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(dāng)前能源消耗的重要一部分，優(yōu)化供熱系統(tǒng)以實(shí)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(shè)備的限制，導(dǎo)致很難滿足節(jié)能要求，也使得集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，為此，想要充分?jǐn)[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(shè)計(jì)中的運(yùn)用，構(gòu)建全新的集中供熱自動(dòng)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(shí)現(xiàn)供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)

在集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行中，對(duì)系統(tǒng)負(fù)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(shí)際供熱負(fù)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(yù)測(cè)，比如天氣變化無(wú)常以及管網(wǎng)突然故障等等。就現(xiàn)階段而言，當(dāng)前關(guān)于集中供熱系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)報(bào)，通常都是使用傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法和經(jīng)驗(yàn)分析，包括知識(shí)平滑方法、回歸式反洗方法以及時(shí)間序列分析等。而以往的預(yù)報(bào)方式要求給出由各種影響因素所構(gòu)成的地?zé)峁┡?fù)荷預(yù)測(cè)模型。但隨著集中供熱體系日趨復(fù)雜化，其中的非線性變動(dòng)影響因素和時(shí)間變性并存，而除去有關(guān)供暖負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)之外，在實(shí)際建模時(shí)也需要大量的歷史數(shù)據(jù)支持，包括太陽(yáng)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(shí)候甚至無(wú)法進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。所以，預(yù)測(cè)模型的精確程度將無(wú)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(fù)荷預(yù)測(cè)方式無(wú)法滿足現(xiàn)代化需求，而通過智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效解決這一困境，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)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(duì)于傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)來(lái)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(jì)算方法。集中供熱系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜的問題，如果通過傳統(tǒng)的搜索算法，那么也會(huì)引發(fā)更加復(fù)雜的問題，使收斂速度降低，影響集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行效率，此外，由于非線性最優(yōu)化的方法是單點(diǎn)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(shè)計(jì)，也可以有效解決這一問題，通過遺傳算法的引入，利用隨機(jī)化技術(shù)指導(dǎo)編碼參數(shù)的高效搜索，與其他算法相比具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠全面實(shí)現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)。

2 集中供熱系統(tǒng)存在的問題

2.1 鍋爐運(yùn)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(shè)計(jì)中，經(jīng)常存在設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象，也有部分鍋爐系統(tǒng)存在運(yùn)行控制精確度不足的現(xiàn)象，進(jìn)而造成鍋爐運(yùn)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(fèi)大量的能源，也會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的污染。為此，這一問題也逐漸成為新時(shí)期集中供熱系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)話題。從以往的集中供熱系統(tǒng)來(lái)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(yùn)行效率不高，而且會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的污染。現(xiàn)階段，在我國(guó)煤氣改造理念的推動(dòng)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?xì)忮仩t。以電鍋爐為例，其主要是通過電力能源的轉(zhuǎn)化來(lái)達(dá)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(huì)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(shí)際工程分析進(jìn)行設(shè)定。燃?xì)忮仩t的效率要高于燃煤鍋爐，但是我國(guó)現(xiàn)階段集中供熱系統(tǒng)中的燃?xì)忮仩t運(yùn)用中，許多燃?xì)忮仩t的應(yīng)用效率沒有得到有效發(fā)揮。

①鍋爐運(yùn)行中受到外部因素的影響，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行效率始終無(wú)法有效提升；②鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，使燃料無(wú)法得到充分燃燒，引發(fā)能源浪費(fèi)與環(huán)境污染；③排煙濃度較高，高溫?zé)煔馀欧乓矊⒋罅繜崃肯ⅲ瑰仩t供熱效率大大減弱。

2.2 自動(dòng)節(jié)能效果不高

在新時(shí)代的集中供熱系統(tǒng)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)是重要的組成部分，同時(shí)也是系統(tǒng)中成本消耗最大的部分，所有自動(dòng)化設(shè)備的有效運(yùn)用，不僅能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)信息傳遞，同時(shí)還可以滿足遠(yuǎn)程控制需求，對(duì)換熱站實(shí)行管控和調(diào)度功能，從而合理化分配熱源，達(dá)到能源充分利用的目的。但是結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的集中供熱自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)看，依然存在許多問題，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①集中供熱自動(dòng)化系統(tǒng)中換熱站在日常運(yùn)行中很難實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量數(shù)據(jù)與熱源產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效對(duì)接；

②熱量傳輸過程中會(huì)受到控制阻礙，導(dǎo)致熱量無(wú)法高效輸送到熱力站，也很難達(dá)到用戶控制效果；

③在集中供熱系統(tǒng)工作時(shí)，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(dāng)困難，而同時(shí)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(dǎo)致整個(gè)工作系統(tǒng)都很難對(duì)室內(nèi)外的氣溫?cái)?shù)值進(jìn)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(yán)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(yán)重，從而導(dǎo)致供熱系統(tǒng)的熱輸送效率無(wú)法滿足預(yù)期供熱目標(biāo)，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(dǎo)致管網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間使用無(wú)法有效維護(hù)，經(jīng)常出現(xiàn)管網(wǎng)破損等問題；

②管網(wǎng)安裝設(shè)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(lái)較大的損失。

3 集中供熱系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 集中供熱智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 DCS電控柜硬件設(shè)計(jì)

圖2為集中供熱系統(tǒng)智能監(jiān)控拓?fù)鋱D，在DCS電控柜的一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)安裝中，合理設(shè)計(jì)溫度傳感器、過濾器、壓力變送器、流量計(jì)、補(bǔ)水閥變頻器、循環(huán)泵等控制系統(tǒng)與監(jiān)視設(shè)備。在DCS監(jiān)控柜的設(shè)計(jì)中，還要融入可編程PLC控制裝置、不間斷UPS裝置、無(wú)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(wú)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(chǎng)傳感器進(jìn)行有效連接，無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊將信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行模儔浩骱蚒PS為系統(tǒng)提供電能。通過補(bǔ)水泵和循環(huán)的變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到良好的智能控制效果。控制閥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(shí)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(cè)系統(tǒng)詳細(xì)拓?fù)鋱D

3.1.2 通信協(xié)議和程序設(shè)計(jì)

供熱管線的智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，必須設(shè)計(jì)通訊網(wǎng)絡(luò)、可編程控制器設(shè)備和管理信息等一些關(guān)鍵部分。在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，利用五G通信模塊實(shí)現(xiàn)撥號(hào)，從而得到隨機(jī)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(qǐng)，從而形成了良好的通訊聯(lián)系。當(dāng)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(dāng)接收到遠(yuǎn)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(jìn)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(dòng)態(tài)集中供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說，針對(duì)其具有的滯后性、耦合性以及時(shí)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(shè)計(jì)，能夠?qū)峋W(wǎng)二次供水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，通過人工設(shè)定控制器溫度，利用實(shí)際語(yǔ)言變成的模糊法則，輸出PID控制參數(shù)，達(dá)到二次供水溫度控制的作用。

3.1.4 溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)技術(shù)

當(dāng)室外溫度產(chǎn)生較大變化時(shí)，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(fèi)。為此，通過智能化技術(shù)的運(yùn)用，開展聯(lián)合遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)溫度補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合溫度補(bǔ)償器反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，熱電廠基于熱負(fù)荷預(yù)估反饋，建立供熱面積與實(shí)時(shí)供水的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)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(jì)算溫度，℃；tw——供暖室外某一溫度，℃；Tw’——供暖室外計(jì)算溫度，℃。

3.1.5 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于Kingview組態(tài)軟件，對(duì)多個(gè)二級(jí)熱力站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在主界面設(shè)計(jì)多個(gè)換熱站的集中顯示界面，在子界面設(shè)計(jì)各個(gè)換熱站的熱網(wǎng)回路，監(jiān)測(cè)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(bǔ)水泵壓力等指標(biāo)。各換熱站的子界面監(jiān)控系統(tǒng)雖內(nèi)容相似但相互獨(dú)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(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)清晰的層次結(jié)構(gòu)，組成相對(duì)獨(dú)立的單位，盡量避免彼此之間共享信息，從而達(dá)到良好的集中化供熱智能化管理目標(biāo)。

3.2 智能化技術(shù)應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的推動(dòng)下，智慧能源也得到了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，而智慧供暖也成為了當(dāng)代集中供熱系統(tǒng)建設(shè)的重要發(fā)展方向。智慧供暖的核心在于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)作出準(zhǔn)確預(yù)判，下達(dá)命令完成多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制效果，充分展現(xiàn)出系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)系與穩(wěn)定性。優(yōu)化集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)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(lái)舒適的供暖體驗(yàn)，也能夠提高供暖企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)與信息化技術(shù)的全面發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)保持著較高的自動(dòng)化程度，能夠大大節(jié)約集中供熱系統(tǒng)的勞動(dòng)生產(chǎn)率與熱效率，所以在集中供熱系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)廣泛運(yùn)用，進(jìn)一步提升了集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率，設(shè)定相應(yīng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控體系對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，結(jié)合具體情況，對(duì)整個(gè)集中供熱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控體系實(shí)現(xiàn)合理化設(shè)計(jì)，通過集散式監(jiān)控模式和中央集中監(jiān)控模式的靈活運(yùn)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(yīng)用

在我國(guó)節(jié)能減排理念的推動(dòng)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(yùn)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(xiàng)目，要深入研究節(jié)能減排供暖技術(shù)，在工藝水平符合實(shí)際要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)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(shè)計(jì)智能化除塵、降氮和脫硫脫硝系統(tǒng)，科學(xué)化地降低煙氣排放量，有效減少能源浪費(fèi)，符合集中供熱系統(tǒng)節(jié)能減排的設(shè)計(jì)要求。通過變頻技術(shù)的應(yīng)用，集中供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)運(yùn)行過程中，泵與風(fēng)機(jī)等設(shè)備所消耗的電能較大，其變頻控制技術(shù)的使用可帶來(lái)顯著的節(jié)能效果，同時(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。由流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知：

其中n1和n2分別代表機(jī)械轉(zhuǎn)速，G1和G2代表流體實(shí)際流量，H1和H2表示流體壓力值；P1和P2表示電機(jī)功率。由上式看出，相似工況下的水泵或風(fēng)機(jī)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(jìn)變頻設(shè)施，可以有效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)集中供熱系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)電運(yùn)行目標(biāo)，尤其是在風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模宏大、目標(biāo)多樣的系統(tǒng)，在智能化設(shè)計(jì)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(biāo)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(shè)置獨(dú)立控制裝置，并且具備獨(dú)立決策能力，將大系統(tǒng)功能和目標(biāo)分解，各子系統(tǒng)復(fù)雜性比整合系統(tǒng)復(fù)雜性小，容易實(shí)現(xiàn)自身最優(yōu)化，并且實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)調(diào)，取得系統(tǒng)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。在整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路中，應(yīng)用大系統(tǒng)理論，能夠結(jié)合不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出各自的控制方法與方向，對(duì)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行階梯化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過把大系統(tǒng)分解成單獨(dú)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(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)處理信息的自動(dòng)管理功能，進(jìn)行上下級(jí)信息交流，并且取得子系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)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(duì)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(gè)系統(tǒng)在整個(gè)集中供熱體系中又具有幾個(gè)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(shí)熱力站之間彼此獨(dú)立，相互間影響能夠基于一次網(wǎng)合理調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，在進(jìn)行整個(gè)供熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(jiǎn)化，達(dá)到分布式智能供熱效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)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(dāng)前我國(guó)集中供熱系統(tǒng)中存在的典型問題，對(duì)供熱系統(tǒng)鍋爐運(yùn)行效率不高、污染排放量較大、自動(dòng)節(jié)能效果不理想、供熱管網(wǎng)熱能損失嚴(yán)重等幾個(gè)問題進(jìn)行了深入討論，并對(duì)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(shí)期的供熱系統(tǒng)運(yùn)行要求，滿足我國(guó)供熱工程的健康發(fā)展。