王金星WANG Jin-xing

（河北工大科雅能源科技股份有限公司，石家莊 050000）

0 引言

城市供暖作為當前能源消耗的重要一部分，優(yōu)化供熱系統(tǒng)以實現(xiàn)供熱節(jié)能顯得尤為重要。但是在傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)中，由于技術(shù)和設備的限制，導致很難滿足節(jié)能要求，也使得集中供熱系統(tǒng)運行效率低下，為此，想要充分擺脫這一困境，人們必須重視智能化技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)設計中的運用，構(gòu)建全新的集中供熱自動化系統(tǒng)，提高智能控制水平。

1 集中供熱系統(tǒng)智能化改造的重要意義

1.1 實現(xiàn)供熱負荷預測

在集中供熱系統(tǒng)運行中，對系統(tǒng)負荷影響的因素比較多，例如室內(nèi)室外溫差、建筑結(jié)構(gòu)、建筑種類、管網(wǎng)參數(shù)以及實際供熱負荷等，并且每一種因素之間都不存在線性關(guān)系，一些甚至很難有效預測，比如天氣變化無常以及管網(wǎng)突然故障等等。就現(xiàn)階段而言，當前關(guān)于集中供熱系統(tǒng)的負荷預報，通常都是使用傳統(tǒng)預報方法和經(jīng)驗分析，包括知識平滑方法、回歸式反洗方法以及時間序列分析等。而以往的預報方式要求給出由各種影響因素所構(gòu)成的地熱供暖負荷預測模型。但隨著集中供熱體系日趨復雜化，其中的非線性變動影響因素和時間變性并存，而除去有關(guān)供暖負荷的歷史數(shù)據(jù)之外，在實際建模時也需要大量的歷史數(shù)據(jù)支持，包括太陽輻射系數(shù)以及環(huán)境溫度變化等，因此很難保證其完整性，有些時候甚至無法進行合理評價。所以，預測模型的精確程度將無法獲得合理提高。若結(jié)合了以上因素，也使得以往的供熱負荷預測方式無法滿足現(xiàn)代化需求，而通過智能化系統(tǒng)的設計，能夠有效解決這一困境，實現(xiàn)精準的供熱負荷預測功能，也滿足現(xiàn)代化集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展需求。

1.2 滿足集中供熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

對于傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)來說，在調(diào)度優(yōu)化中主要包括搜索算法、枚舉法和啟發(fā)式計算方法。集中供熱系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化是一項復雜的問題，如果通過傳統(tǒng)的搜索算法，那么也會引發(fā)更加復雜的問題，使收斂速度降低，影響集中供熱系統(tǒng)運行效率，此外，由于非線性最優(yōu)化的方法是單點搜索，容易陷入局部最優(yōu)解，從而很難得到全局最優(yōu)解。所以，通過集中供熱系統(tǒng)智能化系統(tǒng)設計，也可以有效解決這一問題，通過遺傳算法的引入，利用隨機化技術(shù)指導編碼參數(shù)的高效搜索，與其他算法相比具有良好的應用優(yōu)勢，能夠全面實現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化的目標。

2 集中供熱系統(tǒng)存在的問題

2.1 鍋爐運行效率不高，污染排放量較大

鍋爐系統(tǒng)是集中供熱系統(tǒng)中的重要組成部分，但是在以往的鍋爐系統(tǒng)設計中，經(jīng)常存在設計不合理的現(xiàn)象，也有部分鍋爐系統(tǒng)存在運行控制精確度不足的現(xiàn)象，進而造成鍋爐運行過程中能源消耗較大，產(chǎn)生的污染排放也比較大，不僅浪費大量的能源，也會引發(fā)嚴重的污染。為此，這一問題也逐漸成為新時期集中供熱系統(tǒng)研究中的熱點話題。從以往的集中供熱系統(tǒng)來看，大部分集中供熱單位所使用的鍋爐都是燃煤鍋爐，而這種類型的鍋爐最大缺陷就在于鍋爐運行效率不高，而且會帶來嚴重的污染?，F(xiàn)階段，在我國煤氣改造理念的推動下，煤改電和煤改氣工程的不斷完善，也取代了傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，逐步采用電鍋爐和燃氣鍋爐。以電鍋爐為例，其主要是通過電力能源的轉(zhuǎn)化來達到高效供熱效果，但是作為二次能源，將污染源由鍋爐轉(zhuǎn)移到電廠，也會引發(fā)一定的環(huán)境問題。此外，能源的綜合利用效率也要結(jié)合實際工程分析進行設定。燃氣鍋爐的效率要高于燃煤鍋爐，但是我國現(xiàn)階段集中供熱系統(tǒng)中的燃氣鍋爐運用中，許多燃氣鍋爐的應用效率沒有得到有效發(fā)揮。

①鍋爐運行中受到外部因素的影響，導致鍋爐運行效率始終無法有效提升；②鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計不合理，使燃料無法得到充分燃燒，引發(fā)能源浪費與環(huán)境污染；③排煙濃度較高，高溫煙氣排放也將大量熱量消散，使鍋爐供熱效率大大減弱。

2.2 自動節(jié)能效果不高

在新時代的集中供熱系統(tǒng)中，自動控制系統(tǒng)是重要的組成部分，同時也是系統(tǒng)中成本消耗最大的部分，所有自動化設備的有效運用，不僅能夠準確地實現(xiàn)信息傳遞，同時還可以滿足遠程控制需求，對換熱站實行管控和調(diào)度功能，從而合理化分配熱源，達到能源充分利用的目的。但是結(jié)合我國當前的集中供熱自動化系統(tǒng)來看，依然存在許多問題，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

①集中供熱自動化系統(tǒng)中換熱站在日常運行中很難實現(xiàn)對熱量數(shù)據(jù)與熱源產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效對接；

②熱量傳輸過程中會受到控制阻礙，導致熱量無法高效輸送到熱力站，也很難達到用戶控制效果；

③在集中供熱系統(tǒng)工作時，最經(jīng)常出現(xiàn)的問題便是溫度水利失調(diào)現(xiàn)象，但由于這一問題大多是由供暖管道產(chǎn)生的，要徹底解決具有相當困難，而同時在供暖系統(tǒng)內(nèi)部所使用的溫度調(diào)控裝置又沒有合理性，導致整個工作系統(tǒng)都很難對室內(nèi)外的氣溫數(shù)值進行合理調(diào)節(jié)，并由此造成了大量的熱能散失。

2.3 供熱管網(wǎng)熱能損失嚴重

集中供熱系統(tǒng)常見問題便是能源損耗，引發(fā)這一問題的主要因素是熱管網(wǎng)中的熱能損失嚴重，從而導致供熱系統(tǒng)的熱輸送效率無法滿足預期供熱目標，也影響集中供熱系統(tǒng)節(jié)能效果。而引發(fā)這一問題的因素包括以下幾種：

①供熱管網(wǎng)缺乏城市供熱系統(tǒng)合理規(guī)劃，導致管網(wǎng)長時間使用無法有效維護，經(jīng)常出現(xiàn)管網(wǎng)破損等問題；

②管網(wǎng)安裝設置環(huán)節(jié)中，由于施工人員的疏忽引發(fā)管網(wǎng)泄露等問題，大大降低了管網(wǎng)熱輸送效率，從而給集中供熱企業(yè)帶來較大的損失。

3 集中供熱系統(tǒng)的智能化設計和實現(xiàn)

3.1 集中供熱智能化監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1.1 DCS電控柜硬件設計

圖2為集中供熱系統(tǒng)智能監(jiān)控拓撲圖，在DCS電控柜的一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)安裝中，合理設計溫度傳感器、過濾器、壓力變送器、流量計、補水閥變頻器、循環(huán)泵等控制系統(tǒng)與監(jiān)視設備。在DCS監(jiān)控柜的設計中，還要融入可編程PLC控制裝置、不間斷UPS裝置、無線傳輸模塊、變壓器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及觸摸屏，通過可編程PLC總線和無線傳輸模塊連接，利用數(shù)據(jù)采集器傳輸數(shù)據(jù)，將觸摸屏與可編程邏輯控制器相連。工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器和現(xiàn)場傳感器進行有效連接，無線數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊將信號傳輸?shù)娇刂浦行模儔浩骱蚒PS為系統(tǒng)提供電能。通過補水泵和循環(huán)的變頻控制系統(tǒng)設計，達到良好的智能控制效果?？刂崎y門開度完成二次供水溫度調(diào)節(jié)，并且利用變頻器調(diào)節(jié)實現(xiàn)二次回水的壓力與壓差調(diào)節(jié)。

圖2 集中供暖溫度監(jiān)測系統(tǒng)詳細拓撲圖

3.1.2 通信協(xié)議和程序設計

供熱管線的智能監(jiān)測控制系統(tǒng)方案設計中，必須設計通訊網(wǎng)絡、可編程控制器設備和管理信息等一些關(guān)鍵部分。在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中，利用五G通信模塊實現(xiàn)撥號，從而得到隨機分配的IP地址，并通過數(shù)據(jù)中心IP和端口向大規(guī)模數(shù)據(jù)中心發(fā)送通訊申請，從而形成了良好的通訊聯(lián)系。當DTU接收到熱供控制器中的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)到TCP/UDP內(nèi)，當接收到遠程傳送的數(shù)據(jù)串碼后，還可利用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至可程序化控制器中，從而進行了良好的數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。

圖1 PLC控制流程

3.1.3 模糊PID控制技術(shù)

結(jié)合動態(tài)集中供熱系統(tǒng)的設計來說，針對其具有的滯后性、耦合性以及時變性特征，需要構(gòu)建Fuzzy-PID控制系統(tǒng)，從而為系統(tǒng)提供供水恒溫輸出功能。通過該控制系統(tǒng)的設計，能夠?qū)峋W(wǎng)二次供水溫度進行實時調(diào)節(jié)，通過人工設定控制器溫度，利用實際語言變成的模糊法則，輸出PID控制參數(shù)，達到二次供水溫度控制的作用。

3.1.4 溫度補償調(diào)節(jié)技術(shù)

當室外溫度產(chǎn)生較大變化時，集中供熱系統(tǒng)的供熱量大于需求后，很容易產(chǎn)生供熱能源浪費。為此，通過智能化技術(shù)的運用，開展聯(lián)合遠程控制和現(xiàn)場溫度補償控制系統(tǒng)的設計，結(jié)合溫度補償器反饋來實現(xiàn)熱負荷調(diào)節(jié)，熱電廠基于熱負荷預估反饋，建立供熱面積與實時供水的數(shù)學模型，從而實現(xiàn)智能化供暖狀態(tài)。集中供熱調(diào)節(jié)的基本公式是：q=（tn-tw）/（tn-tw’）=g（tg-th）/（tg’-th’）=（tg+th-2tn）1+b/（tg’+th’-2tn）1+b

式中tn——供暖室內(nèi)計算溫度，℃；tw——供暖室外某一溫度，℃；Tw’——供暖室外計算溫度，℃。

3.1.5 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于Kingview組態(tài)軟件，對多個二級熱力站進行實時監(jiān)控，在主界面設計多個換熱站的集中顯示界面，在子界面設計各個換熱站的熱網(wǎng)回路，監(jiān)測熱網(wǎng)回路中一次供水溫度、二次供水溫度、閥門開度、循環(huán)泵壓力、補水泵壓力等指標。各換熱站的子界面監(jiān)控系統(tǒng)雖內(nèi)容相似但相互獨立，子界面監(jiān)控系統(tǒng)集成到主界面監(jiān)控系統(tǒng)中。根據(jù)結(jié)構(gòu)化設計思想，該系統(tǒng)設計成一個清晰的層次結(jié)構(gòu)，組成相對獨立的單位，盡量避免彼此之間共享信息，從而達到良好的集中化供熱智能化管理目標。

3.2 智能化技術(shù)應用

在互聯(lián)網(wǎng)+時代的推動下，智慧能源也得到了各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，而智慧供暖也成為了當代集中供熱系統(tǒng)建設的重要發(fā)展方向。智慧供暖的核心在于實現(xiàn)自動化技術(shù)的有效融合，通過管網(wǎng)系統(tǒng)以及采集熱源數(shù)據(jù)的采集，利用自動化系統(tǒng)作出準確預判，下達命令完成多系統(tǒng)聯(lián)動控制效果，充分展現(xiàn)出系統(tǒng)運行的經(jīng)濟系與穩(wěn)定性。優(yōu)化集中供熱系統(tǒng)的運行方式，也能夠滿足熱力平衡和水力平衡的系統(tǒng)需求，降低能源消耗，為用戶帶來舒適的供暖體驗，也能夠提高供暖企業(yè)經(jīng)濟收益。所以，通過智能化技術(shù)的引入也可以確保供熱體系中多方受益。此外，隨著計算機技術(shù)與信息化技術(shù)的全面發(fā)展，計算機監(jiān)控系統(tǒng)保持著較高的自動化程度，能夠大大節(jié)約集中供熱系統(tǒng)的勞動生產(chǎn)率與熱效率，所以在集中供熱系統(tǒng)中也實現(xiàn)廣泛運用，進一步提升了集中供熱系統(tǒng)的運行效率，設定相應的計算機監(jiān)控體系對鍋爐運行進行實時監(jiān)管，結(jié)合具體情況，對整個集中供熱系統(tǒng)計算機監(jiān)控體系實現(xiàn)合理化設計，通過集散式監(jiān)控模式和中央集中監(jiān)控模式的靈活運用，降低系統(tǒng)故障率，提高智能化監(jiān)控水平。

3.3 減排技術(shù)的開發(fā)和應用

在我國節(jié)能減排理念的推動下，也要做好集中供熱系統(tǒng)的全面改革。眾所周知，每年集中供熱系統(tǒng)運行產(chǎn)生的污染和能源消耗巨大，因此，開展集中供熱系統(tǒng)的減排和降耗也成為重要的研究方向。集中供熱行業(yè)作為民生工程項目，要深入研究節(jié)能減排供暖技術(shù)，在工藝水平符合實際要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)內(nèi)部設備進行智能化改造，利用最新節(jié)能降耗措施，減少鍋爐煙氣排放量，設計智能化除塵、降氮和脫硫脫硝系統(tǒng)，科學化地降低煙氣排放量，有效減少能源浪費，符合集中供熱系統(tǒng)節(jié)能減排的設計要求。通過變頻技術(shù)的應用，集中供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)運行過程中，泵與風機等設備所消耗的電能較大，其變頻控制技術(shù)的使用可帶來顯著的節(jié)能效果，同時還可以在很大程度上提高供熱質(zhì)量，滿足用戶的供熱需求。尤其是分布式變頻循環(huán)泵的使用，不僅可以提高水力平衡度，滿足均衡供熱需求，還可以提高效率，降低管網(wǎng)輸送能耗，有效實現(xiàn)節(jié)能減排。由流體力學相關(guān)知識可知：

其中n1和n2分別代表機械轉(zhuǎn)速，G1和G2代表流體實際流量，H1和H2表示流體壓力值；P1和P2表示電機功率。由上式看出，相似工況下的水泵或風機滿足相似定律，其轉(zhuǎn)速和流量之間成正比，輸出功率分別和流量與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過引進變頻設施，可以有效地實現(xiàn)整個集中供熱系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)電運行目標，尤其是在風機的運行方面所產(chǎn)生的節(jié)電效果最為顯著。

3.4 分布式智能供熱系統(tǒng)

集中供熱系統(tǒng)作為一個結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模宏大、目標多樣的系統(tǒng)，在智能化設計中還要充分遵循大系統(tǒng)理論思路，將系統(tǒng)的總體功能與目標結(jié)合一定關(guān)系分配到各子系統(tǒng)中，所有子系統(tǒng)都設置獨立控制裝置，并且具備獨立決策能力，將大系統(tǒng)功能和目標分解，各子系統(tǒng)復雜性比整合系統(tǒng)復雜性小，容易實現(xiàn)自身最優(yōu)化，并且實現(xiàn)良好的協(xié)調(diào)，取得系統(tǒng)全局優(yōu)化設計的效果。在整套系統(tǒng)的設計思路中，應用大系統(tǒng)理論，能夠結(jié)合不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設計出各自的控制方法與方向，對集中供熱系統(tǒng)進行階梯化結(jié)構(gòu)設計，通過把大系統(tǒng)分解成單獨的子系統(tǒng)，以確保各系統(tǒng)之間共同管理信息，并通過為上級系統(tǒng)設計協(xié)調(diào)處理信息的自動管理功能，進行上下級信息交流，并且取得子系統(tǒng)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，以確保大系統(tǒng)中獲得最優(yōu)值。集中供熱系統(tǒng)由熱源用戶、熱管網(wǎng)和提供熱源所組成，提供熱源為一次網(wǎng)系統(tǒng)，由熱力所組成，對集中供熱系統(tǒng)而言，一般包括次管網(wǎng)系統(tǒng)和熱力站，用戶端則是二次網(wǎng)系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)在整個集中供熱體系中又具有幾個子系統(tǒng)，一次管網(wǎng)與二次網(wǎng)之間直接通過熱力站連接，熱力站的功能可以滿足供暖需要，同時熱力站之間彼此獨立，相互間影響能夠基于一次網(wǎng)合理調(diào)度來實現(xiàn)。所以，在進行整個供熱系統(tǒng)方案設計中，可以通過熱力站作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保集中供熱系統(tǒng)建模結(jié)構(gòu)簡化，達到分布式智能供熱效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，集中供熱系統(tǒng)作為北方地區(qū)重要的民生工程，給人們的生活和城市發(fā)展都帶來重要的保障。為此，文章主要從集中供熱系統(tǒng)智能化改造的意義入手，分析了當前我國集中供熱系統(tǒng)中存在的典型問題，對供熱系統(tǒng)鍋爐運行效率不高、污染排放量較大、自動節(jié)能效果不理想、供熱管網(wǎng)熱能損失嚴重等幾個問題進行了深入討論，并對此研究出全新的智能化集中供熱系統(tǒng)，利用智能監(jiān)控技術(shù)、節(jié)能減排理念以及分布式智能供熱技術(shù)，解決傳統(tǒng)集中供熱中存在的各類問題，也符合新時期的供熱系統(tǒng)運行要求，滿足我國供熱工程的健康發(fā)展。