基于智慧城市的供熱系統余熱利用優化研究

范常浩，梁娟娟

(1.國電科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210023；2.北京華源熱力管網有限公司，北京 100025)

0 引言

隨著北方地區城市冬季供熱需求的不斷增加，使得熱網對熱源供熱能力和供熱量的要求也在不斷提高。在當前不可再生能源存量日趨緊張的情況下，節能降耗，降低供熱成本，提高經濟效益成為供熱機組當前面臨的一項重要任務[1-3]。同時，快速的城市化建設進程又加劇了集中供熱的問題，城市需要在多層面實現可持續、智慧型發展，以應對多方挑戰。因此，深入研究智慧城市的供熱機組余熱利用尤為重要。汽輪機排汽中的熱量靠循環水帶到空冷島進行散熱，大量余熱白白浪費，其中凝汽器的冷源損失最大，約占總熱損失的60%[4]。本文針對某300 MW直接空冷發電機組進行了低真空循環水供熱技術優化改造，并引入智慧城市供熱技術，更大程度提高了汽輪機的排汽余熱利用效率和經濟效益，在滿足熱網需求的前提下實現節能降耗。

1 電廠城市供熱余熱利用技術簡述

直接空冷發電機組由于其適應背壓范圍廣，最高允許運行背壓可達60 kPa，完全涵蓋了低真空供熱要求的運行背壓[5-6]，因此，可以在汽輪機本體不動的情況下進行汽輪機高背壓循環水供熱。低真空循環水供熱系統如圖1所示。

汽輪機低真空供熱技術就是降低汽輪機凝汽器的真空度來提高汽輪機的排汽溫度。在供熱初期和末期，熱用戶所需的供熱溫度不高，一般供水溫度不超過70 ℃，此時通過汽輪機排出的乏汽對熱網循環水進行加熱到所需的供熱溫度，并送至熱網完成對外供熱。在深冬供熱期，外界熱負荷增加，所需的供熱溫度升高，單靠汽輪機排汽的加熱溫度無法滿足熱網需求，還須采用采暖抽汽對其進行二次加熱，達到外界所需的供熱溫度，以滿足供熱要求。目前，采用該技術凝汽式汽輪機組的真空度最低約為-0.05 MP，排汽溫度一般為80 ℃，該工況下循環水溫度為50～60 ℃，符合供熱所需要的溫度。在供暖期采用高背壓運行的方式，并增設熱網循環水管道切換系統。非供暖期將汽輪機低壓轉子及相應部件更換為純凝轉子，使汽輪機在原設計背壓下運行。

2 智慧城市供熱系統余熱利用優化技術

智慧城市是以信息技術和人工智能應用相結合的城市發展模式，是城市信息化高級階段的體現[7]。智慧城市供熱系統余熱利用優化技術是將智慧城市技術與城市供熱系統余熱利用相結合，實現現代化城市供熱系統余熱利用高效率、低能耗、智能化發展。但目前對于智慧城市供熱系統余熱利用方面研究較少，其實現方法和技術等尚未成熟，如何將智慧城市技術與城市供熱系統余熱利用進行完美融合，以實現智慧城市對城市整體供熱系統的全面感知與智能化控制，是當下亟待解決的主要問題。

針對如何將智慧城市技術與城市供熱系統余熱利用技術相結合，本文提出通過互聯網技術把智慧城市供熱系統中的供回水溫度、供回水壓力流量、室外和室內溫度以及熱用戶各供水管道泵、壓力計、流量計和溫度表等智能化傳感器和變送器連接起來，形成物聯網，實現對整個城市供暖系統的全面感知，利用云計算、人工智能等技術對感知信息進行智能處理和分析，并發出指令，對供熱系統各個分支上的管道泵及節流閥作出智能化的響應和決策，使城市供熱系統變成真正擁有智慧的系統。

2.1 改造后供熱方案技術簡介

通過對機組及供熱系統機理研究[8-10]，將傳統供熱機組余熱利用的供熱方式進行優化改造，改造后的供熱系統如圖2所示。

利用汽輪機排汽余熱加熱的熱網水，不經中間各個換熱站直接送往各個用熱區域及各個熱用戶，以減少在換熱站的熱量損失，提高熱效率。在各個用熱區域和熱用戶的管路上均安裝有智能增壓水泵和節流閥，使得熱網水能夠安全可靠的送達。為了能夠更精確地控制到達各個熱用戶的供熱水的溫度、流量和壓力等，引入智慧城市物聯網技術，將各個管道泵、管路上的壓力、流量和溫度等測點通過物聯網送入監控管理中心，使得工作人員可以隨時對整個供熱系統進行實時監測和控制，做到更快速、更精確地控制，提高一次換熱效率，使得余熱利用更加充分。

2.2 供熱系統智能控制研究

本次供熱機組余熱優化研究方案的主要創新點是將智慧城市物聯網技術即新一代IT技術充分運用于汽輪機余熱供熱自控系統中，把各類智能感應器嵌入和裝備到溫度表、壓力表、流量表、管道泵及節流閥等設備中，然后將“物聯網”與現有的互聯網相結合，實現智慧城市供熱系統智能化控制，其系統結構如圖3所示。在這個控制網絡中，上位機設置能力超級強大的中心計算機群，實現對供熱系統網絡內的人員、機器和設備的實時管理與控制，在此基礎上，操盤人們可以更加精準的管理供熱系統的運行，達到“智慧”狀態，提高余熱利用率。

(1)現場設備層。在供熱系統的現場設備級中，各分支管路上加裝溫度、壓力、流量等測點，通過溫度計、壓力表和流量計等進行監測，并將傳感器芯片嵌入這些儀表中，實現與系統網絡互連。安裝WiFi收發器使得壓力表、水流計、溫度計、增壓水泵及節流閥等均能與智慧城市物聯網智能控制系統通過Internet網絡實現通訊。

(2)控制網絡層。現場設備級和監控管理中心通過控制網絡層的Internet進行通訊，將供熱系統中各檢測設備的信號實時輸送至監控管理中心，控制系統根據相應的智能控制策略發出調節指令，實現對供熱系統各個分支管路上的管路泵和節流閥進行調節。此外，智慧城市物聯網系統中的溫度感應器能夠準確識別外界和室內的環境溫度并能快速地反應至監控系統中，控制系統迅速發出調節指令，實現最優控制，使得余熱充分利用。

(3)監控管理層。供熱控制系統配置有工控機、UPS電源和顯示屏等，在工控機上對整個供熱系統進行硬件、軟件和監控畫面等的配置，編寫運行程序并進行調試。所有需要監控的儀表信息均組態至監控畫面中，工作人員可以通過監控畫面來對各個分支管路上的溫度、壓力及流量等進行在線實時監控。

(4)故障診斷及安全保護系統。智慧城市供熱系統引入GPRS全球定位功能，能夠準確定位儀表的具體位置，同時供熱控制系統中的各個測點均設置有故障診斷信號，如果某一設備故障，監控管理控制中心不僅能夠檢測到此故障信號，而且能夠準確定位到該設備的具體位置，以便快速解決故障，實現供熱系統安全、穩定運行。

2.3 供熱方案能耗對比

以某300 MW直接空冷凝汽式機組，供熱面積700萬m2為例，當利用高背壓排汽作為一級供熱，將熱網循環水溫度由30 ℃加熱到65 ℃時，傳統供熱方案與改造后供熱方案的能耗計算及對比分析如下。

(1)背壓改變后，通過末級的蒸汽流量會發生變化，導致汽輪機做功減少，減小的做功量見下式。

(2)背壓變化后余速損失的改變量

式中：ω2、ω2c—排汽壓力是8 kPa、35 kPa時末級動葉片出口相對速度。

(3)背壓升高使得利用高背壓供熱的同時，未被利用的排汽進入空冷凝汽器浪費的能量見下式。

ΔP3=Dpw(hg-hd)/3 600

式中：Dpw—未被利用的排汽量，kg/h；

hd、hg—正常、高背壓下汽輪機排汽焓。

(4)當機組排汽量減少時，空冷風機轉速下降，從而帶來的結果是風機耗電量下降。由耗電量與風量之間的關系可以求得空冷凝汽器進汽量減少而降低的耗電量。

因此，高背壓供熱時系統能耗量見下式。

ΔP=ΔP1-ΔP2+ΔP3-ΔP4

查各個參數對應的焓值和運行數據，并帶入式中，經仿真可求得原始供熱方案與改進供熱方案的總能耗量，并進行對比分析，機組的部分熱力參數和能耗計算量如表1。

表1 能耗分析

2.4 數據對比及節能原因分析

(1)通過表1中各項能量變化及能耗量對比分析可得，經過改造之后供熱方案的總能耗量相比傳統供熱系統的總能耗量減少了6 330.74 kW。

(2)與傳統的供熱方案相比較，改進后的供熱方案不使用中間的各級換熱站，將汽輪機排汽余熱加熱的熱網水直接輸送至各個用熱區域和熱用戶，減少了換熱站環節的熱量損失，提高了熱量利用效率。

(3)取消中間換熱站，但在分往各用熱區域的各個管路上安裝增加水泵、節流閥和壓力測點、溫度測點和流量測點設備等，能夠對其進行實時監測和控制，實現更加快速和準確的調節控制。智慧城市供熱技術應用于供熱系統中，將增加水泵、壓力測點、溫度測點和流量測點等均接入物聯網中，進行智能處理和分析，提高了供熱系統的一次換熱效率，使得余熱更多的利用。

3 總結

為進一步提高現代化城市集中供熱技術的高效率、低耗能、智能化發展水平，本文提出智慧城市供熱機組的余熱利用優化技術。將智慧城市技術和城市供熱機組的余熱利用技術相結合：

(1)將傳統供熱機組余熱利用的供熱方式進行改造，采用直接由熱源加熱的熱網供水送至各個用熱區域的方式，實現城市集中供熱；

(2)在傳統供熱系統改造的基礎上，通過智慧城市物聯網技術對整個城市供熱系統進行全面感知，實現對熱網及熱用戶供熱管路上的水泵和節流閥等設備的精準、快速、智能化控制。

智慧城市供熱機組余熱利用優化有效提高了供熱系統的一次換熱效率，使得余熱利用更加充分，為城市未來集中供熱系統智慧型發展和節能降耗提供了新的思路。