基于華能松原熱電熱網(wǎng)建設(shè)的智慧供熱系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用分析

張偉

（同方節(jié)能工程技術(shù)有限公司，北京 100083）

1 簡介

目前，華能松原熱電有限公司供熱總面積為1337.11 萬m2，其中直供站為34 個（2020 年新增直供熱力站7 個，供熱面積104.93 萬m2），現(xiàn)狀直供面積為800.39 萬m2，躉售面積為536.72 萬m2。供熱主線分為礦區(qū)一線、礦區(qū)二線、開發(fā)一線、開發(fā)二線。

項目建設(shè)的必要性：

從供熱技術(shù)層面：可實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)供熱技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)熱力站智能化建設(shè)、精準(zhǔn)的負(fù)荷調(diào)度、二網(wǎng)的平衡調(diào)節(jié)等。

從系統(tǒng)節(jié)能層面：數(shù)據(jù)價值的挖掘和技術(shù)的綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗8%～10%，同時，減少污染物的排放。

從企業(yè)管理層面：可實(shí)現(xiàn)供熱資產(chǎn)的集約化管理，升級管理模式。

從社會效益層面：可改善供熱質(zhì)量，提升供暖效果，增強(qiáng)居民滿意度。

因此，本項目的建設(shè)將具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會和節(jié)能效益。

2 系統(tǒng)問題分析

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行能耗較高

經(jīng)過近年來的自控設(shè)備完善和精細(xì)化管理，華能松原熱電有限公司的供熱能耗近幾年不斷降低。通過對華能松原熱電有限公司近三年的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，單位面積熱耗為0.45GJ/m2左右，單位面積電耗2.3kWh/m2左右，單位面積水耗146kg/m2左右。而類似氣候條件、類似供熱時長的其他供熱公司的單位面積熱耗為0.4GJ/m2左右，單位面積電耗為1.4kWh/m2左右，當(dāng)前華能松原熱電有限公司仍然有較大的供熱節(jié)能潛力可以挖掘。

2.2 缺乏科學(xué)的負(fù)荷預(yù)測與熱源調(diào)度手段

目前，供熱運(yùn)行主要以人工經(jīng)驗(yàn)為主，供熱質(zhì)量憑直覺和用戶投訴判斷，主觀因素偏多。熱網(wǎng)節(jié)能的關(guān)鍵在于熱源調(diào)度，熱源調(diào)度的前提是科學(xué)準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測。目前，公司雖然對部分用戶室內(nèi)溫度進(jìn)行了監(jiān)測，但仍未能實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶室內(nèi)溫度監(jiān)測進(jìn)行科學(xué)的負(fù)荷預(yù)測，進(jìn)而根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確的調(diào)度負(fù)荷，導(dǎo)致供暖季出現(xiàn)階段性超供現(xiàn)象，供熱能耗居高不下。

2.3 智慧熱網(wǎng)指揮中心配置不完備

熱網(wǎng)的耦合性決定了熱力站的調(diào)節(jié)必須從全網(wǎng)的角度統(tǒng)一考慮，缺乏上位的管控平臺，無法保證熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，無法實(shí)現(xiàn)對供熱質(zhì)量的綜合管控和對運(yùn)行指標(biāo)的量化管理，無法對整個供熱系統(tǒng)制定有效的安全運(yùn)行保障措施和供熱調(diào)度調(diào)控方案，造成供熱能耗浪費(fèi)，冬季供熱運(yùn)維保障工作有心無力。

2.4 二次網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)手段缺失

二次網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，普遍存在“大流量、小溫差”的現(xiàn)象，二次網(wǎng)供回水溫差普遍處于10℃以下，造成二次網(wǎng)循環(huán)水泵運(yùn)行電耗偏高。二次網(wǎng)循環(huán)泵基本都配備了相應(yīng)的變頻器，但實(shí)際運(yùn)行過程中，由于二次網(wǎng)不平衡，為了保證遠(yuǎn)端用戶的供熱效果，二次網(wǎng)不得不“大流量、小溫差”運(yùn)行，二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行頻率受制于二次網(wǎng)熱力平衡的限值無法得到有效降低，造成熱力站運(yùn)行電耗居高不下。

二級網(wǎng)的運(yùn)行變化頻繁，受室外氣溫、建筑結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)是否規(guī)范等因素影響較大，目前，39 座配水間各分支環(huán)路的溫度、流量已遠(yuǎn)傳至中控室，中控室已實(shí)現(xiàn)對各配水間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，但由于各配水間各環(huán)路只安裝了關(guān)斷閥，未安裝電動調(diào)節(jié)閥，只能依據(jù)現(xiàn)場表計進(jìn)行手動調(diào)控，無法根據(jù)溫度、流量情況實(shí)時調(diào)節(jié)。由于熱網(wǎng)存在滯后性、水力工況之間的耦合等情況，因此，難以將二級網(wǎng)水力工況調(diào)節(jié)平衡，造成二次網(wǎng)水力工況失調(diào)，用戶出現(xiàn)冷熱不均的現(xiàn)象，能耗較高。

3 解決方案

目前，熱力公司具備基本的自控設(shè)備，但是缺乏頂層架構(gòu)，僅具備熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和平衡調(diào)節(jié)軟件，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、價值挖掘；設(shè)備的管理；數(shù)據(jù)的可視化；生產(chǎn)與經(jīng)管平臺的融合均不具備，供熱系統(tǒng)的智慧化運(yùn)營和管理系統(tǒng)基本缺失，距離智慧供熱還有一定的距離。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，結(jié)合熱力的實(shí)際情況和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，針對性地提出以下綜合解決方案：（1）實(shí)現(xiàn)熱力站智能化建設(shè)。智能化熱力站是智慧供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源及調(diào)控基礎(chǔ)，首先完善站內(nèi)自控設(shè)施，提升自控水平。（2）躉售站數(shù)據(jù)的接入。實(shí)時監(jiān)控該站數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整網(wǎng)預(yù)測。（3）部分熱力站高直連機(jī)組改造。計劃將原先分集水器所帶的高中低區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行拆分，低區(qū)仍采用原先分集水器，中區(qū)和高區(qū)分為各自環(huán)路，在利舊的基礎(chǔ)上，新增各環(huán)路的板式換熱器、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵等設(shè)備。（4）部分熱力站大站拆小站。可在原有熱力站位置，將較大的單個系統(tǒng)，拆分成小系統(tǒng)，一方面，便于一網(wǎng)精細(xì)化調(diào)節(jié)，另一方面，有利于緩解二次網(wǎng)失調(diào)。選取部分配水間和單元立管，推廣二級網(wǎng)平衡技術(shù)。即利用二級網(wǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，對各環(huán)路安裝電動平衡閥和數(shù)據(jù)采集箱，同時在中控室設(shè)立二級網(wǎng)控制平臺，通過熱網(wǎng)平衡軟件對各環(huán)路及用戶的室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)的自動科學(xué)調(diào)控，降低管網(wǎng)水力失調(diào)度，降低能耗，滿足用戶的供熱需求。（5）選取熱力站典型熱用戶安裝室溫?zé)o線遠(yuǎn)傳裝置。通過最直接反映供暖質(zhì)量的室溫參數(shù)，對全網(wǎng)實(shí)際供熱效果進(jìn)行量化，指導(dǎo)供熱運(yùn)行。熱源按管網(wǎng)負(fù)荷需求輸出，“按需供熱”，保證供熱效果的同時節(jié)省供熱成本。（6）新增廠內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)熱源首站的數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時將未納入監(jiān)控系統(tǒng)的熱力站再接入。增加智慧供熱軟件平臺。該平臺實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)供熱技術(shù)的深度融合；構(gòu)建統(tǒng)一的企業(yè)數(shù)據(jù)集成中心；實(shí)現(xiàn)各類生產(chǎn)、經(jīng)管系統(tǒng)的集約化運(yùn)維管理；實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、能耗管理、應(yīng)急管理、智慧中心、水力計算和移動客戶端等平臺資源的整合，有助于實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的深度節(jié)能、數(shù)據(jù)的資源整合、可視化展示、事故的報警和故障處理等。（7）將現(xiàn)有收費(fèi)軟件數(shù)據(jù)納入智慧供熱軟件平臺，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信息共享。

4 建設(shè)內(nèi)容

4.1 熱力站的智能化建設(shè)

熱力站的智能化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)智慧供熱系統(tǒng)建設(shè)的必備條件，基本建設(shè)內(nèi)容包括工藝設(shè)備、自控設(shè)備、視頻監(jiān)控、通訊形式等。

改造技術(shù)路線如下：（1）新增熱力站自控系統(tǒng)完善；（2）部分熱力站新增熱表、水表、電表，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計；（3）實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)水泵、二網(wǎng)水泵、補(bǔ)水泵的遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)。

監(jiān)控系統(tǒng)：集中供熱計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)分為六個層級，通過工業(yè)以太網(wǎng)承載的Mobus-TCP 協(xié)議連接到企業(yè)監(jiān)控中心。

各層內(nèi)容包括：（1）機(jī)電設(shè)施層：熱源廠（熱電廠、供熱鍋爐等）、隔壓站及換熱站等終端站點(diǎn)；（2）就地儀表層：包含溫壓傳感器、流量計、閥門執(zhí)行器、變頻器等；（3）現(xiàn)場控制層：PLC、DCS 等可編程邏輯控制裝置；（4）通信網(wǎng)絡(luò)層：項目選用基于工業(yè)以太網(wǎng)的Mobus TCP 通訊協(xié)議；（5）中央監(jiān)控層：在監(jiān)控中心設(shè)置服務(wù)器，采集接收各終端站點(diǎn)數(shù)據(jù)并下發(fā)指令，達(dá)到安全、節(jié)能、環(huán)保型供熱的要求，并保證供熱質(zhì)量；（6）信息管理層：通過信息管理層，完成全網(wǎng)調(diào)度指揮、事故處理，信息管理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，提高企業(yè)效益。

4.2 二網(wǎng)平衡改造

供熱二次網(wǎng)平衡改造的目的在于消除供熱二次網(wǎng)系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)，保證整個系統(tǒng)供熱的均勻性，均勻分配各熱用戶之間的熱量，可以大大節(jié)省二次網(wǎng)的供熱量。實(shí)現(xiàn)測量各熱用戶的室內(nèi)溫度，以各熱用戶的室內(nèi)溫度作為調(diào)節(jié)目標(biāo)。由穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程可以得到，散熱器向房間的供熱量與房間向室外的散熱量相同，即：

式中，KFr為散熱器的傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積，W/℃。KFb為建筑物的傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積（包括冷風(fēng)滲入的影響），W/℃。

tg、th、ts、to為分別為二次網(wǎng)供水溫度、回水溫度、室溫和室外溫度，℃。

由上式可解出：

即在穩(wěn)定工況下，室溫為二次網(wǎng)供回水平均溫度和室外溫度的函數(shù)，權(quán)系數(shù)由建筑物的綜合傳熱系數(shù)KFb與散熱器的綜合傳熱系數(shù)KFr之比決定。由于單一熱力站所負(fù)責(zé)的建筑物的KFb與KFr之值相差不大，則各樓棟的二次網(wǎng)供回水平均溫度（tg+th）/2 基本上反映了該樓棟的平均室溫。

在實(shí)際項目中，各樓棟入口二次網(wǎng)供水溫度基本一致，為了減少項目工程投資，普遍將調(diào)節(jié)裝置安裝于各樓棟二次側(cè)回水管道上，用以采集和調(diào)節(jié)二次側(cè)回水溫度數(shù)據(jù)，力求彼此一致。二次網(wǎng)平衡改造可以保證各樓棟間的均勻供熱，避免冷熱不均。因此，二次網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)是保證供熱要求條件下的最節(jié)能的調(diào)節(jié)方式，也是使熱力公司獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的調(diào)節(jié)方式。

（1）對于現(xiàn)場具備安裝空間、取電、通訊條件的采用平衡調(diào)節(jié)閥（電動）方案進(jìn)行改造；（2）對各環(huán)路安裝電動平衡閥、數(shù)據(jù)采集箱，在中控室設(shè)立二級網(wǎng)控制平臺，利用現(xiàn)有光纖/無線將各環(huán)路運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)傳至中控室，以各環(huán)路的供回水平均溫度彼此一致作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，利用二級網(wǎng)平衡軟件對各環(huán)路參數(shù)進(jìn)行自動科學(xué)調(diào)控，降低管網(wǎng)水力失調(diào)度，達(dá)到二次級網(wǎng)均衡供熱，降低能耗，提高服務(wù)質(zhì)量，滿足用戶的供熱需求。（3）對具備條件的單元實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，改造技術(shù)路線同2。

4.3 智慧化運(yùn)營和管理系統(tǒng)建設(shè)

城市供暖的主要問題已經(jīng)從20 年前的室溫低、高投訴、熱費(fèi)上繳率低等民生問題轉(zhuǎn)變成為目前的室內(nèi)過熱、高能耗和降低污染物排放等面向生態(tài)文明發(fā)展的新要求。因此，對智慧供熱提出了的建設(shè)目標(biāo)：（1）改善室溫效果；（2）節(jié)約供熱能耗；（3）提升服務(wù)質(zhì)量；（4）完善供熱管理。

功能架構(gòu)：

智慧供熱信息系統(tǒng)的建設(shè)，包含六大層級：（1）設(shè)備層：包含熱源數(shù)據(jù)、熱網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)、換熱站運(yùn)行數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，目前松原熱電正在完善換熱站自控系統(tǒng)的智能化建設(shè)和二次網(wǎng)平衡改造。（2）網(wǎng)絡(luò)層：通過工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。目前，松原熱電已具備。（3）數(shù)據(jù)采集及處理層：部署SCADA、室溫采集、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲，將數(shù)據(jù)分發(fā)給熱網(wǎng)自動平衡控制層和平臺應(yīng)用層。目前，松原熱電SCADA 系統(tǒng)、視頻監(jiān)控完善、需要新增室溫采集系統(tǒng)。（4）熱網(wǎng)自動平衡控制層：可以有效地針對熱網(wǎng)大慣性、長時滯、穩(wěn)定性差和水力耦合性強(qiáng)的問題，解決熱網(wǎng)普遍存在的水平水力失調(diào)、冷熱不均的問題，大大地提高供熱質(zhì)量，有效地節(jié)約供熱能耗，為熱力公司帶來經(jīng)濟(jì)效益。（5）平臺應(yīng)用及智慧決策層：支持運(yùn)行GIS、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、能耗分析系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、設(shè)施管理系統(tǒng)、客服及收費(fèi)管理系統(tǒng)、在線水力分析等功能開發(fā)。目前，松原熱電沒有打通各系統(tǒng)的平臺級應(yīng)用。（6）展示層：通過監(jiān)控中心的設(shè)置的大屏、PC 客戶端或網(wǎng)頁及移動APP 的形式向客戶發(fā)送實(shí)時信息。目前，松原熱電已具備。智慧供熱信息系統(tǒng)從功能架構(gòu)上可以分為各級業(yè)務(wù)系統(tǒng)及智慧供熱平臺軟件。其中，各級業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、一網(wǎng)平衡、二網(wǎng)平衡、室溫監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、熱計量系統(tǒng)、客服及收費(fèi)系統(tǒng)，共計8 個子系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)中心將各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，統(tǒng)一接入智慧供熱平臺軟件，智慧供熱平臺軟件基ArcGIS地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度、能耗分析、設(shè)備管理、應(yīng)急管理、數(shù)據(jù)管理、水力計算、智慧中心等8 個功能模塊，并配套手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)動查看，同時平臺支持第三方系統(tǒng)接入。

5 結(jié)語

本項目包括新接站及已有熱力站的智能化改造、高直連系統(tǒng)的改造、大站改小站的建設(shè)、二次網(wǎng)平衡系統(tǒng)的建設(shè)、總調(diào)中心的智慧化運(yùn)營和管理系統(tǒng)建設(shè)。實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)供熱技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)熱力站智能化建設(shè)、精準(zhǔn)的負(fù)荷調(diào)度、二網(wǎng)的平衡調(diào)節(jié)等。更重要是數(shù)據(jù)價值的挖掘和技術(shù)的綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗8%～10%左右，同時減少污染物的排放，改善供熱質(zhì)量，提升供暖效果，增強(qiáng)居民滿意度。