智慧熱網(wǎng)控制系統(tǒng)的分析

馬奕軒,陳洪瑋

(1.河北華電石家莊華電供熱集團(tuán)有限公司,河北 石家莊050051；2.中國華電河北分公司,河北 石家莊 050051)

為推進(jìn)清潔城市供暖體系的構(gòu)建,石家莊市分析現(xiàn)有供暖資源和設(shè)施,在深入研究供熱覆蓋區(qū)域后,根據(jù)排查居民供暖需求,將富余供熱能力向合理半徑延伸,挖掘供暖潛力,大力推進(jìn)長輸供熱進(jìn)市,減少供暖盲區(qū),滿足石家莊市“利劍斬污”節(jié)能降耗和采用清潔能源的要求,因此必須建設(shè)智慧熱網(wǎng)。智慧熱網(wǎng)是指基于信息基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展,使用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù),通過對(duì)供熱有關(guān)數(shù)據(jù)采集分析,對(duì)熱源單位、供熱管道、換熱站、供熱末端的各個(gè)供熱環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)資源優(yōu)化配置,提高熱源輸送能力和節(jié)能的形式。該工藝采用互聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù),通過傳感層數(shù)據(jù)、傳輸層數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)應(yīng)用層的控制對(duì)原有傳統(tǒng)供熱體系進(jìn)行信息化升級(jí)改造,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗(yàn),實(shí)行精準(zhǔn)化管理,按需供熱；目的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)控制,電子信息調(diào)控；動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化的能耗指標(biāo)分析,通過遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本文主要對(duì)基于信息化的熱網(wǎng)整體升級(jí)改造后的調(diào)控方式策略和節(jié)能效果進(jìn)行分析,以智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)解決供暖資源優(yōu)化問題,實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造后的調(diào)控策略和節(jié)能效果。

1 智慧熱網(wǎng)控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概況

針對(duì)目前供熱熱源的多元化,智慧熱網(wǎng)通過建立無線網(wǎng)絡(luò)的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量等參數(shù)的采集與傳輸,掌握實(shí)時(shí)掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)量數(shù)據(jù),通過大數(shù)據(jù)匯總自動(dòng)隨時(shí)對(duì)突發(fā)情況做出相應(yīng)的處理。從而將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到城市熱網(wǎng)的任意角落,有效提高熱網(wǎng)運(yùn)行的監(jiān)控水平和供熱行業(yè)的管理水平。智慧熱網(wǎng)控制系統(tǒng)見圖1。

圖1 智慧熱網(wǎng)控制系統(tǒng)

通過圖1可以看出,智慧熱網(wǎng)控制與傳統(tǒng)供熱結(jié)合產(chǎn)生的管理模式和流程共分為4個(gè)階段,第一,對(duì)于熱源側(cè)到換熱站之間的運(yùn)行及大數(shù)據(jù)信息搜集和設(shè)備管理,通過視頻形式全程監(jiān)控,直觀反映生產(chǎn)運(yùn)行工況；第二階段,根據(jù)運(yùn)行工況傳輸給調(diào)度系統(tǒng),通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,將分析結(jié)果報(bào)告?zhèn)鬏斨琳{(diào)度與控制模塊；第三階段,智慧系統(tǒng)通過根系結(jié)果做出正確管理指令,反饋給二次熱用戶；第四階段,現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行、安全管理、客服服務(wù)等調(diào)度指令進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作,再通過現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果匯總報(bào)至綜合信息查詢系統(tǒng),方便后續(xù)管理。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行情況

1.2.1 熱源點(diǎn)生產(chǎn)運(yùn)行情況

無論是單熱源局部區(qū)域供熱,還是多熱源的聯(lián)網(wǎng)供熱,都需要將熱源的生產(chǎn)情況傳輸?shù)街腔蹮峋W(wǎng)調(diào)度平臺(tái),包括熱源點(diǎn)實(shí)時(shí)的供回水溫度、壓力、流量、熱量、補(bǔ)水流量等重要數(shù)據(jù)；同時(shí)還應(yīng)具有熱負(fù)荷預(yù)測(cè)功能,可以根據(jù)未來幾天的天氣預(yù)報(bào)信息,自動(dòng)計(jì)算出未來幾天的熱量需求,并根據(jù)調(diào)度預(yù)案制定熱源出口參數(shù)的運(yùn)行策略,輔助于實(shí)時(shí)天氣情況的修正,提前協(xié)調(diào)安排熱源生產(chǎn)的規(guī)模和參數(shù),保證供熱管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定,根據(jù)需要調(diào)度熱源生產(chǎn)[1]。

1.2.2 換熱站運(yùn)行情況

包含二次供水溫度、流量調(diào)節(jié)、補(bǔ)水控制、換熱站的安全保護(hù)等基本功能,同時(shí)還要有相關(guān)的壓力、溫度、電流等報(bào)警、保護(hù)功能,保證換熱站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

二次供水溫度控制。無論是混水站還是換熱器隔離站,都可以通過調(diào)控一次水的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或分布式變頻泵來控制二次供水溫度,同時(shí)具備氣候補(bǔ)償功能,能夠根據(jù)溫控曲線或時(shí)間段自動(dòng)調(diào)節(jié)二次供水溫度,溫控曲線和時(shí)間段可以根據(jù)換熱站和小區(qū)不同情況設(shè)定,達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

換熱站的流量調(diào)節(jié)。其可以分為定流量調(diào)節(jié)和變流量調(diào)節(jié),一般情況下可以用定供回水溫差的定流量調(diào)節(jié)方式,這種調(diào)節(jié)方式簡單,可根據(jù)供熱區(qū)域的不同情況,通過遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于實(shí)行了分戶計(jì)量的供熱區(qū)域,可以采用壓差控制的變流量調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能效果。

換熱站的補(bǔ)水。根據(jù)供熱區(qū)域情況不同,可以采用一網(wǎng)直補(bǔ)二網(wǎng)、二網(wǎng)單獨(dú)補(bǔ)水等形式,系統(tǒng)失水量較少時(shí)宜采用高低差控制的啟停模式,系統(tǒng)失水量較大時(shí)宜采用恒壓補(bǔ)水模式。無論采取哪種補(bǔ)水方式都應(yīng)安裝補(bǔ)水流量表,以便及時(shí)掌握系統(tǒng)失水情況,方便系統(tǒng)查漏。

換熱站的安全保護(hù)。為了保障設(shè)備和供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行,需要對(duì)一些危險(xiǎn)運(yùn)行情況或事故狀態(tài)進(jìn)行提前保護(hù)預(yù)防,主要有:回水壓力低的循環(huán)泵停機(jī)保護(hù)；水箱水位低的補(bǔ)水泵停機(jī)保護(hù)；回水壓力高的補(bǔ)水泵停機(jī)和放水泄壓保護(hù)；一次水與循環(huán)泵的聯(lián)鎖保護(hù)；地下?lián)Q熱站的地面浸水報(bào)警和排水系統(tǒng)自啟動(dòng)保護(hù)；二次供水溫度、壓力高保護(hù)；系統(tǒng)停電時(shí)的自動(dòng)保護(hù)等,所有的保護(hù)定值都應(yīng)該根據(jù)每個(gè)換熱站的不同情況進(jìn)行設(shè)定。

1.2.3 室外溫度的選取

要用好換熱站的氣候補(bǔ)償功能,室外溫度就必須保證準(zhǔn)確、穩(wěn)定。有些供熱公司直接引入當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)溫度,因天氣預(yù)報(bào)溫度是當(dāng)?shù)氐钠骄鶞囟?有時(shí)并不代表本供熱區(qū)域的實(shí)際室外溫度,且延遲時(shí)間較長,所以效果不是很好。正確的選取方法應(yīng)該是,在供熱范圍內(nèi)選取5～7個(gè)代表性的點(diǎn),按照標(biāo)準(zhǔn)室外溫度測(cè)量方法安裝,將這5～7個(gè)點(diǎn)的溫度去掉一個(gè)最高溫度,去掉一個(gè)最低溫度,其余的溫度取平均值下發(fā)到各換熱站,換熱站統(tǒng)一用這一個(gè)室外溫度進(jìn)行控制,這樣可以防止因個(gè)別采集點(diǎn)損壞而引起的室外溫度極端現(xiàn)象,一個(gè)供熱公司都用統(tǒng)一的室外溫度進(jìn)行調(diào)整,可以對(duì)各換熱站供熱參數(shù)的比對(duì)提供依據(jù),起到更好的節(jié)能效果[2]。

1.2.4 流量平衡和用戶室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

供熱的最終目標(biāo)是使各用戶家里的溫度都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),過高過低都需要調(diào)整,由于房屋位置朝向、樓層高低、建筑供熱率等因素的制約。流量調(diào)節(jié)到戶的每一個(gè)房間是精細(xì)化調(diào)節(jié)的最終目標(biāo),但是調(diào)節(jié)到戶點(diǎn)多量大,每個(gè)用戶的室溫監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)實(shí)施起來比較困難,結(jié)合分戶計(jì)量改造能夠很好的解決這個(gè)問題,基本熱平衡調(diào)節(jié)好后,就可以根據(jù)用戶室內(nèi)溫度的變化,調(diào)整換熱站供水溫度曲線和流量,避免冷熱不均和過熱現(xiàn)象,達(dá)到合理的節(jié)能降耗效果。

用戶室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)各時(shí)間段的補(bǔ)水量分析出系統(tǒng)失水是用戶放水還是系統(tǒng)的跑冒滴漏；根據(jù)站點(diǎn)單位面積耗熱量的對(duì)比,結(jié)合供回水溫度、流量的分析,可以粗略判斷系統(tǒng)內(nèi)是否存在盜熱等,從而使決策者能夠做出科學(xué)的判斷,指導(dǎo)管理人員有針對(duì)性地工作。

2 智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)分析

2.1 數(shù)據(jù)傳感層

智慧熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)主要是根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀和概算熱負(fù)荷、計(jì)算耗能量、循環(huán)水量,以及現(xiàn)有設(shè)備及其使用情況和用戶具體要求來制定。采暖熱負(fù)荷同室外溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻照等主客觀因素有關(guān)[3]。

智慧熱網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳感層涵蓋熱源廠、供熱站等生產(chǎn)參數(shù)、用戶計(jì)量管控系統(tǒng)和室溫采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“熱源—熱網(wǎng)—熱用戶”的供熱整網(wǎng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸[4],具體如圖2所示。

圖2 供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳感層

a.通過硬件的模塊化設(shè)計(jì),并根據(jù)各采集系統(tǒng)的個(gè)性化特點(diǎn)調(diào)整通信接口模塊,實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳輸。

b.熱網(wǎng)信息采集數(shù)據(jù)通過共享實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)域互聯(lián)互通。

c.對(duì)供熱網(wǎng)、熱力站管轄下的熱力入口的熱力水溫及水壓工況進(jìn)行全面控制,從而為網(wǎng)絡(luò)調(diào)整提供管網(wǎng)平衡依據(jù)。

d.通過用戶供熱過程中各種參數(shù)采集,實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的熱用戶按需調(diào)節(jié)。全方位調(diào)控各熱網(wǎng)熱源的供暖狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)通信可使用專用光纖、寬帶(ADSL)等公共網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備,設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過傳輸層傳送到應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

2.3.1 應(yīng)用層功能

各種運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理中心,通過實(shí)時(shí)展示、統(tǒng)計(jì)、分析及預(yù)測(cè)研究,實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)控制的輔助決策和調(diào)控策略預(yù)測(cè)分析研究。

遠(yuǎn)程控制熱源來水溫度及回水溫度等,采用大數(shù)據(jù)策略對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行研討分析,并進(jìn)行設(shè)備故障及故障原因分析診斷。

熱力站運(yùn)行策略及設(shè)備啟停遠(yuǎn)程上位機(jī)控制或自動(dòng)反饋運(yùn)行控制；采用大數(shù)據(jù)處理方法對(duì)各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并進(jìn)行相應(yīng)的故障診斷和偏離最佳工況的診斷。

通過戶內(nèi)的遠(yuǎn)程室內(nèi)溫度采集系統(tǒng)調(diào)整整個(gè)熱力系統(tǒng)的運(yùn)行工況；用戶通過控制面板設(shè)定室內(nèi)溫度,實(shí)現(xiàn)熱用戶開啟開關(guān)和按需供熱。熱網(wǎng)可通過大數(shù)據(jù)熱用戶室溫情況來調(diào)整熱力站供熱參數(shù)。

2.3.2 智慧熱網(wǎng)熱源運(yùn)行預(yù)測(cè)技術(shù)

在熱網(wǎng)調(diào)控時(shí),不同的熱源形式影響熱源調(diào)控,如:熱電企業(yè)、熱水鍋爐、燃?xì)忮仩t等對(duì)熱網(wǎng)調(diào)控后的影響不完全相同,在調(diào)控時(shí),應(yīng)保證熱網(wǎng)的安全運(yùn)行,必須對(duì)熱源各種方式及管網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行研究,各熱力站在不同運(yùn)行熱源下采用不同的控制策略。

智慧熱網(wǎng)內(nèi)置控制調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)熱網(wǎng)特性和控制參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整,對(duì)熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)采集的大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)分析,給出優(yōu)化控制策略。

2.3.3 熱力站系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)分析

由于建筑結(jié)構(gòu)、用戶室溫變化規(guī)律不同,熱力站的調(diào)節(jié)方式和優(yōu)化控制規(guī)律也千差萬別。在室外天氣溫度、晝夜舒適度感受需求來控制室溫目標(biāo)要求情況下,利用回歸優(yōu)化計(jì)算法,得出以滿足室內(nèi)供暖溫度預(yù)定為優(yōu)化目標(biāo)。

2.3.4 用戶智能系統(tǒng)控制技術(shù)分析

對(duì)于設(shè)定預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度較高的用戶,熱網(wǎng)調(diào)度管理人員可以遠(yuǎn)程強(qiáng)制調(diào)整熱用戶室內(nèi)溫度,進(jìn)行管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)。

用戶在家時(shí),可以通過智能控制面板上設(shè)定室內(nèi)溫度,達(dá)到用戶要求的供熱的室內(nèi)溫度。默認(rèn)溫度范圍為智能控制面板上設(shè)定室內(nèi)溫度±0.5℃。

當(dāng)用戶外出時(shí),可以通過智能手機(jī)APP調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,即可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)預(yù)先期望的室內(nèi)溫度,實(shí)現(xiàn)最大限度的按需供熱。

3 應(yīng)用展望

目前石家莊市已有部分小區(qū)進(jìn)行智能熱網(wǎng)試運(yùn)行,運(yùn)行過程中智慧熱網(wǎng)通過歷史數(shù)據(jù)挖掘,對(duì)熱源單位、小區(qū)熱力站及用戶安裝設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行智能排查,并分析得出熱源單位、小區(qū)熱力站和用戶的調(diào)控規(guī)律。采用大數(shù)據(jù)集中處理對(duì)熱網(wǎng)的運(yùn)行給出故障診斷并根據(jù)用戶要求進(jìn)行優(yōu)化。因此智能熱網(wǎng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理給出適合的控制策略,指導(dǎo)熱網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)化、智能化節(jié)能運(yùn)行,具有非常廣闊的應(yīng)用推廣價(jià)值[5]。

4 結(jié)束語

當(dāng)前很多供熱企業(yè)都由粗放式管理向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變,利用各種方式保證供暖質(zhì)量達(dá)標(biāo),盡量減少能源消耗,提升管理的科學(xué)性,最終起到提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下,企業(yè)管理面臨的考驗(yàn)更為嚴(yán)峻。然而智慧熱網(wǎng)的出現(xiàn)是企業(yè)的優(yōu)化和管理模式創(chuàng)新,是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),可有效提升熱網(wǎng)管理的科學(xué)性、規(guī)范性,降低供暖經(jīng)營成本。