集中供熱具有能源消費量大、碳排放量高、節(jié)能潛力大的特征，節(jié)能、減污、降碳以及提高供熱質(zhì)量是供熱行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的方向。

中共中央國務(wù)院《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確提出“加快推進供熱計量改革和按供熱量收費”。2023年，國家發(fā)展改革委會同住建等部門出臺了關(guān)于深化供熱計量改革的相關(guān)意見，全面提升供熱系統(tǒng)能效，實現(xiàn)精準供熱和按需供熱，加快推動供熱行業(yè)高質(zhì)量、健康可持續(xù)發(fā)展。全面推進供熱計量改革，促進熱用戶的行為節(jié)能，實現(xiàn)均衡化、個性化供熱，以上措施和要求均對系統(tǒng)的熱能協(xié)同和調(diào)度能力提出更高的要求。因此，通過數(shù)字化、智能化技術(shù)達到熱網(wǎng)水力平衡，實現(xiàn)熱能精準調(diào)度，提升用熱的均衡化和個性化，是推進供熱計量改革的關(guān)鍵。

目前，供熱公司對熱源和換熱站等一次熱網(wǎng)設(shè)施更為重視，投入了大量資金和調(diào)控技術(shù)進行研究和改造，一次熱網(wǎng)自動化和智能化程度較高，供熱效率明顯提升。相比之下，二次熱網(wǎng)的管控目前大都還以來人工手動調(diào)節(jié)，自動化和智能化程度較低，普遍存在水力失衡、過冷過熱突出等問題，為了解決邊戶或頂戶等用戶過冷問題，換熱站經(jīng)常不得不提高二次網(wǎng)整體供熱溫度和流量，造成系統(tǒng)能耗偏高、換熱站循環(huán)水泵負荷較大、運行費用增加[4]，同時戶間不平衡現(xiàn)象突出，供熱質(zhì)量較差，群眾滿意度不高。

二次網(wǎng)水力失調(diào)是供熱系統(tǒng)能耗高的主要原因，在實際中解決難度大。為了解決供熱系統(tǒng)水力失調(diào)問題，許多學(xué)者已進行研究分析和嘗試。馬仲元[5]、王明國[6]、孫清典[7]等在理論層面提出供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)方法和技術(shù)手段。張立勇[8]通過技術(shù)管網(wǎng)各段阻力數(shù)進行水力平衡調(diào)節(jié)，但基本回路分析法調(diào)節(jié)過程較為復(fù)雜，調(diào)節(jié)效率偏低。目前，在水力平衡調(diào)節(jié)方法方面，主流的調(diào)節(jié)方法主要有比例調(diào)節(jié)法、補償調(diào)節(jié)法和回水溫度法等[9-10]，其中比例調(diào)節(jié)法和補償調(diào)節(jié)法需進行相關(guān)理論計算才能進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程復(fù)雜。回水溫度調(diào)節(jié)法將回水溫度作為調(diào)節(jié)目標，調(diào)節(jié)簡單，劉春蕾[9]、李更生[11]等基于回水溫度法對二次網(wǎng)調(diào)節(jié)平衡進行研究，取得較好的平衡效果，但傳統(tǒng)的回水溫度法也存在調(diào)節(jié)時間較長、效率較低、回水溫度不能完全代表室溫等缺點。鄭立紅[12]提出1種鄰近調(diào)節(jié)法，搭建1種基于圖論理論的二次供熱管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)模型，從水力失調(diào)度最差的用戶開始按鄰近順序進行依次調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)效果優(yōu)于簡易快速法、補償法和比例法。李化淼[13]通過全網(wǎng)控制方法，已實現(xiàn)熱力系統(tǒng)節(jié)能22.4%的效果。

二次網(wǎng)是1個多變量、強耦合系統(tǒng)，具備一定的隨機性，不僅各個子系統(tǒng)之間的耦合嚴重，且熱用戶用熱行為的隨機性增加了系統(tǒng)調(diào)控的復(fù)雜性。因此，采用局部優(yōu)化的辦法抑制用熱行為的隨機性并與全局優(yōu)化相結(jié)合，能更好地適應(yīng)二次網(wǎng)平衡。

現(xiàn)有的比例調(diào)節(jié)法、補償調(diào)節(jié)法和回水溫度法等算法僅僅停留在局部熱用戶的負荷控制上，并不能完全體現(xiàn)上述二次網(wǎng)平衡的協(xié)同要求。筆者首次提出了L值平衡控制理論和算法，用于二次網(wǎng)平衡的協(xié)同控制，可嵌入熱用戶測控終端，具有高度的自治性，可用于調(diào)節(jié)熱用戶的熱能分配比例，結(jié)合傳輸端和熱源端的熱能協(xié)同算法，實現(xiàn)用熱需求和熱負荷的協(xié)同。

1 L值平衡控制算法

1.1 L值的定義

供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)平衡，是指借助數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，以節(jié)能、均衡、個性化、高效為主要目標，以全域協(xié)同、分級優(yōu)化、高度自治、透徹感知為技術(shù)特點，對二次網(wǎng)末端的水力和熱力進行合理調(diào)度和分配，達到供熱系統(tǒng)的優(yōu)化運行、熱能的精準調(diào)度、用熱的均衡化和個性化等目的。

二次網(wǎng)平衡應(yīng)實現(xiàn)負荷調(diào)度和個性化需求之間的協(xié)同。熱用戶的調(diào)控分為均衡化和個性化2個層級，均衡化則要求實現(xiàn)各個熱用戶的室溫一致和恒定，涉及二次網(wǎng)平衡的熱負荷精準分配，而個性化則需要提供室溫自主調(diào)節(jié)，涉及二次網(wǎng)的熱負荷調(diào)度。熱負荷調(diào)度是以水力調(diào)度為基礎(chǔ)的調(diào)度系統(tǒng)，由于存在熱用戶水力的強耦合，以及各種邊界條件，熱負荷調(diào)度存在眾多的制約因素，因此熱負荷調(diào)度和個性化需求必須協(xié)同。

二次網(wǎng)平衡應(yīng)實現(xiàn)負荷能力和負荷需求之間的協(xié)同。多數(shù)情況下，熱源的產(chǎn)能和需求端的熱負荷是不同步，特別是極端氣候條件下，熱源的生產(chǎn)往往跟不上需求端熱負荷的要求。如何在熱源產(chǎn)能有限的情況下，通過熱能調(diào)度，平衡各個熱用戶的用熱需求，是體現(xiàn)二次網(wǎng)平衡能力的重要指標。

二次網(wǎng)平衡應(yīng)實現(xiàn)全域協(xié)同和區(qū)域自治之間的協(xié)同。全域協(xié)同是1種理想的熱源運行控制模式，由于供熱系統(tǒng)的復(fù)雜性，其控制算法必須構(gòu)建在區(qū)域自治的基礎(chǔ)上。區(qū)域自治系統(tǒng)完成各自區(qū)域的平衡控制，比如熱量分配控制，并通過全域協(xié)同控制算法實現(xiàn)整體二次網(wǎng)平衡。

L值是結(jié)合散熱體的供溫、回溫等實際過程參數(shù)，針對供熱平衡控制的基本原理，定義的1種控制變量，L值本質(zhì)上可以看作是1種供回溫比值，其定義見式(1)：

(1)

其中，Tg為散熱體的供水溫度，K；Th為散熱體的回水溫度，K；Ts為室溫，K。

通常情況下L值所針對的散熱體為1個熱用戶取暖裝置的總和，如1套住宅的暖氣片和地暖的組合。室溫(Ts)是熱用戶的室內(nèi)溫度典型值，具體應(yīng)用時可采用室溫平均值、室溫軟測量值等測量值替代。

1.2 L值的特性

對于1個散熱體而言，其表面平均溫度(Tp)可以表示為式(2)：

Tp=mTg+(1-m)Th

(2)

其中，m為供回溫權(quán)重系數(shù)。

對于具有散熱特性的散熱體，供回溫權(quán)重系數(shù)m和流速相關(guān)，是流速的單調(diào)函數(shù)。流速越大，m值越趨近于0.5，而流速越小，m值越趨近于0。

對于表面平均溫度為Tp的散熱體而言，其熱功率(w)見式(3)：

(3)

其中，R為散熱體向室內(nèi)傳導(dǎo)熱量的熱阻，K/W；Tp為散熱體平均溫度，K。

當熱用戶的測控終端啟動L值平衡控制算法后，該用戶的散熱體L值保持恒定，即熱用戶的回溫和供溫保持一定的比例關(guān)系，則散熱體的熱功率由供水溫度(Tg)決定。此時，熱功率(w)可表示為式(4)：

(4)

在實際應(yīng)用中，流速對供回溫權(quán)重系數(shù)m并不敏感，因此在一定的工況范圍內(nèi)，特別是二次網(wǎng)處于平衡狀態(tài)時，m值可近似為常數(shù)。通過對式(4)的分析，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①L值平衡控制的實質(zhì)和熱功率分配相關(guān)，在一定的供水溫度下，每個房間的熱功率分配由L值決定，即L值越高、房間分配的功率越大，反之L值越低、房間分配的功率越低；對于多個熱用戶而言，每個熱用戶可根據(jù)其供暖空間、散熱體的屬性，設(shè)置1個專屬的特定L值，以實現(xiàn)每個熱用戶的熱力平衡。②在L值不變的情況下，熱用戶的熱功率w和供溫Tg呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，即供溫越高、功率越大，反之供溫越低、功率越低，即在完成熱功率分配、實現(xiàn)二次網(wǎng)平衡后，通過調(diào)整二次網(wǎng)的供溫，可同步提升或降低每個熱用戶的供熱功率和室溫。

所以在具體應(yīng)用中，可通過測控終端的自動控制將每個熱用戶的L值保持在其專屬L值附近，以此來實現(xiàn)熱用戶間的熱力平衡；在每個熱用戶的熱量分配比保持恒定的同時，二次網(wǎng)系統(tǒng)可非常簡單地通過調(diào)整供溫來整體調(diào)節(jié)熱用戶的室溫，此為L值平衡控制算法的協(xié)同控制特有性能。

1.3 L值參數(shù)優(yōu)化

L值的初始參數(shù)可以由熱力學(xué)模型估算，后續(xù)運行過程中，L值參數(shù)優(yōu)化可采用在線校準方式，即通過測量每個熱用戶的室內(nèi)溫度，將該室內(nèi)溫度值與室溫設(shè)定值進行比較得到室溫偏差值(ΔTs)，將ΔTs代入式(5)可計算得到功率修正值(Δw)。

(5)

根據(jù)功率修正值(Δw)，由式(6)進行L值的校準。

(6)

其中，Rw為建筑物向室外傳熱的熱阻，K/W；Tw為室外溫度，K。

對于室內(nèi)溫度的測量，還可以采用軟測量技術(shù)[14]。室溫軟測量技術(shù)是通過選擇室內(nèi)供暖裝置的供水溫度、回水溫度、流速等過程測量值，并結(jié)合環(huán)境因素等輔助變量，由供暖信息終端設(shè)備等計算機系統(tǒng)采集和處理，根據(jù)室溫軟測量模型計算出室內(nèi)溫度的1項間接獲取室內(nèi)溫度的技術(shù)。為了有別于室溫傳感器的所測得的室溫值，室溫軟測量技術(shù)所獲得的室溫值通常被稱為室溫軟測量值。

2 基于L值平衡控制算法的二次網(wǎng)平衡

基于L值平衡控制算法的二次網(wǎng)平衡，是1種分布式控制算法。算法運行在各個熱用戶的測控終端中，結(jié)合云服務(wù)器的全域協(xié)同算法，構(gòu)成完整的二次網(wǎng)平衡系統(tǒng)。對于1個運行L值平衡控制算法的區(qū)域，比如1個小區(qū)或樓棟，通過實施L值平衡控制算法，使得每個熱用戶的L值保持恒定，回溫和供溫保持隨動和跟蹤，以實現(xiàn)散熱體的供水溫度(Tg)和散熱體平均溫度(Tp)的線性關(guān)系。

對于1個熱用戶，其輸入的熱功率和散出的熱功率保持平衡，見式(7)和式(8)。

w=(Tp-Ts)/R=(Ts-Tw)/Rw

(7)

(8)

由于R和Rw是房屋的固有散熱特性，在一定的室外溫度下，散熱體的平均溫度(Tp)決定了室內(nèi)溫度(Ts)，且呈線性關(guān)系。

采用L值平衡控制算法，每個熱用戶的L值保持恒定，因此散熱體的平均溫度(Tp)和供水溫度(Tg)成正比關(guān)系。根據(jù)式(8)，在L值恒定的情況下，室溫(Ts)和供水溫度(Tg)呈線性關(guān)系。統(tǒng)一調(diào)整供水溫度，可實現(xiàn)各個熱用戶室溫的同步調(diào)節(jié)并為熱能協(xié)同奠定基礎(chǔ)。該種協(xié)同特性可應(yīng)用在多個場合，如對室外氣候進行統(tǒng)一的補償?shù)取?/p>

3 案例應(yīng)用

3.1 項目背景

基于L值平衡控制算法的二次網(wǎng)平衡方法于2019年 10月應(yīng)用于天津熱電有限公司供暖的天津市岳康園小區(qū)，該小區(qū)采用獨立換熱機組供熱，循環(huán)水泵功率為2.2 kW，額定流量為20.5 t/h，采用工頻運行。項目選取小區(qū)高層(11～17 層共7層)開展戶間水力平衡的應(yīng)用研究。項目包括3幢公寓的高層樓層，實際住宅用戶共45戶，采用散熱器散熱，總供熱面積約3 829 m2，戶端水力平衡系統(tǒng)由平衡熱量表、集線器、集抄器和數(shù)據(jù)中心等部分組成，系統(tǒng)以用戶室溫為最終調(diào)控目標。

項目采用L值進行調(diào)節(jié)，對入戶流量進行平衡控制，以達到各用戶的室溫均衡。L值相當于流量分配系數(shù)，平衡熱量表按初始設(shè)定的L值來調(diào)節(jié)各戶閥門開度，且每個小時糾偏1次，L值總體保持穩(wěn)定。L值范圍一般為0.5～0.9，當 L值為1時，此時平衡熱量表閥門全開，可認為Tg=Th；當 L值為0時，此時平衡熱量表閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。在調(diào)控算法中,需對各戶數(shù)據(jù)進行分析和對初始設(shè)定的各戶L值進行修整,以找到使得供熱量與室內(nèi)需熱量相平衡的L值,具體過程見文獻[14]。

在2019～2020年供暖季，項目通過持續(xù)調(diào)試和優(yōu)化，熱力系統(tǒng)基本實現(xiàn)了戶間平衡，L值可隨外界氣溫、供水溫度等參數(shù)變化進行自動調(diào)整，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能降耗顯著。

3.2 平衡效果分析

戶間平衡調(diào)控主要依據(jù)各戶的入戶流量和回水溫度，基于此些參數(shù)可以分析末端戶間水力平衡狀況，并給出相應(yīng)的調(diào)控策略，改善戶間平衡狀況。

根據(jù)系統(tǒng)采集到的各戶入戶流量和回水溫度，項目在調(diào)控之前存在典型的流量分配不合理、回水溫度差異大等問題。調(diào)控前后各戶流量分布如圖1所示，在平衡調(diào)控前，部分用戶流量在0.9 m3/h以上，而另有部分用戶在0.1 m3/h以下，邊戶和頂戶理論上應(yīng)分配大流量，卻由于阻力大等原因分配的流量小，導(dǎo)致邊戶和頂戶出現(xiàn)過冷問題。調(diào)控前后各戶回水溫度分布如圖2所示，在平衡調(diào)控前，回水溫度差異比較大，分布較為分散，30 ℃以下和39 ℃以上的戶數(shù)均較多。

圖1 調(diào)控前后各戶流量分布

圖2 調(diào)控前后各戶回水溫度分布

該項目采用L值平衡調(diào)控，平衡熱量表根據(jù)各戶設(shè)定的L值，對每戶的流量進行調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)平衡后，中間戶與邊戶、頂戶的室溫差異降低2 ℃，頂戶平均室溫提高了2 ℃，系統(tǒng)水力平衡狀況得到明顯改善，各戶入戶流量與回水溫度分布基本實現(xiàn)平衡，達到了預(yù)期效果。

具體而言，在平衡調(diào)控后，中間戶入戶流量主要集中在0.3 m3/h以下，邊戶入戶流量主要集中在0.6 m3/h以下，頂戶入戶流量基本在0.9 m3/h 以上，此是由于邊戶和頂戶散熱大、阻力大，需要更大流量以達到預(yù)期室溫，調(diào)節(jié)后的流量分布符合理論預(yù)期，如圖1(b)所示。同時，循環(huán)水泵負荷情況也得到改善，二次網(wǎng)總流量降低，由調(diào)控前的18.5 m3/h 降至調(diào)控后的16.5 m3/h，流量降幅為10.8%。在回水溫度方面，如圖2(b)所示，中間戶的回水溫度主要集中在38 ℃以下，邊戶的回水溫度主要集中在 38～39 ℃，頂戶的回水溫度主要分布在39 ℃以上。

綜上所述，該項目在采用L值平衡控制后，中間戶、邊戶室內(nèi)溫度集中在23 ℃左右，處于法定供熱溫度基礎(chǔ)上的較好水平，邊戶和頂戶室內(nèi)溫度平均提高了2 ℃，基本實現(xiàn)戶間水力平衡及有效解決過冷過熱問題。

3.3 節(jié)能效果分析

從2019年12月4日到 2020年3月15日，在供熱能耗方面，該項目平均室外溫度為2.7 ℃，總耗熱量為869 GJ(24.4 W/m2)；相比之下，去年同期平均室外溫度 1.9 ℃，總耗熱量為1 245 GJ(34.9 W/m2)，總耗熱量降低了376 GJ，降幅為30%；在電耗方面，該項目電耗共計2 712 kW·h(0.28 W/m2)，去年同期電耗為3 974 kW·h(0.40 W/m2)，電耗降幅為32%，循環(huán)水泵電能節(jié)省的主要原因是二次網(wǎng)總流量的降低，循環(huán)水泵負荷下降。

4 結(jié) 論

二次網(wǎng)是1種多變量、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，二次網(wǎng)平衡控制的難點首先是水力的解耦，即控制變量必須保證各個熱用戶之間無關(guān)聯(lián)或接近無關(guān)聯(lián)；其次是將多變量控制轉(zhuǎn)為簡單變量控制，即通過設(shè)計合理的控制變量，轉(zhuǎn)換為單變量或簡單變量控制；最后是全局和局部的熱能調(diào)度算法協(xié)同，全局熱能調(diào)度算法和局部熱能控制算法必須達到協(xié)同，不會發(fā)生算法上的沖突。

由于熱用戶端的水力存在強耦合，當控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)某個熱用戶的水流時，相鄰熱用戶的水流也會發(fā)生變化，從而影響了整體的平衡。當采用L值平衡控制算法后，任何1個熱用戶的水流發(fā)生變化時，相鄰熱用戶的控制器會自動調(diào)整閥門狀態(tài)，從而保證此些相鄰熱用戶的工作狀態(tài)保持不變，實現(xiàn)了熱用戶水力的解耦。

由于熱用戶在用熱時存在人為因素，導(dǎo)致每個熱用戶的熱負荷具有一定的不穩(wěn)定性和隨機性，可選擇L值作為平衡控制的控制變量。同時，根據(jù)L值的基本原理，可以將L值理解為1種熱量分配系數(shù)，因此，L值平衡控制算法是1種基于熱力分配系數(shù)為核心思路的控制算法，可部分抑制用熱的不穩(wěn)定性和隨機性，使得每個熱用戶的供熱模型具有一定的規(guī)則且標準化，很好地遵循了全域協(xié)同算法的基本規(guī)則。

L值平衡控制算法是二次網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)中極其簡單而有效的控制算法,所需的過程參數(shù)少且易獲取,算法可直接嵌入在熱用戶調(diào)控設(shè)備內(nèi),實現(xiàn)全自動運行。該算法具有高度自治性,設(shè)定的L值勿需頻繁修改,所有控制參數(shù)均在調(diào)控設(shè)備中形成內(nèi)部閉環(huán),體現(xiàn)出算法的穩(wěn)定性和可靠性。L值平衡控制算法具有普遍適用性,不同規(guī)格和類型的散熱體均能適用,結(jié)合室溫軟測量技術(shù)可實現(xiàn)室溫的精準控制,滿足二次網(wǎng)平衡所需的全自動控制等功能。