智慧热网技术下供热节能热网改造技术分析

智慧热网技术框架下供热节能改造技术实例分析分享
作者：张明，于淼，徐良胜，蒋建志，韩钊

1   概述
随着传统供热系统向智能化稳步发展，北方地区热力公司正逐步进行“智慧热网”升级改造。
 
文献［1］介绍了供热系统的运行特点和行业技术革新方向；文献［2］通过分析集中供热系统热能利用效率低、运行能耗高，提出精细化管控和计量改革是管网输运平衡、按需供热的有效途径；文献［3］针对天津某集中供热系统进行能耗计算，得出该系统的节能潜力分析结果；文献［4］介绍石家庄地区的供热需求侧管理及预测研究并给出智慧热网的建设步骤；文献［5］对供热系统数据采集模块及上位机采集平台进行开发研究，实现全网协调策略优化算法应用；文献［6］和文献［7］介绍了智慧热网应用实例和节能效果分析。
 
智慧热网是采用“互联网+传统供热”技术，通过数据传感层、数据传输层及数据应用层的整体方案对传统热网系统进行嵌入式信息化升级改造，实现数据代替经验，精准化按需供热；实现自动化调节控制，机器代替人力劳动；实现动态数据化的能耗指标。本文结合实际智慧热网改造案例，对基于信息化的智慧供热整体升级改造后的调控策略和节能效果进行分析，为供热系统实现智慧供热提供参考依据，以促进智慧热网的推广和应用。

2   智慧热网设计框架
2.1  智慧热网数据传感层设计
 
智慧热网数据传感层设计覆盖热源、热力站运行参数、热用户计量系统管控和典型无线室温采集，实现“源—网—热用户”的整网数据信息稳定传输。
 
①通过稳定可靠的硬件支撑，硬件采取模块化设计，可以根据各采集系统的现场工况个性化地调整通信接口模块，实现多种数据的传输。
 
②全网数据信息采集点使用统一ID标志，实现跨网域互联互通。
 
③采用网络时钟同步技术，确保时间相关型物理量时序准确无误。
 
④对热网、热力站管辖下的楼栋热力入口及热用户的水力工况和热力工况进行全面掌控，从而为决策者提供管网平衡调节依据。
 
⑤通过对热用户供热运行参数采集监测，对于热用户家里是否有人以及何时回家，实现各热用户针对性的精准按需供热调节。同时支持多种系统的传感器集中接入，进而全方位监测各热用户的供暖状态。

2.2  智慧热网数据传输层设计
 
现场设备采集的数据通过数据传输层传输到数据应用层进行数据分析展示，数据通信可以采用专用光纤、宽带（ADSL）、3G、4G、GPRS等公共网络。
 
2.3  智慧热网数据应用层设计 
2.3.1 智慧热网数据应用层功能
 
海量运行数据实时参数通过网络传输到上位机软件平台，通过数据实时展示、数据统计分析、大数据回归预测分析，实现热网调控的辅助决策和控制策略回归预测分析，代替人工经验。
 
①热源级智慧热网数据应用层功能
 
热源供水温度及设备启停等远程控制或者自主运行控制；
采用大数据处理方法对海量设备运行数据进行分析，并进行相应的故障诊断和偏离最佳工况的诊断；
热源与热网调控策略的连锁保护。
 
②热力站级智慧热网数据应用层功能
 
热力站运行策略及设备启停远程上位机控制或自动反馈运行控制； 
采用大数据处理方法对各设备运行数据进行分析，并进行相应的故障诊断和偏离最佳工况的诊断；
热力站设备启停的安全连锁保护。
 
③热用户级智慧热网数据应用层功能
 
通过安装在户内的远程无线室内温度采集系统优化整个热力系统的运行； 
通过热用户级智能控制面板设定室内温度，来控制分户智能通断调节阀的开启，达到热用户按需供热。

热源、热力站和热用户间的闭环控制逻辑思路为：大数据拟合回归分析来指导各个热力站的供热参数（包括供水温度、回水温度）；采用热用户室温参数来修正热力站供热参数，同时热用户室内温度也作为热源供热效果的评判依据；根据各个热力站运行的供热参数，反馈分析得到热源的供热参数。
 
2.3.2 热源运行预测系统
 
在全网调控过程中，每个热力站的调控相互影响，进而影响热源。不同的热源形式，例如：热电厂、燃煤锅炉房、燃气锅炉房对热力站调控后影响的反应速度不尽相同，供热信息网了解到因此，在调控全网时，为保证全网的安全、节能运行，必须对热源形式及管网运行特性加以研究，采取热源和热力站系统的联动调控，即各热力站在不同形式热源下设置不同的控制策略。
 
智慧热网内置专家系统根据热网特性和控制参数变动，基于热网运行参数实时动态采集的大数据进行收敛性分析，给出全热源范围内的优化控制策略。
 
利用智慧热网优化回归计算方法，基于历史运行数据，搭建热源供热量、室内温度及室外温度变化相关关系模型，用未来7 d的室外温度预测对应的热源供热量。并采用类似方法，搭建出预测热源供水温度模型。利用未来7 d热源供热量、供水温度等预测信息，可以辅助调度人员拟定出正确合理的生产调度计划。
 
2.3.3 热力站优化控制预测系统
 
由于小区建筑结构、室内供暖方式（地面辐射、散热器）决定的滞后特性及室温变化规律不同，热力站的调节控制和优化规律不同。在考虑室外温度、昼夜人体热舒适度感受需求、室内温度控制目标要求（恒温、阶段性温度变化）等因素下，利用优化回归计算方法，形成系统的闭环控制流程，得出以满足预定室内供暖温度为总体目标，以满足热用户供暖热舒适度的建筑耗热量为控制计算目标，热用户供水温度等为控制参数的热力站优化控制策略。
 
2.3.4 热用户智能控制系统
 
①从节能角度出发，对于设定室内温度较高的热用户，热力公司调度管理人员可以远程强制设定热用户室内温度，进行二级管网热平衡调节。
 
②热用户在家时，可以在热用户级智能控制面板上设定室内温度，来控制智能通断调节阀的开启，以达到热用户按需供热的室内温度环境。智能通断调节阀启闭默认温度范围为智能控制面板上设定室内温度±0.5 ℃。
 
③当热用户不在家时，可以远程监控室内温度等参数，通过手机APP智能调节室内温度，即可以远程预先设定期望的室内温度，实现在不影响热舒适性的前提下最大限度地按需供热。
 
④智慧热网平台APP可实现对于住户安装的其他智能家居（如热水器等设备）集成，进行远程控制。实现多平台整合，为热用户提供智能化家居平台。智慧热网系统热用户级智能控制面板可以实时显示用户室内温度、供回水温度、智能通断调节阀状态、热用户的设定室内温度等参数。

2.3.5 智能分析
 
基于数据挖掘技术对热源、热力站及热用户安装设备的运行状态进行异常判断和智能排查，并通过历史运行数据分析得出热源、热力站和热用户的调控习惯。采用大数据处理方法对热网的运行工况给出故障诊断和偏离最佳工况的诊断。并给出适合各热力站和热源的控制策略，进而指导全网节能安全运行，达到智慧热网的“均衡输送、按需供热”目标，实现真正的自动化、智能化节能运行。
 
3 智慧热网改造应用实例 
3.1  供热系统改造前概况
 
新乡热力公司（以下简称新乡热力）供热面积约为720×104 m2，热源形式为热电联产，下辖热力站150座，分为5个片区。原有监控中心上位机系统仅实现远程数据监测，但由于底层采集设备损坏，存在数据不能采集和数据失真现象。数据完整性和准确性较差，无法为生产调度人员提供决策性数据支撑。
 
各热力站实行就地调节，缺乏整网调控能力，导致整网水力失调严重。系统在高能耗工况下也无法保证热用户热舒适性要求。2015—2016年供暖期入网面积增加后，部分热力站出现严重抢热现象，水力失调问题更为突出。运行效果不佳导致热用户投诉率居高不下。
 
调度中心管理人员下发调控命令均需要通过电话或其他电子设备向各片区站长通知或确认，有时下发一次命令用时可能长达4 h。各站操作人员需要去热力站内进行调节，运行调节方式较为落后，调节精准度差。
 
同时，各热力站原有自控系统没有统一的标准，使得各热力站自控设备数量及安装位置、测点等差异性较大。供热信息网了解到由于各热力站的设备维护工作不充分，导致热力站设备损坏严重，超期服役，运行调控效果不佳，更不能实现整网的均衡分配、按需供热。
 
3.2  供热系统改造过程
 
以新乡热力供热系统存在的问题为切入点，进行智慧热网节能系统改造，首期工程对150座热力站中的100座热力站进行智慧热网升级改造。热电厂新建一座供热首站进行了热源容量扩充。总体规划目标是实现管网的远程集中控制管理、智能化节能运行，立足于整网运行监控、供热安全保障、智能分析节能运行的建设内容，并规划整合二级管网侧室内温度采集系统。对供热效果进行分析并指导供热调节和节能运行。针对热力站和热用户，具体的改造内容如下。
 
3.2.1 热力站
 
①室外温度补偿等多种控制策略：调节阀控制，二级管网供水温度恒定运行， 二级管网供回水平均温度运行，流量恒定运行，流量曲线运行，室外温度补偿，分时控温运行。
 
②压力控制：二级管网供回水压差调节控制回路，二级管网回水定压控制系统，电磁阀泄压控制。
 
③报警功能：一级管网回水温度高限，二级管网供水压力高限，二级管网供水温度高限，二级管网回水压力低限，二级管网供回水压差低限，水箱水位高限、低限，循环泵变频器故障，补水泵变频器故障等情况，要求控制器能够及时报警，并将报警信息远传至远程监控中心。
 
④补水箱液位控制：当水箱液位低于低限值时补水电磁阀自动开启；当液位到达高限时补水电磁阀自动关闭，从而实现补水箱自动上水功能。
 
⑤电磁阀泄压：当二级管网压力超过设定值时，电磁阀自动通电打开泄压；当压力达到低限值时，电磁阀自动断电关闭。
 
⑥联锁控制：二级管网回水压力高于定压值时，启动变频循环泵并做自锁，进行二级管网供回水压差调节，此时延时开启一级管网电动调节阀进行二级管网供水温度自动调节等保护措施。
 
⑦断电保护、来电启动：控制器具备自我保护和自我诊断功能。当系统断电时，将参数自动保存，来电后可以自动安全运行。
 
⑧巡检功能：为了实现无人值守热力站的管理，有效管理巡站人员的巡站时间，要求在热力站节能控制装置设有巡检签到功能，巡站人员在控制装置输入员工编号，即可将巡站信息、巡站时间传输到中心监控平台，有效地管理巡站人员。
 
⑨数据储存：当通信网络由于外界客观原因暂时中断时，测控系统具有数据暂存功能，能够每隔1 min储存1次测量数据，并储存至少48 h的数据。当通信网络恢复时，能够自动通过网络上传或通过储存介质上传。
 
3.2.2 热用户
 
为了充分反映供热效果，在多个小区内选择典型位置的热用户，安装室内温度远程监测装置，了解热用户的实际室内温度。典型热用户选择在小区内距离热力站的近端、中端、末端热用户，在其房间内安装室内温度采集装置，将监测的室内温度数据传输至热力公司调度中心，供调度人员掌握小区实际室内温度情况，进行供热效果的分析，及时判断调整热力站控制策略，做到按需供热。
 
3.3  智慧热网改造运行效果分析 
3.3.1 热力站节能运行控制策略
 
根据各热力站历史运行数据，通过数据拟合回归，预测各热力站的供水温度、回水温度、供热量等。考虑各个热力站供热范围内建筑节能情况不同、供暖方式不同，通过典型热用户室内温度采集反馈，对预测出的各个参数项（温度或者供热量）进行修正，即通过实际运行数据挖掘该热力站调控策略规律。
 
分别选取所供热用户为不同建筑类型和供暖方式的热力站进行调控策略的数据回归，具体分为：
 
A类：老旧建筑散热器供暖；
 
B类：二步节能建筑散热器供暖；
 
C类：二步节能建筑地面辐射供暖；
 
D类：三步节能建筑散热器供暖；
 
E类：三步节能建筑地面辐射供暖。
 
拟合并换算得出热力站稳定运行在室内温度为20 ℃时，不同建筑类型的二级管网供水温度运行策略曲线，见图1。


图1   所供热用户为不同建筑类型和供暖方式的热力站二级管网供水温度运行策略曲线

对于不同建筑类型和供暖方式的热用户，热力站在2016—2017年供暖期进行了差异性调控。在同一室外参数和相同室内温度（20 ℃）工况下，热用户为老旧建筑散热器供暖方式的热力站的二级管网供水温度最高，二步节能建筑次之，三步节能建筑最低。
 
3.3.2 全网平衡调控效果分析
 
不同类型热力站根据热用户不同建筑特性和供暖方式得出控制目标，那么全网是否可以按照该目标进行调控？上位机平台根据实时数据进行控制误差统计分析，控制误差为各热力站供热机组的二级管网供水温度的实际温度与设定温度之差。根据全网的控制误差统计图，可以辅助生产调度人员便捷地分析各热力站机组的精细化调节是否达标。供热信息网了解到根据典型运行数据，对采用“二级管网供水温度控制模式”（通过调节电动调节阀的开度，使得二级管网侧供水温度满足设定值要求）的128个控制柜的控制误差进行统计分析，其结果见表1。表1中，不同误差区间的比例为不同误差区间控制柜数量与控制柜总数量之比。
 
表1   控制误差分析结果

 
从表1可以看出，各控制柜控制的二级管网供水的实际温度与设定温度之差在［-1 ℃，1 ℃］范围的占比为85.96%，控制效果较好。其中，控制误差＞4 ℃或＜-4 ℃的控制柜共6个。对这6个站的详细分析可知，其站内存在电动调节阀选型不合理或温度测点数据不精准等情况，最终导致调控效果较差，需要改造完善。
 
3.3.3 节能效果分析
 
在改造前，2015—2016年供暖期热用户投诉较多，普遍反映室内温度未达到19 ℃。但是，

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