源網聯動控制系統在供熱運行中的應用研究

馬艷良 羅詩林 李彥成

天津市熱力有限公司

0 背景

在供熱領域，以節能降耗為目的的“精準供熱”方式越來越受到各供熱公司的重視。隨著自動控制技術的不斷發展，已產生多種節能降耗的自動控制模式來逐漸替代傳統的手動調節方式。其基本宗旨是盡量減少人為參與的程度，利用大數據等計算方法，實現自動、智能、合理地調節供水溫度，在降低能耗的同時，保證用戶的用熱需求，使其室內溫度處于體感舒適的溫度范圍。重點介紹了源網聯動控制系統在供熱運行中的應用，通過技術路線、運行策略、操作步驟及全網運行狀態等方面的介紹，分析該控制系統的優勢。

1 技術路線

源網聯動控制系統的基礎是二次網智能平衡，通過調整安裝在熱力管井內的戶用智能調節閥開度來實現。該系統的目標是使熱用戶室內處于舒適的溫度，通過設定室內目標溫度，基于大數據分析的全網優化控制策略自動進行分析，憑借熱源、換熱站的自動控制系統，實現源網聯動調節，達到按需供熱、節能運行的目的。

該系統包括智慧供熱節能監控平臺、下位機、戶用智能閥、換熱站PLC控制系統、基于大數據挖掘分析專家系統、電動調節閥、典型用戶室內溫度監測系統、鍋爐房PLC控制系統、基于大數據清洗及分析挖掘機器學習的AI系統、智慧供熱數據庫。

智慧供熱節能監控平臺用于設定二次供水溫度、室內溫度目標值、監控運行數據等；下位機用于接收調控指令，對戶用智能閥下達調節開度的指令；戶用智能閥用于調節入戶循環水的流量，自動調節二次網水力平衡；換熱站PLC控制系統用于接收和下發換熱站設備的控制指令；基于大數據挖掘分析專家系統用于分析運行參數，并自動下發二次供水溫度；電動調節閥用于調節一次循環水流量，從而達到調節二次供水溫度的目的；典型用戶室內溫度監測系統用于監測典型用戶的室內溫度，并通過數據篩查和分析計算，采取有效室內平均溫度；鍋爐房PLC控制系統用于接收和下發鍋爐房設備的控制指令；基于大數據清洗及分析挖掘機器學習的AI系統用于分析智慧供熱數據庫的數據，并預測鍋爐負荷；智慧供熱數據庫包含室外綜合氣象參數、歷史運行參數、建筑熱惰性，為基于大數據挖掘分析專家系統和基于大數據清洗及分析挖掘機器學習的AI系統提供數據。其控制系統原理圖見圖1。

圖1 源網聯動控制系統原理圖

2 運行策略

供熱系統由熱源、熱力站、熱網組成，在運行過程中往往僅能單獨調節、獨立運行，缺少三級聯動控制，造成能源的浪費與運行成本的增加。針對供熱系統的此特性，亟須一種能夠實現熱源、熱力站、熱網三級聯動控制的方法，達到按需供熱、節能運行的目的，減少能源的消耗，降低供熱運行的成本。

源網聯動控制系統的運行策略是將熱源、熱力站、熱網聯動控制，以用戶室溫為目標，動態調整二次供水溫度；二次網循環泵采用定壓差方式運行；鍋爐出水溫度根據源網參數之間的耦合條件，采用非線性規劃理論進行優化確定；一次網循環泵采用定壓差方式運行。源網聯動運行原理圖見圖2。

圖2 源網聯動運行原理圖

每個供熱系統的特性均具有不可復制性，如何根據源網匹配特性定制優化控制策略，保證熱網安全、穩定、節能運行非常重要。因此，需要針對熱力管網的實際情況，制訂優化控制策略，以實現全網的科學調控與安全運行，達到“均衡輸送、按需供熱、節能降耗”的最終目標。

源網聯動運行的全網平衡策略為一次網均勻性控制，消除水力失調帶來的能源浪費。實現以上需求的控制策略如下：

1）根據穩定運行后的歷史供水溫度、階段性循環流量、歷史耗熱量等監測參數，預測熱源未來輸出熱量和供水溫度，指導熱源供熱范圍內的合理分配，并實時判斷熱源供熱量是否與需熱量匹配。

2）依據各換熱站的二次供水溫度、二次回水溫度、耗熱量、室外氣象參數等歷史數據，結合建筑熱特性、室溫需求及室外氣象參數變化，預測在滿足供熱需求的情況下各換熱站未來的日耗熱量、未來的日二次網供熱參數，使各熱源下轄的換熱站按照需求進行調控運行，實現按需供熱。

3）選取智慧供熱改造范圍內的各小區的典型熱用戶室溫，由于小區建筑結構、室內采暖方式等決定的滯后特性及室溫變化規律不同，換熱站調節控制和優化規律也不同。在綜合考慮室外綜合溫度（室外溫度、太陽輻照、室外風速）、晝夜人體熱舒適度感受需求、室內溫度控制目標要求（恒溫、階段性溫度變化）等因素下，利用機器學習優化計算方法，形成系統的閉環控制流程，得出以滿足預設室內溫度為總體目標，以滿足采暖舒適度的建筑熱耗為控制目標，以滿足分時改變供水溫度為控制參數的換熱站優化控制策略。

3 操作步驟

第一步為錄入基礎信息，點擊菜單【基礎信息】進入。實現對從熱源到熱用戶全面的基礎信息的錄入和編輯功能，包括【熱力信息管理】【組織機構】【熱源管理】【管網站管理】【換熱站管理】【居建管理】【室溫監測】及【采暖期信息】。重點注意各熱用戶、換熱站、熱源的供熱面積準確性以及各層級所屬關系。其基礎信息錄入圖見圖3。

第二步為設置室溫目標，點擊主界面【運行監控】進入【換熱站運行監控】。開啟換熱站自動運行模式，并逐一設定各換熱站下屬熱用戶的室溫目標。室溫目標溫度設置圖見圖4。

第三步為下發聯動控制命令，返回主界面【運行監控】進入【熱源運行監控】。點擊【控制柜】進入熱源控制柜運行圖界面，下發聯動控制命令，開啟鍋爐自動運行模式。根據系統提示信息，現場啟動投運鍋爐。聯動控制命令下發圖見圖5。

圖5 聯動控制命令下發圖

第四步為監測全網運行狀態，通過對各換熱系統控制精度的分析，可以監測調節控制情況，確保供熱平衡，達到預定控制目標。根據上位機數據繪制各個熱力站的供水壓力、回水壓力水壓圖，分析管網的壓力分布，從全局上掌控整網運行調節情況。

通過智能分析功能對各個機組、系統進行設備故障診斷、能耗診斷、優化控制等全方位的分析，監測整個供熱系統設備故障情況、能耗情況，及時了解管網目前狀態并進行針對性的解決。

4 結語

使用源網聯動控制系統的第一個采暖季，熱單耗為0.107 6 MJ/m2·℃，與計劃的指標值0.127 7 MJ/m2·℃相比，下降了15.7%，同時電耗、水耗也有一定程度的下降，節能降耗工作取得了一定的效果。

源網聯動控制系統建立了優化、合理的控制邏輯策略，配備了各環節所需的控制硬件及軟件，以大數據采集和數據分析處理為手段，通過終端熱用戶室內測溫面板溫度的反饋，及時對換熱站和熱源的熱能分配進行調整，在滿足熱用戶實際用熱需求的同時，實現精準供熱、節能降耗的目的。該系統完善了供熱系統的協調統一調度和控制[1]，弱化了人為參與供熱運行調節的程度，降低了人為因素造成能源浪費的可能性，對熱力公司產生一定的經濟效益。