理智系列城市集中供熱計算機監控系統方案研究和實現

劉廣大，薛貴軍，梁大為，李水清，周振江

（1.河北聯合大學機械工程學院，河北唐山 063009；2.河北理工大學智能儀器廠，河北唐山 063009）

理智系列城市集中供熱計算機監控系統主要應用于中國蓬勃發展的城市集中供熱行業，重點解決集中供熱所涉及的熱力、熱電行業科學化管理手段和水平問題，提高能源的利用率，促進城市創造潔凈的空氣環境，強化和推動集中供熱領域的節能減排，經濟和社會效益顯著。

城市集中供熱是將集中熱源所產生的蒸汽、熱水通過管網供給一個城市或部分地區生產和生活使用的供熱方式，它由熱源、熱網、熱用戶3個部分組成［1－5］。熱力公司是承擔城市集中供熱任務的主體，各熱力公司普遍面臨著提高供熱質量、節約供熱能源、強化環保工作和降低供熱成本的發展瓶頸問題，即缺少一套科學的集中供熱監控管理系統。河北理工大學智能儀器廠在對中國熱網管理現狀充分調研的基礎上，結合中國熱網的特點，憑借服務于集中供熱領域十幾年的深厚底蘊，在研發了多項集中供熱監控管理的關鍵技術的基礎上，建立了一套適合中國國情的集中供熱計算機監控系統——理智系列城市集中供熱計算機監控系統，并在多個熱力公司運行，取得了較好的效果。

1 建設理念

城市集中供熱計算機監控系統在建設總理念上突出了對全熱網的統一管理和調度，力圖首先通過對全網供熱量的平衡調節建立一個熱力平衡的熱網基礎，進而推行熱源供熱量跟隨環境溫度變化的節能運行，實現用最小的能量消耗達到熱用戶滿意的目的。因此在系統的配置上也形成了以未來氣溫變化預測為指導的供熱量預報和以實時室外氣溫監測為依據的連續熱量調節方案。

2 設計理念

本方案把供熱運行管理的基本模式設計為在計算機監控管理系統的統一管理下實現依據國家關于冬季供暖的要求，實行集中規劃熱源供熱量的平衡供熱運行模式。具體控制策略明確為混合采用質調節和量調節的供熱運行方案，把目標明確為用最小的供熱成本達到良好的供熱效果。

2.1 建立基于線性系統理論的熱網平衡方法，實現用周期供熱量調節熱網平衡

針對城市熱網平衡調節中存在的問題，本方案全面啟用了由河北理工大學智能儀器廠研制的周期熱量分析管理方法，將熱量管理的科學思想真正貫通在由熱源—熱網—熱力站—熱用戶構成的整體供熱運行的全過程，把實現節能供熱的設想落實成了可操作的具體內容，并對二次網溫度監測細化到了各個分支。

周期供熱量調節熱網平衡的理論方法概括表述如下：以可靠的熱量計量為基礎，全面測控各熱力站一次網熱量和全部二次網環路的熱量；監控中心依據周期供熱量的平衡情況調控各熱力站一次網的平衡，并且兼顧調節二次網各環路的平衡，把不熱戶劃定在盡可能小的區域里，實現供熱大局的熱力平衡和供熱效果穩定；在此基礎上，依據環境溫度及部分熱用戶的實際供熱效果，對熱源供熱量進行預報規劃和運行中的實時調節，做到層次分明，運籌有致，達到經濟運行的目標。一次網熱力平衡的分布分析見圖1，偏離平衡值的各熱力站平衡熱量偏差圖見圖2，一次網熱力平衡分析給出流量調節建議的界面圖見圖3。

2.2 系統組網方式

本監控系統的組成采用了中央調度室（監控中心）通過公用電話網統轄各熱力站的組網方式，網絡結構見圖4。

圖1 一次網熱力平衡的分布分析圖Fig.1 Thermal balance diagram of primary network

圖2 偏離平衡值的各熱力站平衡熱量偏差圖Fig.2 Thermal deviation of each station compared to the mean value

圖4 網絡結構Fig.4 Diagram of network structure

2.3 系統功能設計

本方案在系統功能設計上突出了運行管理的實用性，首先在硬件系統構成上宏觀突出了在中央集權管理下的系統網絡化管理設計，適應了集中供熱的大系統運行管理要求；另外，在硬件構成中還明確了對環境溫度的集中測量環節，突出了監控中心可以隨時根據環境變化情況實時調節熱源供熱量，為全網統一調度管理提供規劃決策的數據依據。

對于供熱系統的管理體系，熱網計算機監控系統圍繞建立平衡供熱基礎和實現量調節供熱的科學供熱運行設計，把提高供熱質量、降低供熱成本進一步落實為對運行的管理。

一次網熱力平衡是計算機運行管理系統的中心任務，因此本熱網計算機運行管理系統的中心任務是確保一次網各熱力站的熱力平衡，為熱源實現規劃節能供熱，形成了隔斷欠熱戶直接控制熱源的可操作模式。

3 控制策略

本方案控制策略強調集中控制和管理的原則是根據目前按供熱面積管理和收費以及供熱現狀是以平衡供熱為目標的集中規劃供熱決定的。由于包括熱源和熱網的全部供熱環節都是在同一個指揮體系下的可規劃運行整體，因此控制策略可以并且應該落實為堅持系統性和集中性的原則。

在一次網平衡控制策略的支持下，二次網的平衡供熱問題被分離并且被限制成各熱力站相互獨立的問題，二次網的平衡應該由二次網自身解決。在戶用熱量表不能全面裝備供熱系統，并且在適當安裝自力式流量平衡閥的情況下，二次網執行不小于3kg／（h·m2）運行流量的運行方案，二次網平衡可通過適當調節自力式流量平衡閥實現（地暖供熱需特別對待）。

4 系統架構

理智系列城市集中供熱計算機監控系統采用分層分布式系統結構，將整個熱網監控系統劃分為3個層面。

4.1 熱力站現場測控層

由熱力站PLC 控制柜及眾多的測量和控制裝置構成，這些裝置具有測量、控制、保護、通訊等基本功能，可完成各自的特殊功能。該層裝置數量較多，應利用現場總線技術予以連接。

4.2 通信管理層

熱力站內測控單元通信主控單元的設計必須滿足以下2個方面：1）硬件上，應采用單片機或嵌入式PC、電子硬盤，支持多種硬件接口，如RS232／485、以太網口、PROFIBUS 等其他現場總線接口，保障可靠性和通用性；2）軟件上，應采用嵌入式實時操作系統（RTOS），模塊化設計，可支持多種通信規約，如MODBUS，PROFIBUS，TCP／IP 等，保 障 實 時性、標準性和可擴展性。

中央調度室采用寬帶、GPRS、電臺等通訊網絡與熱網各熱力站PLC控制柜交換數據，監控整個熱網運行。

4.3 系統監控層

系統監控層包括熱網監控運行工作站、數據庫服務器、應用和Web服務器，以及通信、監控、應用等各種軟件及其他設備等。此架構的優點在于設備就地安裝，與熱力站PLC控制柜間通過通訊線連接，分散控制。熱網監控運行工作站除實現畫面顯示、報表生成、打印、人機接口、事件記錄、報警、事故追憶、分析和系統維護等功能外，還可以充分利用熱網監控系統聯網后信息全面的優勢，加強熱網運行信息的應用，完成較為復雜的熱網科學化運行管理工作。

系統功能架構見圖5。

5 方案特點

5.1 建立了全新的三級熱量管理的基本理念

圖5 系統功能架構Fig.5 Diagram of system function structure

1）對熱源、一次網、二次網這3個環節全部使用測量熱量管理，廢止了全面溫度管理熱網運行模式。2）隔離用戶網對于熱源的控制，確保熱源能夠實現按規劃運行，擺脫熱源受個別不熱戶控制的被動供熱問題。3）熱源實行自動化控制，確保熱源供熱量按規劃的高效率運行。

5.2 組合應用二級泵技術和分布變頻泵技術

1）取代了傳統的統一大循環泵的運行方式，有效解決了各熱力站富裕資用壓力造成的大量電能浪費問題，降低了供熱成本。2）在以混水方式實現了熱源向熱網傳遞熱量的同時，解決了熱源運行流量長期受困于熱網運行流量的難題，從根本上解決了在供熱運行中熱網流量超出鍋爐額定流量引起的電能浪費和作為旁通使用鍋爐的熱能浪費問題。3）把傳統的供熱系統改變成了一種柔性的供熱系統，允許熱網可以根據平衡需要，隨意調節各熱力站的運行流量，并且不會出現管道壓力大幅度波動的安全問題，在機電“掉電關閉閥”系統的配套支持下，鍋爐房的掉電安全保護可以得到有效加強。4）熱網平衡調節工作可以隨著各熱力站循環泵的啟動而完成，簡化了大面積過熱和過冷的調節工作。5）熱網運行溫差可以大于鍋爐運行溫差，有利于大溫差、小流量節電熱能傳輸方案的執行，實現了供熱界多年希望的大溫差量調節供熱運行方案。

5.3 提升了多項供熱技術，推動了供熱行業技術進步

1）解開了傳統供熱系統熱源流量和一次網流量之間的流量耦合關系，使得這2個流量可以根據需要自由調節。2）解開了傳統供熱系統各熱力站運行流量之間的強耦合關系，也可以使得各熱力站的運行流量根據需要自由調節。3）解決了困擾傳統供熱系統熱能傳輸電耗大的難題，找到了一種節電的一次網熱能傳輸工藝系統模式。4）在計算機監控系統的管理下可以實現量調節供熱。5）實現了多熱源－熱網全自動聯控，整體提高了熱網自動化控制水平。

6 應 用

綜合目前應用理智系列城市集中供熱計算機監控系統的熱力公司的統計數據，理智系列城市集中供熱計算機監控系統為用戶年節能在15%以上。

6.1 河北盛華化工有限公司采用本方案后實際節能情況

熱源以河北盛華化工有限公司熱電廠3臺130 t／h循環流化床鍋爐和2 臺南京汽輪機廠生產的C25－4.90／0.981抽凝機組為主，凝汽器低真空循環水供熱是利用汽輪機凝汽器中的尾氣余熱作為供暖系統熱源，供熱面積為80萬m2。

2009年至2010年，采暖季張家口市供熱單耗為熱0.39GJ／m2（合標煤13.5kg／m2），電2.17kW·h／m2，實現年綜合節能21%。

6.2 新疆吐哈石油基地應用本項目后實現節能情況

新疆吐哈石油基地供熱系統采用間接換熱的集中采暖和生活熱水兩聯供系統，采暖面積為136.5萬m2，全年連續供應生活熱水。新疆吐哈石油基地2008年至2009年采暖季實現供熱目標如下：平均室溫達到22 ℃，實際單耗熱合標煤22.3kg／m2，電4kW·h／m2，年實現綜合節能16%。

6.3 山西朔州熱力公司采用本方案后實現節能情況

山西朔州熱力公司采用熱電聯產供熱模式，以山西神頭第二發電廠為熱源，并利用熱電廠冷卻循環水余熱供熱，供熱面積為628 萬m2。2010年至2011年采暖季，朔州熱力公司供熱單耗如下：熱0.47GJ／m2，電3.8kW·h／m2，年實現綜合節能19%。

7 結 語

理智系列城市集中供熱計算機監控系統方案，適用于中國北方的各類集中供熱系統。理智系列城市集中供熱計算機監控系統為熱力行業的用戶提供了可靠的科學化管理平臺，解決了困擾熱力行業多年的技術瓶頸——熱力平衡難題，從根本上化解了阻礙熱力行業科學化管理的癥結，為推動和諧社會的建立，實現城市清潔天空的節能減排做出了較大的貢獻。

2010－10－14 在北京國際會議中心召開了中國計算機信息系統集成10周年總結大會暨2010中國信息服務業高峰論壇。鑒于理智系列城市集中供熱計算機監控系統對推動城市集中供熱行業技術進步的貢獻，以及節能減排的良好效果，河北理工大學智能儀器廠的“理智系列城市集中供熱計算機監控系統方案”獲“計算機信息系統集成典型解決方案（2010年度）”獎，此次表彰涉及23個?。ㄊ校?1家單位的100個方案，該方案是河北省唯一獲獎項目。此榮譽的獲得，標志著理智系列城市集中供熱計算機監控系統成果將對中國熱力行業的技術進步產生積極的推動作用。

／References：

［1］ 崔明輝，趙立川.間接連接熱水供暖系統集中供熱調節分析［J］.河北科技大學學報，2010，31（6）：584－587.CUI Minghui，ZHAO Lichuan.Analysis of concent rated heat ingregulation for indirect connection hot water heat ing system［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2010，31（6）：584－587.

［2］ 李 媛.基于PLC 的變頻調速恒壓供水計算機監控系統［J］.河北科技大學學報，2004，25（3）：59－61.LI Yuan.The computer supervision and control system of varying speed and constant pressure feed water based on PLC［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2004，25（3）：59－61.

［3］ 田亞雷.地下水源熱泵采暖及與集中供熱采暖的比較［J］.河北工業科技，2011，28（2）：132－135.TIAN Yalei.Comparison of ground water heat pump heating and central heating［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2011，28（2）：132－135.

［4］ 魏永紅.城市集中供熱監控策略、算法及應用［D］.天津：河北工業大學，2002.WEI Yonghong.City Central Heating Monitoring Strategy，Algorithm and Application［D］.Tianjin：Hebei University of Technology，2002.

［5］ 呂德臣，劉 波，孔慶君.城市集中供熱監控系統的組成及應用［J］.區域供熱，2004（5）：34－37.LYU Dechen，LIU Bo，KONG Qingjun.City central heating monitoring system［J］.District Heating，2004（5）：34－37.