自動(dòng)化技術(shù)在當(dāng)代智能熱力系統(tǒng)的功能提升中的應(yīng)用

常周慶

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原 030012)

1 概述

隨著我國(guó)逐步進(jìn)入“十三五”規(guī)劃下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)改革，各行各業(yè)開(kāi)始進(jìn)行智能化改造，其中，工業(yè)領(lǐng)域是智能化提升的主力。尤其是我國(guó)逐步提出“工業(yè)4.0”的概念，“互聯(lián)網(wǎng)+”開(kāi)始成為改革的風(fēng)向標(biāo)，對(duì)于能源企業(yè)來(lái)說(shuō)，“節(jié)能降耗”是永恒的主題。目前，國(guó)家的能源利用逐步走向智能化和自動(dòng)化，全國(guó)開(kāi)始組建以“能源互聯(lián)網(wǎng)”為載體的全局能源構(gòu)架。其中，對(duì)于熱力企業(yè)來(lái)說(shuō)，熱力系統(tǒng)是主要的能源系統(tǒng)，其如何有效的與“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)進(jìn)行融合構(gòu)建智能熱網(wǎng)，是目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

目前，隨著各行各業(yè)智能化水平的不斷提高，熱力行業(yè)也逐步開(kāi)始應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)來(lái)嘗試達(dá)到“節(jié)能降耗”的目的。目前，區(qū)域供熱系統(tǒng)中，存在大量的智能設(shè)備，從這些發(fā)送和接收設(shè)備中管理大量的實(shí)時(shí)信息是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。如何構(gòu)建智能化系統(tǒng)是當(dāng)前探究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2 自動(dòng)化技術(shù)在區(qū)域熱網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

區(qū)域供熱系統(tǒng)(DH)是熱源站到社會(huì)不同部門(mén)，如住所，各行業(yè)處所(例如:CBD群)的最佳供熱方式。在DH系統(tǒng)中，熱量通過(guò)管道網(wǎng)絡(luò)從熱力發(fā)電廠向最終用戶(hù)傳遞，用于滿(mǎn)足需求側(cè)供暖和生活熱水需求。它可以使用各種燃料和余熱熱量作為熱源產(chǎn)熱，也正是其可再生能源比例越來(lái)越高，所以區(qū)域供暖也為減少全球和當(dāng)?shù)氐亩趸寂欧帕科鸬搅酥匾饔谩３酥猓瑓^(qū)域供熱的突出優(yōu)勢(shì)在于它可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)，能夠最有效地利用一次能源。歐盟委員會(huì)到2050年具有里程碑意義的路線圖報(bào)告表明:在2050年整個(gè)歐洲達(dá)到80%的減排量，電力部門(mén)將需要幾乎完全脫碳(95% ～100%)。因此，歐盟委員會(huì)的電力計(jì)劃旨在到2050年用可再生能源替代燃煤發(fā)電，靈活的低碳方式將成為很長(zhǎng)一段時(shí)間的主要能源形式。能源市場(chǎng)放松管制的程度越來(lái)越高，并且越來(lái)越關(guān)注節(jié)能建筑對(duì)DH系統(tǒng)的需求。因此，創(chuàng)新IT的創(chuàng)造和應(yīng)用DH中的生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是改善能源效率的必要方式。目前，中國(guó)正逐步引進(jìn)新型自動(dòng)化技術(shù)，且在熱力系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用，區(qū)域供熱(DH)被認(rèn)為是一種目前較為先進(jìn)的供熱形式，其可以利用多元化能源資源;這些資源涉及廢熱回收、熱泵、蓄熱、熱電聯(lián)產(chǎn)和可再生能源一體化。在供熱系統(tǒng)運(yùn)行期間，有大量的數(shù)據(jù)交互，在實(shí)際情況中，為了使用自動(dòng)化技術(shù)構(gòu)建智能熱網(wǎng)系統(tǒng)，就需要一個(gè)內(nèi)存和速度都滿(mǎn)足的能源數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

3 利用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升區(qū)域供熱系統(tǒng)的智能化

3.1 基于自控技術(shù)的用戶(hù)側(cè)熱力系統(tǒng)的智慧熱力腦

現(xiàn)代化的區(qū)域供暖系統(tǒng)配備監(jiān)控和控制生產(chǎn)單元以及先進(jìn)的系統(tǒng)控制室。這些系統(tǒng)主要集中在生產(chǎn)方和用戶(hù)需求側(cè)。基于SCADA系統(tǒng)獲取外部和內(nèi)部實(shí)時(shí)參數(shù)，與自適應(yīng)控制系統(tǒng)一起使用，從而涵蓋整個(gè)熱力生產(chǎn)。另一方面，這個(gè)將是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，可以處理大型實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)量。考慮到DH系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)改變屬性，DH系統(tǒng)模型需要很高的計(jì)算時(shí)間和知識(shí)資源，知識(shí)推理和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化能力。因此，需要專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)快速高效的實(shí)時(shí)處理能量和用戶(hù)行為的算法系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行有效的能源管理，系統(tǒng)將保持一系列目標(biāo)(例如維持一個(gè)目標(biāo)——每天為每棟建筑設(shè)定溫度)，在這情況下，有必要監(jiān)控內(nèi)部和外部參數(shù)值(例如建筑物熱量、天氣數(shù)據(jù))和網(wǎng)絡(luò)預(yù)期狀態(tài)之間的關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)智能化控制，在DH系統(tǒng)中需要確保整體能源管理信息系統(tǒng)監(jiān)控并為自主決策提供整體優(yōu)化方案和預(yù)測(cè)功能。用戶(hù)側(cè)的熱力智能化控制如圖1所示，客戶(hù)側(cè)配備了先進(jìn)自控技術(shù)，使客戶(hù)能夠在智能手機(jī)、平板電腦和PC的視覺(jué)幫助下，以應(yīng)用程序的形式提供簡(jiǎn)單用戶(hù)界面，來(lái)協(xié)助進(jìn)行加熱調(diào)整和優(yōu)化運(yùn)行。基于現(xiàn)有的各種能源項(xiàng)目應(yīng)用速度，將有助于將智能化能源和移動(dòng)解決方案整合到擬議的DH系統(tǒng)中，可以進(jìn)一步使用這種智能應(yīng)用程序加強(qiáng)供熱公司之間的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 用戶(hù)側(cè)的熱力智能化控制系統(tǒng)

3.2 將自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用到區(qū)域供熱系統(tǒng)——智慧熱力的構(gòu)架

自動(dòng)化技術(shù)由于其優(yōu)于傳統(tǒng)控制的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，成為流行的控制手段。典型的優(yōu)勢(shì)包括靈活性，可擴(kuò)展性，高能源效率和低成本等。因此，預(yù)計(jì)它將來(lái)會(huì)成為熱力系統(tǒng)主要的控制手段。自動(dòng)化技術(shù)在DH系統(tǒng)中，應(yīng)用內(nèi)容廣泛，包括:SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用、全網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)、熱力站無(wú)人值守的監(jiān)控應(yīng)用、循環(huán)泵的應(yīng)用及分時(shí)段頻率調(diào)節(jié)等方面，這些手段主要都是為了體現(xiàn)出節(jié)能降耗的目的。

圖2 基于自動(dòng)化技術(shù)的智慧熱力系統(tǒng)的構(gòu)架

通過(guò)在DH系統(tǒng)中使用如圖2所示的基于自動(dòng)化技術(shù)的智慧熱力腦，我們不僅可以解決大型和分布式信息的問(wèn)題管理，還可以提供高能效和低成本運(yùn)行平臺(tái)。這是因?yàn)槟壳暗淖詣?dòng)化技術(shù)可以非常快速地?cái)U(kuò)展處理要處理的信息量變化，同時(shí)可以提供高效的節(jié)能降耗的方案。因此，自動(dòng)化體現(xiàn)在不同的熱力單元，包括熱用戶(hù)、換熱站和熱源站。如圖2中，我們描述了一個(gè)自動(dòng)化基礎(chǔ)架構(gòu)，作為一種“智能”的數(shù)字解決方案。該圖2中的自動(dòng)化系統(tǒng)可以在用戶(hù)端結(jié)合圖1提出的用戶(hù)側(cè)的熱力智能化控制系統(tǒng)，突出所有需要的先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)。在目前的熱力系統(tǒng)中，想要達(dá)到節(jié)能降耗的措施有很多，本文主要闡述以下幾個(gè)方面:

1)通過(guò)SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中采集與監(jiān)視控制，實(shí)現(xiàn)熱力站的無(wú)人值守，節(jié)省了大量人力資源，在提高自動(dòng)化水平、改善居民生活質(zhì)量以及節(jié)能減排等方面發(fā)揮了重要作用。

2)全網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)，這個(gè)在國(guó)內(nèi)是很多公司在進(jìn)行相關(guān)方面的工作，包括:碩人時(shí)代、清華同方等，主要的手段是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和參數(shù)輸入進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。

3)在換熱站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的監(jiān)控應(yīng)用，這主要利用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，將視頻參數(shù)和控制參數(shù)通過(guò)視頻和數(shù)據(jù)的形式，實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，這樣減少了工作量的同時(shí)，也能對(duì)熱力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制。

4)循環(huán)泵分時(shí)段頻率調(diào)節(jié)保證流量的同時(shí)可以減少電能損耗;我國(guó)目前水泵的自動(dòng)化水平與日俱增，泵作為熱力管網(wǎng)的基礎(chǔ)部件，在很多環(huán)節(jié)有所應(yīng)用，尤其是在水力平衡調(diào)節(jié)等方面，有效的控制水在管網(wǎng)中的流動(dòng)情況，可以有效的使得用戶(hù)側(cè)溫度適宜。

綜上所述，我們可以看出，DH網(wǎng)絡(luò)中存在大量的智能設(shè)備，從這些發(fā)送和接收設(shè)備中管理大量的實(shí)時(shí)信息是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文在分析自動(dòng)化技術(shù)在區(qū)域熱網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出熱力智慧自動(dòng)化框架，自動(dòng)化技術(shù)是滿(mǎn)足這些要求的合適解決方案。按照這種觀點(diǎn)，基于自動(dòng)化技術(shù)引入了DH網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在建立一個(gè)平臺(tái)存儲(chǔ)，訪問(wèn)和共享不同熱力單元的能源信息。此類(lèi)系統(tǒng)在熱力行業(yè)將具有廣泛的應(yīng)用前景。