集中供熱二次網節能控制方法研究

耿曉龍

摘 要：集中供熱系統是城鄉基礎建設必不可少的一個重要環節，是城市現代化建設的一個重要標準。然而，當前城市集中供熱系統卻存在著熱源效率低下、缺乏長久的室溫調控機制、缺乏高效的熱計量方法、系統控制策略不夠完善和自動化水平較低等問題。本文在充分的分析集中供熱系統原理和不足的基礎上，以換熱站和用戶端溫度調控為目的，以整個二次網供熱設備調控為核心，分別對用戶端、換熱站和供熱管理指揮中心進行軟硬件平臺搭建。通過提高集中供熱系統控制策略和自動化水平，實現節約能源，降低能耗的目的。

關鍵詞：集中供熱；二次網；節能

一、 發展現狀

我國集中供熱技術是由上世紀八十年代開始真正意義上的發展，主要經歷了利用、管理、建設和發展四個階段。經過多年的發展，我國的集中供熱技術雖然取得了長足的進步，但是與國外相比還是較為落后。主要表現為供熱質量差、供熱效率低、自動化水平低、運營成本高，以及穩定性和安全性等沒有保障。目前，取暖費用的收取主要還是停留在按面積收費。因此，無法提高普通用戶的節約、環保意識，從而造成了室溫過低投訴、室溫過高開窗通風等非正常現象的發生，導致熱能利用率低，資源浪費嚴重。

在供熱質量上，發達國家的室內供熱溫度為22℃以上，而我國達到16℃便滿足要求，且經常發生冷熱不均等現象。其主要原因是：建筑物設計落后、老化，保溫、隔熱性較差；用戶端采暖設備自動化水平較低，未能為用戶提供一種調節用熱、節約用熱成本的有效方法。本文便開發了一種用戶端智能控制設備，用以提高用熱品質、節約能源。在控制手段上，我國早前的部分換熱站仍然處于運營狀態，需要工作人員現場進行參數采集和日常控制、維護。這種控制方式不僅需要耗費大量的人力，且控制精度較低，資源浪費嚴重。隨著技術的發展，國家開始對供熱系統的硬件設備進行改造升級，開始配備先進的儀器儀表、傳感器等。并新建了一批能夠實現無人值守的換熱站和供熱監控中心，基本邁入了信息化、智能化建設階段。但是，其控制水平良莠不齊，多數換熱站只能不停的向監控中心上傳數據，卻不能接收來自于監控中心的遠程控制指令。

二、二次網供、回水溫度控制方案

1控制要求

集中供熱系統的供、回水溫度控制是通過調節一次網二次網流量實現的。量調節方法與質調節相比對用戶用熱量變化的響應速度更快，對于質調節來說，由于其調節的是供水溫度，因此其速度為水流速度。水流在管道中速度約為1到2米/秒，傳送到1至10公里的用戶需要的時間約為10分鐘至3小時不等；若水流速度不高，傳遞時間會更長。而對于量調節來說，其調節是以聲速進行傳遞的，其對熱用戶用熱量變化的響應幾乎是同步的，因此，采用量調節將成為發展趨勢。量調節采用閥門節流運行時浪費電量較多，因此應采用變速循環泵實現量調節。實現量調節控制有溫度可調以及高效運行兩個目標，所以，對其有以下控制要求：

（1）一定室外溫度條件下二次網供水溫度維持穩定

為了保證熱用戶的用熱量，首先要確保一定室外溫度條件下二次網供水溫度維持穩定。熱用戶對流量進行調節這一定會導致二次網供水溫度的變化，為了維持熱用戶室內溫度恒定，可通過自動控制對熱源進行調節，對其供熱量進行相應調節，進而確保二次網供水溫度能夠維持穩定。

（2）一定室外溫度條件下二次網回水溫度維持穩定

為了保證供熱系統二次網的高效運行，首先要確保一定室外溫度條件下二次網回水溫度維持穩定。為了提高換熱器的傳熱效率，在供熱系統運行過程中不出現“大流量小溫差”的情況，就一定要確保二次網回水溫度維持穩定，換熱器的傳熱量與供、回水溫差成正比例關系，也就是說要確保供、回水溫差達到系統的設計要求。

（3）二次網恒壓點的壓力值維持穩定

為了控制二次網供、回水溫度，首先要確保二次網恒壓點的壓力值維持穩定。無論供熱系統處于何種狀態（運行或停止），壓力一直不變的點稱為恒壓點。熱用戶資用壓頭充足并且恒壓點的壓力穩定是集中供熱系統正常運行的必要條件。如果發生不穩定的情況，一定會導致供熱系統不能正常運行，也同樣不能達到供、回水溫度穩定的目的。

2.傳統二次網供、回水溫度控制方案

集中供熱系統二次網供、回水溫度控制方案應將以下因素考慮在內：①由于供水溫度控制與回水溫度控制之間有強耦合關系，因此要對其進行解耦確定解耦控制方案②供水溫度的穩定通過控制一次網電動閥的開度來保證，回水溫度的穩定通過控制變頻水泵進而調節二次網流量來保證③由于供熱系統具有時變性、非線性、滯后性等特性，應采用先進控制方法進行控制。一般傳統供熱系統二次網供、回水溫度控制方案由于控制系統相對復雜，一般情況下先將系統先進行分解，之后對其分別進行控制。因此傳統二次網供、回水溫度控制方案可分解為二次網供水溫度控制方案、二次網回水溫度控制方案以及解耦控制方案。

3.改進二次網供、回水溫度控制方案

目前傳統的控制方法都是設計解耦補償器來抵消耦合對象產生的不利影響，最后使系統輸出變成單回路控制，也就是先進行解耦，解耦后在分別進行控制。不同的是，本文設計的解耦控制器是將解耦補償器和控制器綜合在一個控制器中，同時實現解耦和控制。

三、解耦控制方案

1. 解耦控制方案

對角陣解耦控制：對角陣解耦控制是針對多變量解耦控制中相對很早的一種解耦方法，對角陣解耦的條件是被控對象特性矩陣乘以解耦控制矩陣與對角陣相等，多變量系統在對角陣解耦之后耦合系統變成了獨立了單變量控制系統；前饋補償解耦控制：前饋補償解耦控制為了達到消除系統內相互關聯的目的，依據不變性原理進行解耦控制器的設計。耦合回路在前饋解耦后變為了獨立的單變量控制系統；反饋解耦控制：對于前兩個解耦系統，解耦控制器一般配置在前向通道上，而對于反饋解耦控制器來說，其解耦控制器被配置于反饋通道上。

2.解耦控制方案缺點

針對高階的耦合系統，以上幾種方法的缺點是其龐大且繁瑣的計算量，并且適用的控制對象模型精度不能過高。而對于集中供熱系統，在受到外界溫度或者其他因素影響時，其模型參數會發生微小的變化，以上解耦系統很難穩定完成對集中供熱系統的解耦控制，因此就要尋找一種能夠解耦較高精度的，可以接受模型參數微變的解耦控制方法。

結束語：本文分析了換熱站各個變量之間的關系，針對二次網供、回水溫度之間存在的耦合性，介紹了現有的解耦方法方法，提出了常規解耦控制方法以及本文想要采取的解耦控制方法。并且介紹了內模解耦控制的原理以及性質，為后續設計二次網供、回水溫度解耦控制系統提供了條件，從而達到節能的要求。

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