探究城市供熱網的智能化控制與管理

劉臻杰

（國電內蒙古東勝熱電有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

城市供熱網絡具有復雜性和封閉性的特點，其管理一直是一個挑戰，特別是在用戶數量快速增長的情況下，供熱設備也隨之改進和更新，為城市供熱管理、建立供熱網絡帶來了許多困難。為保證最佳管理效果，必須積極采用智能控制方式。這是新時期城市熱網穩定運行的必然選擇，可以減少投資，提高人力資源管理的效率，使城市熱網的服務水平也大大提高，對城市經濟的發展有很大的幫助。因此，智能控制城市熱網的研究、推廣和應用至關重要。

1 城市熱網管控現狀

目前，城市供熱網在結構上主要分為一次水直接供熱和二次水間接供熱。從熱源上可分為電廠蒸汽和熱水鍋爐兩種。最初，城市供熱也使用一次蒸汽進行直接供暖，但由于安全性差和能源浪費嚴重，新型供熱網絡已不再采用。一次水直接加熱具有投資小、熱網結構簡單等優點，但也存在安全性、穩定性差、維修率高、長期使用熱效率低等缺點。目前，除部分特殊情況外，新建供熱管網一般不使用，現有供熱管網大部分已改造或正在規劃改造[1]。熱交換站是間接二次熱水加熱方法的核心，用于通過熱交換器將一次蒸汽或鍋爐一次熱水的熱能直接傳遞給用戶的二次中/低溫水。目前，換熱站的控制和管理已由原始的工作人員現場手動操作方式轉變為自動控制方式，換熱站沒有工作人員，熱交換器被集成、集中和遠程監控。

2 城市集中供熱智能系統背景分析

2.1 熱負荷預測

一個城市的集中供熱系統能否安全可靠運行，往往與多個因素有關，例如建筑物的類型、結構、供熱二次管網設計、室內采暖型式等[2]。如果這些因素沒有得到適當的控制，就會影響供熱系統的實際負載能力，因此必須采取適當措施來控制這些因素。首先，利用熱負荷預測可以保證集中供熱管理的順利進行，并且該方法獲得的效果大于常規方法。到目前為止，已經使用了以下方法來估計熱負荷，例如指數平滑、時間序列分析等，不同的方法扮演不同的角色。其次，城市集中供熱系統本身就是一個內容較多的系統，不確定性和非線性并存，應該采取行動以確保預測模型的準確性并加強治理。

2.2 供暖系統問題

目前，城市集中供熱智能系統還存在一些問題。主要體現在內部操作人員技術不到位，沒有接受過專業的技術培訓，沒有豐富的技術技能和扎實的理論知識和經驗，無法及時處理系統中存在的問題，直接影響系統的安全性和穩定性。如果換熱站出現嚴重問題，將會給人們的生活和工作帶來極大的不便。此外，由于運營商沒有及時采取措施有效解決問題，導致相關設備錯過最佳維護時間，城市供熱系統的管控水平難以提高。為解決城市供熱系統控制和管理問題，應制定科學和可操作的措施。

3 直供熱管網供熱站設計

3.1 基本情況

近些年，我國對城區進行了供熱改造。轉換的主要目標是熱源，通過使用熱電廠的冷凝器作為熱源來節省資金。城區的傳統熱源主要是地熱井和鍋爐，老小區的散熱端主要是鑄鐵暖氣片。在市區，地勢比較平坦，所以在轉換過程中采用了直接埋地直接加熱，通過使用這種方式來防止熱用戶在使用時出現倒空或者超壓現象，壓力損失由城市的分區和面積決定。對于典型的庭院管網，壓力一般維持在10～15m左右[3]。

3.2 各種工況下的配熱站設計

3.2.1 無高層建筑的熱用戶

對于沒有高層建筑的熱力用戶，應保持30m以上的恒壓，以保證熱力用戶的最低要求，滿足整棟建筑的供熱需求。當城市地區有許多老社區時，終端散熱器通常是傳統的鑄鐵散熱器。另外，計算鑄鐵暖氣片的耐壓能力時，要考慮到老小區內部供暖管網的老化。為了確保管網的安全，用戶建筑物后墻上的管道壓力應保持在30～38m，以防止排空。根據高溫用戶壓降假設，配水站二次管網熱水管壓力設定為45m，回水管壓力設定為33m。此設置旨在能夠滿足所有熱用戶的需求。通常，熱力站是由一次管網和二次管網通過換熱器進行熱交換，以達到用戶所需的溫度。其中，一次供水管網通過調節閥流入換熱器，在換熱器內發生熱交換后流入一次管網。二次循環水管網經過濾器流入循環系統，經循環泵輸送至換熱器，提高水溫，以滿足用戶需求。在設計過程中還需要考慮管道的管徑，管道直徑是根據每個用戶計算出的流量的總和來確定的。在熱水管網的主干線及其沿程的比摩阻中，主干線是管網中平均比摩阻最小。根據熱水管網干線各管段的計算流量和從相關表中選取比摩阻數值，可以得出干線各管段管徑及對應的實際比摩阻數值[4]。

3.2.2 有高層建筑的熱用戶

對于有高層建筑的熱力用戶，如果維持30m以上的恒定壓力，來滿足整個建筑居住者的采暖需求，則無法保證熱力用戶的最低要求。因此，遇到此類建筑時，必須采取對策，劃分高層建筑的區域，防止供暖管道排空。當面對建筑物內部的防空措施時，供熱站不需要考慮這個問題，但是當面對沒有設置防倒空措施時，供熱站通常需要考慮這個問題。為解決這一問題，供熱站通常采用閥門前壓力調節，防止放空。假設建筑物高度為54m，為達到閥前調壓閥的最小值，保證閥前調壓閥正常工作，調節彈簧的顯影壓力應調至57m。另一方面，還必須考慮閥前壓力調節的意外情況并關閉閥。為保證高層建筑的回流壓力在60m以上，根據要求，二次熱配站回流必須關閉，水管壓力設置為67m。對于靠近或靠近一次管網的熱用戶，應在供水管線上加裝減壓閥，以防止供水管線因壓力過大而破裂。高位熱用戶，需在后管區加裝前置閥調壓閥[5]。

4 城市供熱系統智能控制措施

4.1 智能化供熱原理

智能供熱的原理體現在兩個方面。首先，隨著人們生活水平的不斷提高，對供暖行業的要求越來越高，必須采取相應的措施來實現智能化控制和管理?！爸悄芑薄肮芸亍钡年P鍵是平衡系統運行過程中的熱平衡，進一步減少資源浪費問題，保證系統安全穩定運行。當然，要使供暖系統的智能化管理順利進行，還必須對熱平衡進行調整控制。系統與環境之間的熱交換總和等于熱量總和，等于換熱站提供給用戶的熱量總量減去熱源提供給換熱站的熱量，也是物理學中的熱平衡方程。其次，在實際工作過程中，公式可能存在一定的差異。簡單的說，供熱站提供的熱量和建筑物實際使用的熱量是不一樣的，尤其是無人值守的，需要檢查兩者的相對平衡，保證城市集中供熱系統的正常運行。

4.2 氣候補償

所謂“氣候補償”是城市集中供熱智能系統管理控制中常用的一種方法，時至今日也取得了可喜的成果和效果，這種方法主要是指二次間接水溫的控制。在實際的智能控制管理過程中，工作人員必須根據實際情況設置二次采暖溫度與室外溫度的對應曲線，而不是直接采用熱平衡的方式向用戶供熱。這種方法不能滿足用戶的實際需求，并且在一定程度上可能會引起其他問題，因此在建立相應的曲線后，應根據供熱系統的實際情況進行優化和調整。當然，根據季節差異，也必須設置相應的曲線，才能達到提高供暖質量的目的[6]。

4.3 無人值守操作

無人操作是城市集中智能供熱系統管理的重要手段，主要是指在換熱站內安裝相應的自動控制設備，使用戶在使用過程中自動控制水溫或補水。這種方法還可以起到解決問題的作用，進一步保證供熱系統的安全可靠運行，達到降低人工成本的目的。無人值守本身就是一種比較常見的技術手段，可以減輕員工的勞動強度，讓其有足夠的時間處理其他問題，也可以防止系統因操作不當而出現安全隱患。此外，無人化運營管理模式的應用，不僅可以實現對供暖系統智能化管控的愿望，還可以提高供暖系統的可靠性，為用戶的生活提供更優質的供暖服務。

4.4 換熱站控制

換熱站控制也是城市集中供熱智能系統管控的重要組成部分。工作人員也應高度重視，采取科學措施，加強換熱站控制管理。一般來說，加熱站的控制主要包括以下幾個方面，如二次供水溫度控制、蒸汽壓力控制、保持熱穩定性。只有做好這方面的工作，才能保證供暖系統的穩定性，并提供給用戶安全穩定的供熱服務。在城市集中供熱智能化管控過程中，通常采用一個或多個熱交換站供熱，充分滿足用戶供熱需求。當然，換熱站控制過程中出現的問題也必須及時處理，要想解決問題，首先要制定可行的方案，降低安全事故和其他問題，促進智能供暖將實用化，使系統得到提升和進步[6]。

4.5 量調節技術應用

量調節技術應用是城市集中供熱管網控制協調的重要技術，主要涵蓋集中供熱系統運行的各個階段。因為在城市正式集中供熱時，集中供暖的質量和效果也隨著外界溫度的變化而變化，所以需要通過量調節技術應用來控制各個供暖階段的供暖溫度，使供暖效果最大化。集中供熱系統在建設和運行過程中，成本投入和消耗都比較大，所以為了最大限度地發揮工作效果，降低成本，集中供熱企業不可避免地需要調整供暖溫度。主要分為兩個階段。第一階段為初冷期，此時外界溫度相對適宜，居住者的取暖要求不高，因此公司必須在此階段進行溫度調節。另一個階段是冬末春初，氣溫開始回升，但人們的取暖需求還是比較高的，天氣變化也比較頻繁。此時，相關人員必須調整加熱溫度和時間，注意外部溫度的變化。

5 結語

綜上所述，隨著國民經濟穩步增長，人民群眾的供熱需求也在逐年增加，對供熱企業提出了新的要求，為此，必須利用高新技術手段。供暖系統的智能化管控不僅提高了供暖效果，而且彌補了傳統管理工作的不足，切實為廣大用戶的工作和生活帶來了方便，最終加快了城市化進程的步伐。