馬艷良 羅詩林 李彥成

天津市熱力有限公司

0 背景

在供熱領(lǐng)域，以節(jié)能降耗為目的的“精準(zhǔn)供熱”方式越來越受到各供熱公司的重視。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，已產(chǎn)生多種節(jié)能降耗的自動(dòng)控制模式來逐漸替代傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式。其基本宗旨是盡量減少人為參與的程度，利用大數(shù)據(jù)等計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能、合理地調(diào)節(jié)供水溫度，在降低能耗的同時(shí)，保證用戶的用熱需求，使其室內(nèi)溫度處于體感舒適的溫度范圍。重點(diǎn)介紹了源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)在供熱運(yùn)行中的應(yīng)用，通過技術(shù)路線、運(yùn)行策略、操作步驟及全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)等方面的介紹，分析該控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 技術(shù)路線

源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是二次網(wǎng)智能平衡，通過調(diào)整安裝在熱力管井內(nèi)的戶用智能調(diào)節(jié)閥開度來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是使熱用戶室內(nèi)處于舒適的溫度，通過設(shè)定室內(nèi)目標(biāo)溫度，基于大數(shù)據(jù)分析的全網(wǎng)優(yōu)化控制策略自動(dòng)進(jìn)行分析，憑借熱源、換熱站的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到按需供熱、節(jié)能運(yùn)行的目的。

該系統(tǒng)包括智慧供熱節(jié)能監(jiān)控平臺、下位機(jī)、戶用智能閥、換熱站PLC控制系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)挖掘分析專家系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、典型用戶室內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)、鍋爐房PLC控制系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)清洗及分析挖掘機(jī)器學(xué)習(xí)的AI系統(tǒng)、智慧供熱數(shù)據(jù)庫。

智慧供熱節(jié)能監(jiān)控平臺用于設(shè)定二次供水溫度、室內(nèi)溫度目標(biāo)值、監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)等；下位機(jī)用于接收調(diào)控指令，對戶用智能閥下達(dá)調(diào)節(jié)開度的指令；戶用智能閥用于調(diào)節(jié)入戶循環(huán)水的流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)二次網(wǎng)水力平衡；換熱站PLC控制系統(tǒng)用于接收和下發(fā)換熱站設(shè)備的控制指令；基于大數(shù)據(jù)挖掘分析專家系統(tǒng)用于分析運(yùn)行參數(shù)，并自動(dòng)下發(fā)二次供水溫度；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)一次循環(huán)水流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)二次供水溫度的目的；典型用戶室內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測典型用戶的室內(nèi)溫度，并通過數(shù)據(jù)篩查和分析計(jì)算，采取有效室內(nèi)平均溫度；鍋爐房PLC控制系統(tǒng)用于接收和下發(fā)鍋爐房設(shè)備的控制指令；基于大數(shù)據(jù)清洗及分析挖掘機(jī)器學(xué)習(xí)的AI系統(tǒng)用于分析智慧供熱數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并預(yù)測鍋爐負(fù)荷；智慧供熱數(shù)據(jù)庫包含室外綜合氣象參數(shù)、歷史運(yùn)行參數(shù)、建筑熱惰性，為基于大數(shù)據(jù)挖掘分析專家系統(tǒng)和基于大數(shù)據(jù)清洗及分析挖掘機(jī)器學(xué)習(xí)的AI系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。其控制系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

2 運(yùn)行策略

供熱系統(tǒng)由熱源、熱力站、熱網(wǎng)組成，在運(yùn)行過程中往往僅能單獨(dú)調(diào)節(jié)、獨(dú)立運(yùn)行，缺少三級聯(lián)動(dòng)控制，造成能源的浪費(fèi)與運(yùn)行成本的增加。針對供熱系統(tǒng)的此特性，亟須一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱源、熱力站、熱網(wǎng)三級聯(lián)動(dòng)控制的方法，達(dá)到按需供熱、節(jié)能運(yùn)行的目的，減少能源的消耗，降低供熱運(yùn)行的成本。

源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行策略是將熱源、熱力站、熱網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制，以用戶室溫為目標(biāo)，動(dòng)態(tài)調(diào)整二次供水溫度；二次網(wǎng)循環(huán)泵采用定壓差方式運(yùn)行；鍋爐出水溫度根據(jù)源網(wǎng)參數(shù)之間的耦合條件，采用非線性規(guī)劃理論進(jìn)行優(yōu)化確定；一次網(wǎng)循環(huán)泵采用定壓差方式運(yùn)行。源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行原理圖見圖2。

圖2 源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行原理圖

每個(gè)供熱系統(tǒng)的特性均具有不可復(fù)制性，如何根據(jù)源網(wǎng)匹配特性定制優(yōu)化控制策略，保證熱網(wǎng)安全、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行非常重要。因此，需要針對熱力管網(wǎng)的實(shí)際情況，制訂優(yōu)化控制策略，以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的科學(xué)調(diào)控與安全運(yùn)行，達(dá)到“均衡輸送、按需供熱、節(jié)能降耗”的最終目標(biāo)。

源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的全網(wǎng)平衡策略為一次網(wǎng)均勻性控制，消除水力失調(diào)帶來的能源浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)以上需求的控制策略如下：

1）根據(jù)穩(wěn)定運(yùn)行后的歷史供水溫度、階段性循環(huán)流量、歷史耗熱量等監(jiān)測參數(shù)，預(yù)測熱源未來輸出熱量和供水溫度，指導(dǎo)熱源供熱范圍內(nèi)的合理分配，并實(shí)時(shí)判斷熱源供熱量是否與需熱量匹配。

2）依據(jù)各換熱站的二次供水溫度、二次回水溫度、耗熱量、室外氣象參數(shù)等歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑熱特性、室溫需求及室外氣象參數(shù)變化，預(yù)測在滿足供熱需求的情況下各換熱站未來的日耗熱量、未來的日二次網(wǎng)供熱參數(shù)，使各熱源下轄的換熱站按照需求進(jìn)行調(diào)控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)按需供熱。

3）選取智慧供熱改造范圍內(nèi)的各小區(qū)的典型熱用戶室溫，由于小區(qū)建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)采暖方式等決定的滯后特性及室溫變化規(guī)律不同，換熱站調(diào)節(jié)控制和優(yōu)化規(guī)律也不同。在綜合考慮室外綜合溫度（室外溫度、太陽輻照、室外風(fēng)速）、晝夜人體熱舒適度感受需求、室內(nèi)溫度控制目標(biāo)要求（恒溫、階段性溫度變化）等因素下，利用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化計(jì)算方法，形成系統(tǒng)的閉環(huán)控制流程，得出以滿足預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度為總體目標(biāo)，以滿足采暖舒適度的建筑熱耗為控制目標(biāo)，以滿足分時(shí)改變供水溫度為控制參數(shù)的換熱站優(yōu)化控制策略。

3 操作步驟

第一步為錄入基礎(chǔ)信息，點(diǎn)擊菜單【基礎(chǔ)信息】進(jìn)入。實(shí)現(xiàn)對從熱源到熱用戶全面的基礎(chǔ)信息的錄入和編輯功能，包括【熱力信息管理】【組織機(jī)構(gòu)】【熱源管理】【管網(wǎng)站管理】【換熱站管理】【居建管理】【室溫監(jiān)測】及【采暖期信息】。重點(diǎn)注意各熱用戶、換熱站、熱源的供熱面積準(zhǔn)確性以及各層級所屬關(guān)系。其基礎(chǔ)信息錄入圖見圖3。

第二步為設(shè)置室溫目標(biāo)，點(diǎn)擊主界面【運(yùn)行監(jiān)控】進(jìn)入【換熱站運(yùn)行監(jiān)控】。開啟換熱站自動(dòng)運(yùn)行模式，并逐一設(shè)定各換熱站下屬熱用戶的室溫目標(biāo)。室溫目標(biāo)溫度設(shè)置圖見圖4。

第三步為下發(fā)聯(lián)動(dòng)控制命令，返回主界面【運(yùn)行監(jiān)控】進(jìn)入【熱源運(yùn)行監(jiān)控】。點(diǎn)擊【控制柜】進(jìn)入熱源控制柜運(yùn)行圖界面，下發(fā)聯(lián)動(dòng)控制命令，開啟鍋爐自動(dòng)運(yùn)行模式。根據(jù)系統(tǒng)提示信息，現(xiàn)場啟動(dòng)投運(yùn)鍋爐。聯(lián)動(dòng)控制命令下發(fā)圖見圖5。

圖5 聯(lián)動(dòng)控制命令下發(fā)圖

第四步為監(jiān)測全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，通過對各換熱系統(tǒng)控制精度的分析，可以監(jiān)測調(diào)節(jié)控制情況，確保供熱平衡，達(dá)到預(yù)定控制目標(biāo)。根據(jù)上位機(jī)數(shù)據(jù)繪制各個(gè)熱力站的供水壓力、回水壓力水壓圖，分析管網(wǎng)的壓力分布，從全局上掌控整網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)情況。

通過智能分析功能對各個(gè)機(jī)組、系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備故障診斷、能耗診斷、優(yōu)化控制等全方位的分析，監(jiān)測整個(gè)供熱系統(tǒng)設(shè)備故障情況、能耗情況，及時(shí)了解管網(wǎng)目前狀態(tài)并進(jìn)行針對性的解決。

4 結(jié)語

使用源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的第一個(gè)采暖季，熱單耗為0.107 6 MJ/m2·℃，與計(jì)劃的指標(biāo)值0.127 7 MJ/m2·℃相比，下降了15.7%，同時(shí)電耗、水耗也有一定程度的下降，節(jié)能降耗工作取得了一定的效果。

源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)建立了優(yōu)化、合理的控制邏輯策略，配備了各環(huán)節(jié)所需的控制硬件及軟件，以大數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理為手段，通過終端熱用戶室內(nèi)測溫面板溫度的反饋，及時(shí)對換熱站和熱源的熱能分配進(jìn)行調(diào)整，在滿足熱用戶實(shí)際用熱需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱、節(jié)能降耗的目的。該系統(tǒng)完善了供熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一調(diào)度和控制[1]，弱化了人為參與供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)的程度，降低了人為因素造成能源浪費(fèi)的可能性，對熱力公司產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。