基于華能松原熱電熱網建設的智慧供熱系統技術及應用分析

張偉

（同方節能工程技術有限公司，北京 100083）

1 簡介

目前，華能松原熱電有限公司供熱總面積為1337.11 萬m2，其中直供站為34 個（2020 年新增直供熱力站7 個，供熱面積104.93 萬m2），現狀直供面積為800.39 萬m2，躉售面積為536.72 萬m2。供熱主線分為礦區一線、礦區二線、開發一線、開發二線。

項目建設的必要性：

從供熱技術層面：可實現新一代信息技術與傳統供熱技術的深度融合，實現熱力站智能化建設、精準的負荷調度、二網的平衡調節等。

從系統節能層面：數據價值的挖掘和技術的綜合應用可實現節能降耗8%～10%，同時，減少污染物的排放。

從企業管理層面：可實現供熱資產的集約化管理，升級管理模式。

從社會效益層面：可改善供熱質量，提升供暖效果，增強居民滿意度。

因此，本項目的建設將具有較好的經濟、社會和節能效益。

2 系統問題分析

2.1 系統運行能耗較高

經過近年來的自控設備完善和精細化管理，華能松原熱電有限公司的供熱能耗近幾年不斷降低。通過對華能松原熱電有限公司近三年的能耗數據進行統計分析，單位面積熱耗為0.45GJ/m2左右，單位面積電耗2.3kWh/m2左右，單位面積水耗146kg/m2左右。而類似氣候條件、類似供熱時長的其他供熱公司的單位面積熱耗為0.4GJ/m2左右，單位面積電耗為1.4kWh/m2左右，當前華能松原熱電有限公司仍然有較大的供熱節能潛力可以挖掘。

2.2 缺乏科學的負荷預測與熱源調度手段

目前，供熱運行主要以人工經驗為主，供熱質量憑直覺和用戶投訴判斷，主觀因素偏多。熱網節能的關鍵在于熱源調度，熱源調度的前提是科學準確的負荷預測。目前，公司雖然對部分用戶室內溫度進行了監測，但仍未能實現根據用戶室內溫度監測進行科學的負荷預測，進而根據負荷預測結果準確的調度負荷，導致供暖季出現階段性超供現象，供熱能耗居高不下。

2.3 智慧熱網指揮中心配置不完備

熱網的耦合性決定了熱力站的調節必須從全網的角度統一考慮，缺乏上位的管控平臺，無法保證熱網的調節質量，無法實現對供熱質量的綜合管控和對運行指標的量化管理，無法對整個供熱系統制定有效的安全運行保障措施和供熱調度調控方案，造成供熱能耗浪費，冬季供熱運維保障工作有心無力。

2.4 二次網平衡調節手段缺失

二次網實際運行過程中，普遍存在“大流量、小溫差”的現象，二次網供回水溫差普遍處于10℃以下，造成二次網循環水泵運行電耗偏高。二次網循環泵基本都配備了相應的變頻器，但實際運行過程中，由于二次網不平衡，為了保證遠端用戶的供熱效果，二次網不得不“大流量、小溫差”運行，二次網循環泵運行頻率受制于二次網熱力平衡的限值無法得到有效降低，造成熱力站運行電耗居高不下。

二級網的運行變化頻繁，受室外氣溫、建筑結構、管網是否規范等因素影響較大，目前，39 座配水間各分支環路的溫度、流量已遠傳至中控室，中控室已實現對各配水間相關數據進行監測，但由于各配水間各環路只安裝了關斷閥，未安裝電動調節閥，只能依據現場表計進行手動調控，無法根據溫度、流量情況實時調節。由于熱網存在滯后性、水力工況之間的耦合等情況，因此，難以將二級網水力工況調節平衡，造成二次網水力工況失調，用戶出現冷熱不均的現象，能耗較高。

3 解決方案

目前，熱力公司具備基本的自控設備，但是缺乏頂層架構，僅具備熱網監控系統和平衡調節軟件，數據的統一管理、價值挖掘；設備的管理；數據的可視化；生產與經管平臺的融合均不具備，供熱系統的智慧化運營和管理系統基本缺失，距離智慧供熱還有一定的距離。

根據調研結果，結合熱力的實際情況和建設經驗，針對性地提出以下綜合解決方案：（1）實現熱力站智能化建設。智能化熱力站是智慧供熱系統的數據來源及調控基礎，首先完善站內自控設施，提升自控水平。（2）躉售站數據的接入。實時監控該站數據，并進行整網預測。（3）部分熱力站高直連機組改造。計劃將原先分集水器所帶的高中低區系統進行拆分，低區仍采用原先分集水器，中區和高區分為各自環路，在利舊的基礎上，新增各環路的板式換熱器、循環泵和補水泵等設備。（4）部分熱力站大站拆小站。可在原有熱力站位置，將較大的單個系統，拆分成小系統，一方面，便于一網精細化調節，另一方面，有利于緩解二次網失調。選取部分配水間和單元立管，推廣二級網平衡技術。即利用二級網現有基礎條件，對各環路安裝電動平衡閥和數據采集箱，同時在中控室設立二級網控制平臺，通過熱網平衡軟件對各環路及用戶的室內溫度等數據進行分析、計算，實現二次網的自動科學調控，降低管網水力失調度，降低能耗，滿足用戶的供熱需求。（5）選取熱力站典型熱用戶安裝室溫無線遠傳裝置。通過最直接反映供暖質量的室溫參數，對全網實際供熱效果進行量化，指導供熱運行。熱源按管網負荷需求輸出，“按需供熱”，保證供熱效果的同時節省供熱成本。（6）新增廠內數據監測軟件，實現熱源首站的數據監測，同時將未納入監控系統的熱力站再接入。增加智慧供熱軟件平臺。該平臺實現新一代信息技術與傳統供熱技術的深度融合；構建統一的企業數據集成中心；實現各類生產、經管系統的集約化運維管理；實現了生產調度、設備管理、能耗管理、應急管理、智慧中心、水力計算和移動客戶端等平臺資源的整合，有助于實現熱網的深度節能、數據的資源整合、可視化展示、事故的報警和故障處理等。（7）將現有收費軟件數據納入智慧供熱軟件平臺，實現不同系統間的信息共享。

4 建設內容

4.1 熱力站的智能化建設

熱力站的智能化建設是實現智慧供熱系統建設的必備條件，基本建設內容包括工藝設備、自控設備、視頻監控、通訊形式等。

改造技術路線如下：（1）新增熱力站自控系統完善；（2）部分熱力站新增熱表、水表、電表，實現能耗數據的精確統計；（3）實現一網水泵、二網水泵、補水泵的遠程控制與調節。

監控系統：集中供熱計算機監控管理系統分為六個層級，通過工業以太網承載的Mobus-TCP 協議連接到企業監控中心。

各層內容包括：（1）機電設施層：熱源廠（熱電廠、供熱鍋爐等）、隔壓站及換熱站等終端站點；（2）就地儀表層：包含溫壓傳感器、流量計、閥門執行器、變頻器等；（3）現場控制層：PLC、DCS 等可編程邏輯控制裝置；（4）通信網絡層：項目選用基于工業以太網的Mobus TCP 通訊協議；（5）中央監控層：在監控中心設置服務器，采集接收各終端站點數據并下發指令，達到安全、節能、環保型供熱的要求，并保證供熱質量；（6）信息管理層：通過信息管理層，完成全網調度指揮、事故處理，信息管理，實現科學管理，提高企業效益。

4.2 二網平衡改造

供熱二次網平衡改造的目的在于消除供熱二次網系統的水平熱力失調，保證整個系統供熱的均勻性，均勻分配各熱用戶之間的熱量，可以大大節省二次網的供熱量。實現測量各熱用戶的室內溫度，以各熱用戶的室內溫度作為調節目標。由穩態下的熱平衡方程可以得到，散熱器向房間的供熱量與房間向室外的散熱量相同，即：

式中，KFr為散熱器的傳熱系數與傳熱面積的乘積，W/℃。KFb為建筑物的傳熱系數與傳熱面積的乘積（包括冷風滲入的影響），W/℃。

tg、th、ts、to為分別為二次網供水溫度、回水溫度、室溫和室外溫度，℃。

由上式可解出：

即在穩定工況下，室溫為二次網供回水平均溫度和室外溫度的函數，權系數由建筑物的綜合傳熱系數KFb與散熱器的綜合傳熱系數KFr之比決定。由于單一熱力站所負責的建筑物的KFb與KFr之值相差不大，則各樓棟的二次網供回水平均溫度（tg+th）/2 基本上反映了該樓棟的平均室溫。

在實際項目中，各樓棟入口二次網供水溫度基本一致，為了減少項目工程投資，普遍將調節裝置安裝于各樓棟二次側回水管道上，用以采集和調節二次側回水溫度數據，力求彼此一致。二次網平衡改造可以保證各樓棟間的均勻供熱，避免冷熱不均。因此，二次網平衡調節是保證供熱要求條件下的最節能的調節方式，也是使熱力公司獲得最大經濟效益的調節方式。

（1）對于現場具備安裝空間、取電、通訊條件的采用平衡調節閥（電動）方案進行改造；（2）對各環路安裝電動平衡閥、數據采集箱，在中控室設立二級網控制平臺，利用現有光纖/無線將各環路運行參數遠傳至中控室，以各環路的供回水平均溫度彼此一致作為調節目標，利用二級網平衡軟件對各環路參數進行自動科學調控，降低管網水力失調度，達到二次級網均衡供熱，降低能耗，提高服務質量，滿足用戶的供熱需求。（3）對具備條件的單元實現平衡調節，改造技術路線同2。

4.3 智慧化運營和管理系統建設

城市供暖的主要問題已經從20 年前的室溫低、高投訴、熱費上繳率低等民生問題轉變成為目前的室內過熱、高能耗和降低污染物排放等面向生態文明發展的新要求。因此，對智慧供熱提出了的建設目標：（1）改善室溫效果；（2）節約供熱能耗；（3）提升服務質量；（4）完善供熱管理。

功能架構：

智慧供熱信息系統的建設，包含六大層級：（1）設備層：包含熱源數據、熱網實時數據、換熱站運行數據和用戶數據，目前松原熱電正在完善換熱站自控系統的智能化建設和二次網平衡改造。（2）網絡層：通過工業以太網，實現數據傳輸功能。目前，松原熱電已具備。（3）數據采集及處理層：部署SCADA、室溫采集、視頻監控系統，實現數據匯聚、數據清洗、數據存儲，將數據分發給熱網自動平衡控制層和平臺應用層。目前，松原熱電SCADA 系統、視頻監控完善、需要新增室溫采集系統。（4）熱網自動平衡控制層：可以有效地針對熱網大慣性、長時滯、穩定性差和水力耦合性強的問題，解決熱網普遍存在的水平水力失調、冷熱不均的問題，大大地提高供熱質量，有效地節約供熱能耗，為熱力公司帶來經濟效益。（5）平臺應用及智慧決策層：支持運行GIS、生產調度系統、能耗分析系統、應急管理系統、設施管理系統、客服及收費管理系統、在線水力分析等功能開發。目前，松原熱電沒有打通各系統的平臺級應用。（6）展示層：通過監控中心的設置的大屏、PC 客戶端或網頁及移動APP 的形式向客戶發送實時信息。目前，松原熱電已具備。智慧供熱信息系統從功能架構上可以分為各級業務系統及智慧供熱平臺軟件。其中，各級業務系統包括熱網監控系統、一網平衡、二網平衡、室溫監控系統、視頻監控系統、熱計量系統、客服及收費系統，共計8 個子系統。通過數據中心將各業務系統的數據集成，統一接入智慧供熱平臺軟件，智慧供熱平臺軟件基ArcGIS地理信息系統，實現生產調度、能耗分析、設備管理、應急管理、數據管理、水力計算、智慧中心等8 個功能模塊，并配套手機APP 實現遠程聯動查看，同時平臺支持第三方系統接入。

5 結語

本項目包括新接站及已有熱力站的智能化改造、高直連系統的改造、大站改小站的建設、二次網平衡系統的建設、總調中心的智慧化運營和管理系統建設。實現新一代信息技術與傳統供熱技術的深度融合，實現熱力站智能化建設、精準的負荷調度、二網的平衡調節等。更重要是數據價值的挖掘和技術的綜合應用可實現節能降耗8%～10%左右，同時減少污染物的排放，改善供熱質量，提升供暖效果，增強居民滿意度。