集中供熱智能改造技術路線的研究分析

李 志， 徐海鵬， 王啟業， 夏 明

（杭州華電能源工程有限公司， 浙江 杭州 310030）

0 引言

我國秦嶺淮河一線以北地區普遍實行冬季集中供暖政策，隨著城鎮化的逐步推進，分散式供暖規模逐漸減小，取而代之的是大型集中式供暖。 加之社會經濟的發展，人們環保意識逐漸增強，熱源的環保改造也越發顯得重要起來。 這些因素推動大型供熱管網的建設成為主流，隨著管網規模逐漸增大，熱網的調節工作也越發變的困難，要保證居民供熱質量、要智能化調節供熱參數、要信息化處理運行數據、要時刻保持熱力處于平衡可控狀態，傳統的集中供熱管理模式與運行控制策略已經很難適應這種要求，急需進行技術改造，提升熱網系統的智能化水平。

行業內的研究人員對智能化熱網開展了一系列研究，從多個角度提出了自己的思路。國海龍提出一種整合集控系統、模擬仿真軟件、調節軟件與一體的集成創新方案， 在一套系統內實現對城市熱網的智能化管理與運行控制，提高了工作效率[1]。 王建軍等[2]通過研究提出了以供暖特性系數R 作為熱網調節依據， 充分考慮了建筑物和光照、風速的影響，比傳統的固定溫度補償方法更精確。馬曉曉等[3]則對二級熱力站進行了優化設計，從熱力站的合理規模、熱力站的生產安裝方式、設備與管道及附件的優化選型三個方面進行了論證，提出了自己的見解。

由于智能供熱的推廣與普及， 使得傳統的熱網調控方式不能很好的適應新形勢下的供熱需求， 因此對集中供熱系統進行優化改造是很有必要的。 目前比較突出的一個問題是傳統的調控策略是在熱網首站和二級熱力站統一調整供回水溫度，而用戶只能被動的接受；而集中供熱管網智能化、智慧化改造后，用戶可根據自身需求自主調整供暖效果， 比如城市郊區居民與城市中心居民對供熱的需求不一致， 屋內常年有人居住的供暖用戶與夜晚才有供暖需求的打工族用戶對供熱的需求不一致， 房間朝向、生活習慣、體感溫度等各類因素也會造成供暖用戶的需求不一致， 種種原因造成智能化集中供熱管網熱負荷需求波動頻繁、管網各處熱負荷需求呈現較大差異。 本文將通過對集中供熱所涉及的各環節進行優化設計，以期實現源網聯動調節、優化熱網調度、實時平衡管網熱力工況、迅速有效精確地滿足用戶的用熱需求，為集中供熱智能化、智慧化發展提供一種可行的技術改造路線。

1 熱源側改造技術分析

集中供熱的熱源主要有熱電聯產機組， 分散式鍋爐等。 熱電聯產機組供熱能力提升改造成熟的技術路線有高背壓改造、吸收式熱泵改造、新型凝抽背改造等[4]，燃煤燃氣鍋爐用于集中供熱的方式已逐步邊緣化， 一般僅作為高峰期熱源補充使用，且多采用燃氣鍋爐。

1.1 高背壓改造

汽輪機側低壓缸采用雙轉子互換奇數， 即采暖供熱期使用動靜葉片級數相對減少的低壓轉子， 非采暖期換回純凝工況下配備低壓轉子， 采暖期凝汽器和非采暖期凝汽器背壓不同。 主要優點：余熱能全部利用，經濟效益較好，國內應用相對較成熟。 缺點是投資較大，機組靈活性較差，以熱定電運行方式導致機組調峰能力差，此外每年需要停機兩次更換轉子，檢修維護工作量較大。

1.2 吸收式熱泵改造

吸收式熱泵運用低壓蒸汽可以把低溫熱源的熱量提高到中溫，熱泵主要優點是運行方式簡單靈活，不需以熱定電運行，對機組出力影響小，增加了一個熱源點，對供熱安全性有提升。 缺點是需新建廠房，占地面積較大，投資較大。

1.3 新型凝抽背供熱改造術

新型凝抽背技術將中低壓缸連通管上的液壓蝶閥更換為全密封、零泄漏的，同時加裝了一個冷卻蒸汽旁路控制系統，整體軸系始終同頻運轉，還可保證低壓缸長期安全運行。 主要優點是投資少，機組靈活性較好、調峰能力強；缺點是背壓工況排汽壓力高，對機組出力影響大。

1.4 供熱鍋爐改造

用于供熱的燃煤鍋爐一般型式有鏈條爐、爐排爐、煤粉爐、流化床爐等，燃燒熱效率在60%～90%之間，環保問題比較突出，已逐步淘汰并限制使用。燃氣鍋爐采用天然氣作為燃料，自動化程度高，燃燒產物污染性少，不需要處理煤灰，熱效率普遍高于90%，啟動快、調節能力強，目前是供熱鍋爐的主要型式。燃油鍋爐采用燃油作為能源，優點與燃氣鍋爐類似，但受制于我國的能源結構，燃油鍋爐運用于供熱的場景不多。 電熱鍋爐沒有爐膛、煙道，無需處理燃燒產物，噪聲小、自動化程度高，制熱效率可高達98%以上，但受制于能源使用政策，一般使用在棄風棄光較多的地區。

集中供熱的熱源主要采用熱電聯產機組， 采用何種技術路線對熱源進行改造， 要視熱負荷和電負荷的情況而定，目前城市供熱管網多采用環狀管網型式，可以實現多熱源聯網，可視熱源點所處位置選擇技術改造方式。目前熱電聯產機組主流型式是高背壓機組+新型凝抽背機組，由高背壓機組提供基本熱負荷，高峰熱負荷由新型凝抽背機組提供，調節方式靈活，可較好地適應當地的熱網和電網的調度需求。部分地區因供熱管網范圍較大，機組供熱能力不足，可增設分散式供熱鍋爐作為補充，一般設置燃氣鍋爐，可很好的解決深寒時期熱負荷不足的問題，相對于新建熱電聯產機組， 此種方式投資少、 建設周期快、運營成本可控。

2 智能供熱云平臺改造技術分析

智能供熱云平臺到底如何建設， 相關的文獻研究并不充分， 華志剛等人對智慧電廠的建設提出了數據、安全、生產、經營、綜合五個方面的內容[5]，對智能熱網智慧化發展提供了有益的參考。 傳統的智能供熱平臺各系統數據分散，數據無法實現共享；管網建設的各類工程資料和運營期產生的文檔信息不能實現有效管理與實時更新；各類軟件工程老舊，已不能滿足熱力企業的精細化管理要求；平臺只能監控熱力站的運行數據監，尚未對熱力站實現視頻監控，無法做到無人值守、遠程巡檢的工程；系統數據未實現有效備份，數據安全性與平臺安全性都不高。

綜合以上種種因素， 本文提出智能供熱云平臺應包括監控與調度子系統、全網平衡控制子系統、熱網數據統計分析子系統、設備設施運維管理子系統、收費及客戶服務子系統、GIS 地理信息子系統。

2.1 監控與調度子系統

此子系統不僅可實現各熱力站的溫度、壓力、流量等數據采集與實時傳輸， 還能遠程實時監控換熱站的現場情況，可實現監控圖像的矩陣切換、輪巡、多畫面處理、人員入侵報警、畫面檢索回放、現場設備控制和視頻網絡服務等功能。可遠程調節各類閥門和水泵，實現管網安全穩定高效運行，實現換熱站自控和無人值守。

2.2 全網平衡控制子系統

根據管網的實際拓撲結構建立熱網模型，通過模型計算的軟測量結果與熱網實際運行參數的比較，指導運行調度，優化控制策略。主主要功能有全網仿真模型、離線模擬計算、在線模擬計算等功能。 可以很好的解決熱網普遍存在的水平水力失調的問題，大大的提高了供熱質量。

2.3 熱網數據統計分析子系統

建立供熱能耗不同指標的計算模型， 利用歷史數據進行水、電、熱等能耗指標的計算分析，多維度進行統計對比并進行可視化輸出，可實現定比、同比、環比等綜合對比。 此外能耗分析時能夠綜合考慮建筑特性、 室內溫度、氣象環境、設備及管網特性等影響因素，評價分析更為全面客觀。 能夠對分析出的各類異常指標信息進行報警提醒， 便于運行管理人員及時掌握情況并進行有效調節。 使用移動互聯技術，支持PC、手機等常用終端設備接受權限范圍內的各類運行數據和分析數據。

2.4 設備設施運維管理子系統

提供熱源、熱網、各級熱力站所屬設備、管道及附件的基本信息統計，記錄檢修及保養記錄并可分析，對設備維修保養的工作計劃提出指導性預見性的意見， 通過建立專家診斷庫， 運用數據分析模型對可能發生故障的設備提前進行預警。

2.5 收費及客戶服務子系統

實現經營數據信息數字化和集中化管理，包括入網管理、用戶檔案、收費管理、發票管理等一系列功能。 實現報修、投訴、咨詢等工單閉環管理，通過對工單的統計分析，可針對性的改進客服弊端，不斷優化服務，提高客戶滿意度。

2.6 GIS 地理信息子系統

直觀顯示供熱系統中設備設施狀態、管網走向、各類熱用戶地理分布等信息，可存儲、管理、檢索、維護和更新熱網管理中各類對象的圖形數據和屬性數據。 系統可以與監控調度子系統、全網平衡控制子系統、熱網數據統計分析子系統建立實時連接， 直觀化顯示熱網關鍵信息數據，實時進行分析計算，實現熱網穩定運行，輔助使用者高效管理熱力設施及組織生產。

智能供熱云平臺的建立將極大提升實現熱力企業管理的精細化、科學化、高效化水平。可以實現高效巡檢和工單閉環，對突發情況能夠做到迅速反應、有效應對；可以模型管網運行工況，為運行調度提供決策依據；可以為運營人員降低能耗指標指明方向；可以實現各類供熱設施的信息化管理，做到有賬可查、有跡可循；經營數據信息化管理，客戶服務工單閉環管理，都將提升客戶服務滿意度；將熱力參數可視化展示，提高運維人員界面交互友好度。

3 熱網側改造技術分析

本文認為要實現管網水力平衡和熱力平衡， 那么就要求系統響應迅速，熱網首站需要與熱源實時聯動，實時調節流量溫度等參數； 一級管網則應盡可能的增大供回水溫差，給調節留下較大的空間；二級熱力站既要進行信息化改造，做到實時調控，還需要嚴格選擇測點位置，保證上傳數據的準確性，為運行策略的制定提供準確依據；二級管網連接的入戶閥門數量眾多， 用戶調節之后會帶來水力工況的改變，需采取可靠的水力平衡措施，做好各支路的水力平衡工作。可見為保證供熱質量，智能熱網的各個環節都需采取針對性的改造升級措施， 現將有關技術方案簡單介紹如下。

3.1 大溫差熱泵技術

大溫差熱泵所使用的是傳統的單效溴化鋰吸收式熱泵， 通過與熱交換器結合來分梯次降低高溫熱網水的溫度。 一次側高溫熱網水在溴化鋰吸收式熱泵發生器里作為驅動熱源工作后，送入熱交換器降溫，再送入吸收式熱泵蒸發器降溫，經此循環后高溫熱網水可降低至25℃。

一級管網如果供回水溫差較小， 不僅影響管網本身輸送熱量的能力，還會使得水泵的能耗增加，在遇到局部地區供熱需求旺盛時， 供回水溫差過小還會導致管網供熱能力不足，因此對于大型集中供熱管網，大溫差供熱很有必要。

3.2 水力平衡閥

水力平衡閥一種能夠自動調整管網內壓力波動進而消除流量偏差的閥門， 可以將二次管網復雜的調網工作簡化，有效的解決水力失調問題。 水力平衡閥有靜態式、自力式、電動式，從自動化調節、經濟合理的角度出發，選用自力式壓差平衡閥較為合理， 自力式壓差平衡閥為雙瓣結構， 能穩定被控制系統壓差， 控制壓差可調比能到25∶1，不需外力驅動。 如果居民室內廣泛采用智能溫度調節裝置， 則在二次管網支路裝設自力式壓差平衡閥很有必要。

4 結論

本文對集中供熱進行智能化升級改造所遇到的問題進行了分析，針對熱源、供熱云平臺、熱網三個環節提出了相應的改造技術路線。通過上述分析可知，應盡可能采用多熱源聯網的型式，各熱源可根據所處管網位置、機組型式、當地電力系統情況選擇合適的改造技術路線，多熱源組合的情況下，供熱穩定性、供熱質量均會明顯提高；供熱云平臺則要打通傳統的各數據服務器相互獨立的情況，能夠做到實時監控、無人巡檢，數據智能化、智慧化處理分析，各類工單動態跟蹤、閉環處理，業務臺賬規范化管理，客戶服務質量有效提升等多方面內容；熱網則需提升管網調節能力， 增大一次管網供回水溫差是很有必要的，二級管網則需要做好各支路的水力平衡工作。