基于模糊控制的集中供暖系統節能運行新技術＊

季 濤

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

基于模糊控制的集中供暖系統節能運行新技術＊

季 濤

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

本文采用現場總線監控技術將整個供暖系統中燃煤鍋爐、泵房循環泵和公共建筑供熱負荷分時段控制集成為一個監控系統。采用模糊PID控制技術優化鍋爐運行風煤比，提高鍋爐運行效率，采用智能分時分區流量控制技術實現大型公共建筑節能，采用氣候補償技術精確調節鍋爐熱功率輸出。在保證供暖質量的前提下，采用系統節能的方式實現供暖系統最優節能。針對供暖系統電機節能改造帶來的諧波污染問題，采用先進的電能質量控制節電技術消除了鍋爐房配電系統的諧波污染，達到了節約熱能、電能，并且提高電能質量的目的。現場實際運行表明，該技術可行有效，節能效果明顯。

供熱節能；分時分區流量控制；模糊PID技術；氣候補償

1 引言

在我國能源消耗結構中，北方地區供熱采暖耗能約占全社會總能耗的12%，占民用建筑總能耗的56%－58%［1］。供熱系統的能源綜合利用率僅為35%－55%，遠低于供熱發達國家80%左右的水平［2］。因此，集中供暖系統的節能對于節約能源，減少環境污染，提高人們居住質量等方面意義重大。

我國供熱系統普遍存在鍋爐熱效率低、熱源、熱網輸配不能隨時根據用戶的熱用量改變做出相應的調整、鍋爐房配電系統諧波污染嚴重等問題。城鎮熱水集中供熱大部分采用的燃煤鍋爐平均運行效率僅為60%－65%，比國外先進水平低15－20個百分點［3］。過去推行的供暖管理一直提倡“看天燒火”，但真正做到根據室外溫度的變化動態調節鍋爐功率輸出還有著相當大的距離。過去供熱運行指標一直居高不下是個很好的說明：耗煤量達到27－28kg／m2，耗氣量達到10－11Nm3／m2，電耗達到3.8－4.2k Wh／m2。與此同時由于鍋爐房內大量變頻設備的應用，導致諧波的大量產生，大量的諧波對電氣設備的使用壽命、繼電保護的快速動作、儀器儀表的精確測量、數據通訊的可靠性都有非常嚴重的影響。如今實現了用熱計量收費，所需熱量和流量由用戶自行決定。流量的變化使得對供熱系統水力工況和熱力工況的控制變得更加復雜。

2 集中供暖系統節能運行新技術

針對供熱系統存在的以上問題，研究開發了熱源及供熱負荷節能運行優化控制技術。

在供暖調節過程中引入帶有氣候補償的質量－流量調節方法。采用此種調節方法的供熱系統不僅供水溫度隨熱負荷的減小而降低，同時熱網的流量也隨熱負荷的減小而減小，這樣可以大大節省熱網循環水泵的電能消耗；但是為了防止水力失調，對直接連接的供暖用戶，進入系統的流量不能太少，通常應不小于設計流量的60%［4］。

為了實現供熱系統根據室外溫度變化和用戶的供暖需求按需供熱，精確實現質量－流量調節，本文采用模糊PID算法實現鍋爐出水溫度的控制，從而實現鍋爐輸出熱功率調節。控制系統以出水溫度信號為被調量，通過熱水鍋爐的燃燒控制系統的爐排給煤控制、送風控制和負壓控制，達到出水溫度的控制。

在節省熱能的同時通過電能質量控制節電技術精確濾除5次到50次的諧波電流，實現動態補償，可對頻率和大小均變化的無功功率進行補償，實現節約電能和提高電能質量的目的。

通過以上方案，熱源及熱網輸配能隨時根據室外溫度和用戶的用量改變做出相應的調整；供熱系統的供熱質量、電能質量、燃煤鍋爐的熱效率都得到了一定程度的提高。總體上提高了供熱系統的能源利用率。

3 控制技術原理

3.1 不同室外溫度下供回水溫度、流量計算

3.1.1 流量的計算

在供暖調節過程中相對流量G和相對熱負荷Q符合如下關系［3］：

其中，m∈［0，1］。

則簡單直接連接的熱網供回水溫度為［2］：

即：

其中，tn：室內設計溫度，℃；t′g：室內供水設計溫度，℃；t′h：室內回水設計溫度，℃；b：散熱器傳熱特性系數；tw：室外溫度，℃；t′w：室外設計溫度，℃。

3.1.2 流量優化系數m的取值

為了防止水力失調，對直接連接的供暖用戶，進入系統的流量不能太少，通常應不小于設計流量的60%［4］。

由ˉQ≤1以及ˉG必須大于0.6可知m必須小于logˉQmin ˉGmin即：

只有這樣，才能保證在供暖期間內ˉG＞0.6的穩定性要求，以濰坊地區為例：t′w＝－6℃［3］，tn＝20℃，供暖期內室外最高溫度tw（max）＝10℃，則

此外，m也不能太小，否則ˉG始終接近1，水泵節能不明顯。

3.1.3 雙管熱水供熱系統中供回水溫度、流量計算

則對應的供回水溫度；

以濰坊地區為例：

也僅是室外溫度tw的函數，如當室外溫度tw＝5℃時，tg＝71.8℃、th＝71.8℃，此時，

3.2 鍋爐的模糊PID自動調節

采用模糊PID算法，以控制鍋爐出水溫度實現鍋爐熱功率輸出調節，最終在熱網中精確實現質量－流量調節。

模糊PID算法中以出水溫度信號為被調量，通過熱水鍋爐的燃燒控制系統的爐排給煤控制、送風控制和負壓控制，達到出水溫度的控制。

3.2.1 模糊PID控制器的設計

根據鍋爐運行的控制要求，對鍋爐輔機采用模糊PID復合控制，采用模糊PID切換控制策略，在誤差大于最大誤差量程的7%時，采用模糊控制算法，誤差小于7%時，采用PID控制算法。這樣既克服了傳統PID控制響應慢的缺點，又克服了模糊控制不精確的缺點，使系統穩定可靠，提高了系統的整體性能。

3.2.2 鍋爐出水溫度控制的方法和要求

根據公式（8）得出供水溫度TG與室外溫度，為了在不同的室外溫度TW下，供水溫度TG滿足式（8），通過調節爐排轉速、鼓引風配比等因素控制鍋爐燃燒來實現。

3.2.3 模糊控制算法及其實現

（1）確定模糊控制結構

在每個燃燒周期，根據出水口溫度測量值和由式（8）計算出的設定溫度TG對比，求出溫度偏差e以及每個周期的溫度偏差的變化ec作為模糊控制的2個輸入量，爐排轉速的百分比（△MV）作為輸出量，形成雙輸入單輸出模糊控制結構。

（2）確定各變量的模糊集

誤差E的模糊量取7個，即PB、PM、PS、Z0、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。量化到整數論域為E＝｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝。

由于溫度變化緩慢，由觀察所得，確定溫度變化率△E取0.2℃，△E的模糊量取7個，即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。量化到整數論域為EC＝｛－3，－2，－1，－0，＋0，1，2，3｝。

輸出爐排速度U的模糊量取7個，即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB，分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。量化到整數論域為U＝｛－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7｝。

在設定溫度上下分別取6個偏離值將溫度模糊分割為7個區域，形成出水口溫度的模糊集（T－LL，T－LM，T－LH，T－NM，T－HL，T－HM，T－H H），然后再依據燃燒周期把每個周期溫度變化在0值左右分別取6個偏離值，以便將溫度變化率模糊分割為溫度變化模糊集（BT－LL，BT－LM，BT－LH，BT－NM，BT－HL，BT－HM，BT－H H）。

（3）確定各變量的論域

根據該鍋爐具體情況，溫度的論域換算百分數，差值設置為（－3，－2，－1，0，1，2，3）。溫度變化的論域設置為（－0.06，－0.01，－0.005，－0，0.005，0.01，0.06），爐排轉速調節爐排轉速增量的論域（%）設置為（－2，－1，－0.5，0，0.5，1，2）。

（4）建立模糊控制規則

模糊推理依據模糊語言規則進行，根據當前出水口溫度和溫度變化通過模糊條件語句確定模糊控制規則。

（5）模糊變量賦值

根據隸屬度函數確定出水口溫度、溫度變化與爐排轉速變化的隸屬度賦值表。

（6）建立控制規則表

根據模糊控制規則以及最大隸屬度方法，將控制量由模糊量變為精確量。即爐排轉速變化的百分值。鍋爐控制規則見表1。

表1 鍋爐控制規則表

（7）在每個燃燒周期，根據當前出水溫度設定值，通過查表的方法確定爐排轉速的增量。

3.3 電能質量優化控制

在鍋爐房內，爐排、鼓風機、引風機和循環泵等電機設備的調節一般是通過控制變頻設備來實現的，而變頻設備的應用會產生大量的諧波電流和無功電流，引起電網電壓、電流波形畸變，三相不平衡和功率因數低等電能質量問題。為了此類問題，可在系統中并聯電能質量控制節電裝置。

電能質量控制節電裝置利用高性能數字處理控制芯片TMS320F2812和全控型電力電子器件，采用基于瞬時無功功率理論的諧波檢測技術、電流環無靜差數字控制算法、雙閉環控制和空間矢量脈沖寬度調制技術，實時檢測電網中負載電流，快速分離出諧波成分、基波負序分量和無功分量，并根據各電流分量的大小產生控制指令，實時將大小相等、方向相反的補償電流注入到電網中，實現瞬時濾除諧波，同時還可以提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網的功率因數。電能質量控制節電裝置的工作原理圖如圖1所示，通過安裝電能質量控制節電裝置可以達到以下功能：

圖1 電能質量控制節電裝置的工作原理圖

（1）動態無功快速跟蹤補償，將鍋爐房內所有電機設備的功率因數提高到98%以上；

（2）采用有源補償的方式消除了由于不控整流帶來的諧波污染，提高了電能質量；

（3）保證了溫度、壓力、流量等儀表的正常工作和各參數數據的可靠通訊。

4 現場驗證

2010年7月，濰坊學院集中供暖系統采用本文所述方法進行了供暖系統整體節能改造，在保證供暖質量的前提下，采用公共建筑智能分時控制技術實現公共建筑節能，采用氣候補償技術，根據氣候溫度的變化實時調節熱源熱功率輸出，采用模糊PID控制技術調整鍋爐風煤比，保證煤的充分燃燒，提高鍋爐熱效率，實際運行結果表明，采用該技術實現集中供暖系統節能改造，節煤率可以達到15%－35%，節電率可以達到20%－45%。

圖2 連續24小時房間室內溫度與室外溫度變化對應圖

圖3 連續24小時室外氣溫、供水溫度設定值與一次供水溫度的對應圖

圖2為連續24小時房間室內溫度與室外溫度變化對應圖，室內測溫平均值為18.38℃，室外溫度平均為0.6625℃，室外溫度最大差值為8.4℃，室內溫度最大差值僅為1.2℃，表明室內溫度晝夜波動較小，滿足供熱要求。

圖3為連續24小時室外氣溫、供水溫度設定值與一次供水溫度的對應圖，實測表明，供水溫度與溫度設定值跟蹤情況良好，靜差平均值為0.7125，最大靜差為1.9，最小靜差為0.2，完全滿足供暖要求。

5 結論

（1）公共建筑智能分時分區控制技術對于大型公共建筑供暖節能效果非常明顯。

（2）氣候補償技術既可以提高供暖質量，又能夠節約熱能，適用于所有集中供暖系統節能改造。

（3）采用模糊PID控制技術優化鍋爐運行風煤比，可以實現煤的充分燃燒，提高鍋爐熱效率。

（4）質量－流量調節方法與傳統的質量調節方法相比，相對流量G小于1，有利于降低循環水泵能耗，減少管網供熱損失。

（5）采用變頻調速技術精確控制風機和循環泵的電功率輸出，可以起到很好的電力節能目的，同時，采用電能質量控制技術可以消除由于不控整流帶來的諧波污染和無功電流的影響。

［1］江億.我國建筑能耗狀況及有效的節能途徑［J］.暖通空調，2005，35（5）：30－40.

［2］涂逢祥.建筑節能形勢與政策［J］.中國建設信息供熱制冷，2006，（1）：34－37.

［3］李德英.供熱工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［4］賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，1993.

［5］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1997.

（責任編輯：肖恩忠）

New Energy－efficient Technology in the Central Heating System Based on Fuzzy Control Technique

JI Tao
（Weifang University，Weifang 261061，China）

The paper integrates the coal－fired boiler，circulating pump in the pump room and controlling heating load of public building in different time periods into an optimizing control system adopting field bus control technology.In the paper，air－coal ratio of boiler is optimally controlled adopting fuzzy PID control technology，the operation efficiency of boiler is improved，the large public buildings'energy consumption reduces adopting the intelligent flow control technology in different time periods and different type of region，the heating power output is regulated accurately adopting the climate compensation technology.On condition that the heating quality is guaranteed，the optimal energy saving target in the heating system can be achieved though adopting the system energy saving mode.Aiming at the harmonic pollution because of energy saving improvement of motor in the heating system，electric power quality control techniques are adopted to eliminate the harmonic pollution，which can reach the goal of heating saving，power saving and power quality improving.Practical operation shows that the technology is feasible and efficient，and the energy saving effect is remarkable.

heating energy saving，flow control technology in different time periods and different type of region，fuzzy PID control technology，climate compensation

2011－08－18

國家住房和城鄉建設部2011年科學技術項目：濰坊學院供暖系統節能改造示范工程（2011－S3－04）

季濤（1975－），男，山東濰坊人，濰坊學院信息與控制工程學院副教授，博士。研究方向：電力節能、供熱節能新技術及應用。

TK323；TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1671－4288（2011）06－0116－05