工業(yè)廠礦集中供熱管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度分析

李剛

（國(guó)能神東煤炭集團(tuán)礦業(yè)服務(wù)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

0 引言

工業(yè)廠礦分散式供熱目前仍大量存在，通過分散布置于各個(gè)廠區(qū)的鍋爐房，向區(qū)域內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)區(qū)及辦公生活區(qū)提供熱能，存在能耗高、供熱效果不均勻、管網(wǎng)運(yùn)行效率低等問題。通過工業(yè)廠區(qū)聯(lián)合集中供熱，可以節(jié)約能源、減少污染、提高供熱質(zhì)量，從而切實(shí)滿足供熱需要，提升供熱效果。工業(yè)廠礦由于建筑物建筑材料不同、用途不同、建設(shè)年代不同，故在實(shí)現(xiàn)聯(lián)合集中供熱建設(shè)時(shí)，供熱的形式和供熱管理的布置情況都要進(jìn)行統(tǒng)籌的規(guī)劃，從而保證供熱效果。

1 工業(yè)廠礦集中供熱模式的優(yōu)化價(jià)值

1.1 節(jié)能減排

工業(yè)廠礦集中供熱模式可以有效地節(jié)約能源，減少污染。一方面，集中供熱模式可以利用工業(yè)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的大型熱源，如核電站、熱電廠、煤液化等工廠余熱，提高燃料的利用率，降低單位熱量的能耗，減少能源的浪費(fèi)。另一方面，工業(yè)廠礦聯(lián)合集中供熱模式可以采用拆小建大的方式，整個(gè)工業(yè)區(qū)內(nèi)新建集中熱源，宜煤則煤、宜電則電、宜氣則氣，首先可降低能源消耗量，并且減少大氣污染物排放點(diǎn)數(shù)量，然后利用先進(jìn)的環(huán)保技術(shù)，如脫硫、脫硝、除塵等，對(duì)集中熱源配置合適的環(huán)保設(shè)施，減少污染物的排放量，降低空氣污染，改善環(huán)境質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，集中供熱模式相比分散供熱模式，每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2 億t，減少二氧化碳排放約5 億t，減少二氧化硫排放約100 萬t，減少氮氧化物排放約50 萬t。

優(yōu)化工業(yè)廠礦集中供熱模式，可以進(jìn)一步提高能源的利用效率，降低環(huán)境的污染程度。通過優(yōu)化供熱管網(wǎng)的布局和結(jié)構(gòu)，減少管網(wǎng)的長(zhǎng)度和阻力，降低管網(wǎng)的熱損失，可以有效提高管網(wǎng)的輸送能力和可靠性[1]。同時(shí)，通過優(yōu)化供熱管網(wǎng)的調(diào)度和控制，根據(jù)供熱需求和環(huán)境條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整供熱參數(shù)，如供回水溫度、流量、壓力等，匹配供熱負(fù)荷，平衡供熱系統(tǒng)，可以減少供熱過?；虿蛔愕那闆r，提高供熱的精確性和靈活性。通過這些優(yōu)化措施，可以進(jìn)一步節(jié)約能源，減少排放，實(shí)現(xiàn)供熱的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 提高供熱質(zhì)量

集中供熱模式可以有效地提高供熱質(zhì)量。一方面，集中供熱模式熱源可靠性強(qiáng)，可以提供穩(wěn)定和連續(xù)的供熱服務(wù)，滿足供熱需求。另一方面，通過優(yōu)化供熱管網(wǎng)的調(diào)度，可以根據(jù)建筑物實(shí)際情況及供熱實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整供熱的溫度和流量，保證供熱質(zhì)量，避免供熱過熱或過冷的現(xiàn)象。同時(shí)，通過優(yōu)化供熱的信息化和智能化，可實(shí)現(xiàn)供熱的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，提供供熱的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和反饋，在保證供熱質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)減員增效[2]。

1.3 增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性

優(yōu)化工業(yè)廠礦集中供熱模式，可以增強(qiáng)供熱系統(tǒng)的可靠性，保證供熱的安全和穩(wěn)定。通過優(yōu)化供熱管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，還可以提高供熱管網(wǎng)的強(qiáng)度和耐久性，減少供熱管網(wǎng)的故障和泄漏，保證供熱的連續(xù)性和均勻性。同時(shí)，通過優(yōu)化供熱的故障檢測(cè)和處理，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除供熱的異常和隱患，防止供熱的中斷和事故，保障供熱的安全和穩(wěn)定。

2 工業(yè)廠礦集中供熱管理優(yōu)化難點(diǎn)

2.1 管網(wǎng)布置情況較復(fù)雜

供熱管網(wǎng)在空間中的分布和連接需要與廠礦的規(guī)劃相適應(yīng)，是影響供熱管網(wǎng)運(yùn)行效率和可靠性的重要因素。通過合理地選擇管線的走向、位置、直徑、材料等，能夠使供熱管網(wǎng)的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)，從而提高供熱管網(wǎng)的性能和壽命，降低供熱管網(wǎng)的損耗和成本，提高供熱管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和效益。但在實(shí)際的供熱管理工作中，由于管網(wǎng)布置情況較為復(fù)雜，供熱管理工作的優(yōu)化工作很容易遇到困難。首先，工業(yè)廠礦空間是一個(gè)多維的、動(dòng)態(tài)的、非均勻的、非線性的系統(tǒng)，包括城市的地形、地貌、建筑、道路、綠化等多種要素，這些要素之間存在著復(fù)雜的相互作用和影響，給供熱管網(wǎng)的布置帶來了很大的限制和挑戰(zhàn)。具體的，工業(yè)廠礦大多由于位置偏遠(yuǎn)，地形和地貌復(fù)雜，另外工業(yè)廠礦各類倉、橋、釜等跨度、高度差異較大，會(huì)影響供熱管網(wǎng)的高程和坡度，進(jìn)而需要對(duì)供熱管網(wǎng)的壓力信息進(jìn)行具體調(diào)整。其次，在不同的地區(qū)，由于供熱需求的不同，管網(wǎng)的布置和設(shè)計(jì)要求也并不一致，在很多情況下，管理人員需要根據(jù)實(shí)際的城市供熱需要做好管網(wǎng)布置的調(diào)整工作，保證管網(wǎng)布置的科學(xué)性，但在很多情況下，供熱需求受到時(shí)間、季節(jié)、氣候等方面因素的動(dòng)態(tài)影響，很難有效滿足。

2.2 供熱參數(shù)的調(diào)節(jié)難度較大

供熱參數(shù)主要是指供熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如供回水溫度、流量、壓力等，在供熱管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度中，是十分關(guān)鍵的部分。通過供熱參數(shù)的調(diào)節(jié)，能夠改變供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，滿足調(diào)度需要，從而提高供熱服務(wù)的質(zhì)量和效率，平衡供熱系統(tǒng)。但供熱參數(shù)很容易受到各種因素的影響，首先，供熱參數(shù)會(huì)隨著供熱需求和供熱系統(tǒng)的運(yùn)行情況發(fā)生變化，想要做好調(diào)節(jié)工作，就要預(yù)先做好準(zhǔn)備，根據(jù)供熱系統(tǒng)信息對(duì)供熱參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一控制，而在依靠傳統(tǒng)形式進(jìn)行供熱參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，由于參數(shù)過多，很難有效保證參數(shù)調(diào)節(jié)的科學(xué)性，容易對(duì)供熱系統(tǒng)的調(diào)控和調(diào)度效果造成影響[3]。其次，目前供熱參數(shù)的調(diào)節(jié)手段大多需要依靠傳統(tǒng)的裝置如閥門、泵、風(fēng)機(jī)、換熱器等，調(diào)節(jié)方式存在滯后性、不精確性等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)供熱參數(shù)精確和靈活的調(diào)節(jié)，也難以覆蓋供熱系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)和分支，在實(shí)際的調(diào)節(jié)中，容易受到外界因素的影響。

3 工業(yè)廠礦集中供熱模式調(diào)度策略

3.1 管線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

管線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目標(biāo)是通過合理地選擇管線節(jié)點(diǎn)的類型、數(shù)量、位置、參數(shù)等，使供熱管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和拓?fù)溥_(dá)到最優(yōu)，從而提高供熱管網(wǎng)的性能和壽命，降低供熱管網(wǎng)的損耗和成本，提高供熱管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和效益。管線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是城市供熱模式調(diào)度工作中的重要內(nèi)容，也是集中供熱模式調(diào)度的基礎(chǔ)和前提。

首先，應(yīng)當(dāng)做好管線類型節(jié)點(diǎn)類型的選擇，使節(jié)點(diǎn)類型與節(jié)點(diǎn)情況相適應(yīng)，以有效保證管線的設(shè)計(jì)效果。具體的，對(duì)于供熱管網(wǎng)的分支節(jié)點(diǎn)，可以選擇分流或合流的類型，根據(jù)供熱負(fù)荷的分布，實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)的負(fù)荷平衡；對(duì)于供熱管網(wǎng)的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，可以選擇閥門或泵的類型，根據(jù)供熱需求和環(huán)境條件，通過供熱管網(wǎng)的調(diào)節(jié)滿足相關(guān)需要；對(duì)于供熱管網(wǎng)的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，可以選擇傳感器或儀表的類型，實(shí)時(shí)對(duì)管網(wǎng)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度和調(diào)整[4]。

其次，應(yīng)當(dāng)合理控制管線節(jié)點(diǎn)數(shù)量，做好相關(guān)的優(yōu)化工作，使管線節(jié)點(diǎn)能夠充分地發(fā)揮其作用，避免過多或過少的節(jié)點(diǎn)，造成供熱管網(wǎng)的運(yùn)行和控制的困難和成本方面的浪費(fèi)。對(duì)于供熱管網(wǎng)的主干節(jié)點(diǎn)，可以適當(dāng)?shù)卦黾庸?jié)點(diǎn)的數(shù)量，提高供熱管網(wǎng)的輸送能力和可靠性；對(duì)于供熱管網(wǎng)的末端節(jié)點(diǎn)，可以適當(dāng)?shù)販p少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，降低供熱管網(wǎng)的熱損失和水力損失等。供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)原則示意圖如圖1 所示。

圖1 供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)原則示意圖

3.2 供熱系統(tǒng)自適應(yīng)控制

供熱系統(tǒng)的自適應(yīng)控制是指根據(jù)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和效果，動(dòng)態(tài)地調(diào)整供熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如供回水溫度、流量、壓力等，使供熱系統(tǒng)能夠自動(dòng)地適應(yīng)供熱需求和環(huán)境條件的變化，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，提高供熱服務(wù)的質(zhì)量和效率，滿足供熱需求。在自適應(yīng)控制的過程中，首先應(yīng)當(dāng)通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從大量的供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)中，提取供熱的關(guān)鍵特征和規(guī)律，建立供熱的預(yù)測(cè)模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)，為供熱系統(tǒng)的自適應(yīng)控制提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，保證能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫分析對(duì)供熱進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以切實(shí)保證供熱效果，防止出現(xiàn)問題。其次，應(yīng)當(dāng)做好供熱參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)節(jié)工作，通過智能控制技術(shù)，具體分析用戶的偏好和習(xí)慣，再根據(jù)用戶情況自動(dòng)進(jìn)行供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，切實(shí)滿足用戶的供熱需要，并且更好地節(jié)約供熱成本。同時(shí)，供熱情況應(yīng)當(dāng)與智能供熱計(jì)量系統(tǒng)相掛鉤，對(duì)各車間、各用戶的供熱量進(jìn)行計(jì)量，防止出現(xiàn)過度供熱情況，切實(shí)保證供熱的科學(xué)、合理，規(guī)范用熱，節(jié)能減排。此外，還應(yīng)通過先進(jìn)的監(jiān)測(cè)裝置，結(jié)合信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對(duì)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和效果進(jìn)行有效的觀測(cè)，以保證供熱系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并且指導(dǎo)供熱系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，還可以實(shí)時(shí)進(jìn)行供熱網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使供熱情況更加適應(yīng)實(shí)際的需要。供熱管網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)示意圖如圖2 所示。

圖2 供熱管網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)示意圖

3.3 供熱系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行供熱管網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化過程中，可以通過建立供熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬的方式，對(duì)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和效果進(jìn)行有效的模擬和驗(yàn)證，以檢驗(yàn)供熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的有效性，分析其對(duì)供熱服務(wù)的質(zhì)量和效率的影響，再根據(jù)相關(guān)信息對(duì)調(diào)度工作進(jìn)行調(diào)整，從而切實(shí)保證調(diào)度工作的科學(xué)性和有效性，使供熱系統(tǒng)得到全面有效的調(diào)度。首先，應(yīng)當(dāng)借助信息技術(shù)建立供熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)供熱系統(tǒng)的實(shí)際情況，使供熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確地反映供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和效果[5]。例如，可以采用微分方程、代數(shù)方程、概率統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法，建立供熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型、靜態(tài)模型等數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確描述供熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行效果等數(shù)學(xué)變量之間的關(guān)系。其次，應(yīng)當(dāng)通過計(jì)算機(jī)編程、仿真模擬、三維模擬技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)模型做好供熱系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)工作，通過仿真模擬明確探知到供熱管網(wǎng)當(dāng)前設(shè)計(jì)中的不足和調(diào)度的局限性，根據(jù)相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)化，從而保證供熱系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

3.4 加強(qiáng)信息化建設(shè)

通過利用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、展示、分析、評(píng)價(jià)等功能，提高供熱系統(tǒng)的管理水平和服務(wù)水平，增強(qiáng)供熱系統(tǒng)的透明度和便利度，信息化建設(shè)是管網(wǎng)調(diào)度工作發(fā)展的新方法，也是現(xiàn)代化智慧供熱管網(wǎng)調(diào)度創(chuàng)新的必然要求。在進(jìn)行信息化建設(shè)的過程中，首先應(yīng)當(dāng)切實(shí)做好數(shù)據(jù)信息的收集和儲(chǔ)存工作，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和傳感器系統(tǒng)廣泛收集用熱點(diǎn)和管網(wǎng)調(diào)度信息，并且建立相關(guān)的信息處理系統(tǒng)和調(diào)度平臺(tái)，讓管理人員能夠通過相關(guān)系統(tǒng)對(duì)供熱情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，充分滿足供熱需要。其次，應(yīng)當(dāng)建立多端的調(diào)度系統(tǒng)，使廠礦辦公、生活區(qū)能夠根據(jù)需要自主進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)，在滿足需求的同時(shí)保證個(gè)性化供熱管網(wǎng)控制的水平，提升管網(wǎng)控制的實(shí)際效果。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)建立反饋機(jī)制，讓熱用戶實(shí)時(shí)進(jìn)行管網(wǎng)調(diào)度問題的反饋，使問題得到及時(shí)處理，從而保證供熱效果。供熱管網(wǎng)智能調(diào)節(jié)模式如圖3 所示，供熱管網(wǎng)智慧系統(tǒng)如圖4 所示。

圖3 供熱管網(wǎng)智能調(diào)節(jié)模式

圖4 供熱管網(wǎng)智慧系統(tǒng)

4 結(jié)語

總而言之，供熱管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度工作涉及工業(yè)廠礦集中供熱能力和集中供熱水平，通過優(yōu)化調(diào)度，能夠更好地使供熱效果得到保證，并且提升集中供熱的科學(xué)性，在滿足供熱方面的基本要求的前提下，最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排降耗。在供熱管網(wǎng)的優(yōu)化過程中，也應(yīng)當(dāng)注意策略的應(yīng)用，保證調(diào)度工作與供熱方面的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，提升智慧供熱水平。