換熱站自動化系統優化運行的研究與應用

王琨 李贊

摘要：換熱站是連接供熱公司和用戶的重要環節，其工作安全性、可靠性直接影響了供熱質量。近年來雖然大多換熱站已經采用無人值守方式，但大多比較初級，只保證了補水系統、二次網循循環系統自動運行，以及一些基本的連鎖保護。各換熱站獨立運行，難以達到供熱系統的整理最佳狀態，易造成熱力失衡，影響供熱效果并造成能源的極大浪費。文章主要對換熱站無人值守系統進行論述，通過二網平衡，以及接收室溫參數進行閉環控制，最后探討總結換熱站自動化系統更加優化的設計。

關鍵詞：換熱站;二網平衡;自動化系統;優化設計

1換熱站自動化系統優化的必要性

以往的換熱站自動化系統大多只實現換熱站遠程控制，沒有從熱源情況、二網情況、室溫情況等綜合考慮，因此為了更加高效節能換熱站自動化系統的優化是非常有必要的。

1.1優化內容

自動運行改造為綜合性工程，需要從二網平衡、室溫監測、調度系統、能源分析系統、換熱站PLC算法五個方面實施。

二網平衡是室溫均衡的基礎，室溫采集基于二網平衡，為自動運行提供有效平均室溫，有效平均室溫是自動控制目標參數，用戶測點室溫是自動運行調試過程及日后運行跟蹤需要掌握的重要參數。

調度系統是運行人員與換熱站PLC程序交互的界面，能源分析系統計算的運行曲線、部分控制參數通過調度系統下發，同時調度系統需要集成室溫數據、天氣預報數據，按配置自動下發到PLC。

能源分析系統根據調度系統提供的運行數據，建立熱力工況模型，并建立各個機組在不同室外溫度下流量及供回水溫度曲線。根據系統自動運行反饋的數據，對原有曲線進行優化。

PLC算法程序是自動運行的基礎。PLC接受上位下發的供熱運行曲線、實測室內溫度、天氣預報的室外溫度，同時接受設定室內溫度作為自動運行優化目標，根據智能算法計算供水溫度設定，破解常規PID算法等一般調節手段難以控制的大慣性和大延遲供熱對象難題。

將調度系統建設成為生產控制的數據流轉中心，將運行數據，氣象數據，室溫數據，換熱站控制設備有機結合起來，通過節能分析與全網自動運行，換熱站調節閥隨用戶室溫變化自適應調整，實現用戶室溫穩定可控。

1.1.1二次網水利平衡

1.1.1.1調試原理

二次網水力平衡的調試采用水力分析法，首先繪制供熱系統二次管網平面圖，確定各入戶分支供熱面積，分支閥門形式（閥門流量特性曲線），建立二次網系統模型，利用獨立開發的水力分析系統，通過水力平衡計算得到各管段流量及閥門理想開度，作為二次管網調試的依據，進行閥門的初調試，在供熱之前，冷態運行時就實現初平衡。供熱初期，再結合系統立管的回水溫度，室溫的變化進行閥門的細調試。建立閥門檔案，記錄閥門位置，編號，供熱面積，口徑，開度，便于日后維護。

1.1.1.2基礎資料調研

調研管網結構、閥門安裝環境、閥門對應供熱面積及位置、閥門數量及口徑、房屋保溫性能及室內采暖形式，確定單位面積能耗指標，形成如下調研表。

1.1.1.3方案設計

依據供熱系統二次管網平面圖，在水力分析軟件系統中建立系統模型，將供熱系統的建筑信息、供熱信息、用戶信息錄入到設計模型中，然后計算出管段流量、流速及平衡閥口徑，工作開度，形成如下調節閥報表。

通過水力計算結果確定閥門口徑及開度，并在現場安裝，即可建立二次網初平衡。

本方案采用數據鎖定式靜態平衡閥。閥門安裝位置在樓棟入口處，最終實現樓棟間的平衡。

通過調節各樓棟入口靜態平衡閥，可實現二次管網各樓棟間的水力平衡，一次調節，長期受益。靜態平衡閥安裝完成后，還可通過水力平衡儀現場測量校正工作流量，使水力平衡效果達到理想狀態。

1.1.2室溫采集

室溫采集分兩部分：一是測溫設備選擇，二是室溫采集平臺的建設

1、測溫設備選擇

選擇固定式測溫設備，建立室溫采集系統，不但對各站的典型用戶進行室溫實時監測，而且通過數據篩選與分析，得到供熱機組的有效平均室溫，用于生產控制。

HX-TH01網絡溫濕度采集器是一款弱電型NB-IoT網絡溫濕度采集器。

（1）產品特點

> 86盒安裝，用戶無法移動位置，采集數據準確有效;

> 插座使用較大功率的用電設備也能保證監測數據準確;

> 測溫精度達到0.1℃;

> NB-IoT通訊，信號穩定，通訊費用低;

> 數據直接傳輸到云平臺。

（2）測溫設備放置原則

由于水力平衡調整后，管網水平失調已基本解決，不存在遠、中、近端的問題，因此只需要在熱力工況最不利點布置少量測溫設備，即可代表整體室溫情況。每個換熱站選一棟樓集中放置測溫設備，每棟樓隔一層放置，放置在靠邊用戶的客廳內墻，使用率低的位置，避免陽光直射。

（3）室溫數據修正

室溫采集設備采用固定插座式，一般安裝距地面300mm。散熱器供熱時，影響不大，地熱供熱時，測量值會偏高，因此要選擇高位插座進行安裝或根據安裝位置進行溫度偏差修正。

2室溫采集平臺升級

（1）編寫算法清洗測溫異常數據

建立室溫采集分析系統，通過對采集數據的分析，進行清洗、排雜，排除無效室溫，為下一步平均室溫分析提供可靠數據。

（2）獲取計算后的各機組有效平均室溫

室溫采集平臺將以機組為單位對室溫數據進行管理，在數據清洗、排雜處理的基礎上，分析獲得有效平均室溫。

（3）編寫對外統一格式接口，用于調度系統獲取室溫數據

對調度系統、室溫采集系統等數據通信接口進行標準化處理，實現調度系統直接獲取室溫數據及分析結果，用于生產控制。

1.1.3智能調度系統升級

系統具備運行圖、運行圖編輯、實時監控、負荷預測、歷史查詢、分析查詢、運行工況、氣象管理、站點巡檢、調度值班、應急指揮等功能。但室內溫度沒有參與到生產控制。換熱站歷史運行數據（溫度、壓力、流量）、室溫數據、氣象數據、入住率等還存在數據隔裂現象，無法綜合利用。系統沒能成為生產控制的數據流轉中心，導致供熱系統測量、控制、分析功能分離，沒有充分發揮數據價值。系統目前處于人工經驗管理階段，缺乏自動運行控制能力。本次主要工作是將室內外溫度數據引入生產控制系統。將室外溫度、室內溫度、換熱站運行數據傳遞給熱力工況模型仿真系統，根據熱力工況模型仿真系統運算得到的運行曲線下發至各個換熱站，將室內外溫度定時下發給各換熱站用于曲線運行。全新開發上位全自動運行控制系統將上述功能有機結合，實現自動化運行。通過系統升級，實現供熱系統基礎數據上傳、運行曲線獲取、運行曲線修正及下發、室外溫度、室內溫度、設定溫度的自動下發功能，建立全自動運行控制系統的數據中心。

升級現有智能調度系統，將調度系統建設成為生產控制的數據流轉中心，使供熱系統測量、控制、分析功能結合，充分發揮數據價值，成為生產系統自動化運行的控制中心。

（1）將室外溫度、室內溫度、換熱站運行數據傳遞給能源分析系統。

將運行數據實時傳遞給能源分析系統，用于數據分析。

（2）將能源分析系統運算得到的運行曲線下發至各個換熱站。

將能源分析系統計算的運行曲線，下發給各個換熱站，用于換熱站自主運行。

（3）將經過修正的室外溫度及有效平均室溫定時下發給各換熱站

經過氣象與作息時間修正后的室外溫度，將每小時給各換熱站自動下發，用于指導換熱站自動調節。

（4）各機組運行曲線庫

存儲能源分析系統優化的各機組運行曲線，并根據運行情況，可以人為對曲線進行相應修正，作為各機組的標準運行曲線，供下一個采暖季參考。

1.1.4能源分析系統的應用

根據調度系統提供的運行數據（換熱站一、二次網流量，供、回水溫度，室內、外溫度），建立熱力工況模型。應用大數據分析與機器學習技術，對系統熱力工況進行建模與仿真，建立各個機組在不同室外溫度下流量及供回水溫度曲線。

（1）供水溫度隨室外溫度變化曲線

根據每個機組的運行數據及確定的各階段運行流量，建立各機組的供熱運行曲線。

（2）二次網流量隨室外溫度變化曲線

根據每個機組的運行數據、二次網平衡情況，確定各機組的二次網分階段運行流量曲線。

（3）數據驗證

根據系統自動運行反饋的數據，對原有曲線進行優化，并將優化曲線重新下發給智能調度系統。

經過優化確定的運行曲線是基于運行數據得來的，因為每個機組的運行數據都不相同，優化后的曲線也一定不同，將更接近于實際供熱狀況，每一條曲線都是特制的，運行的精度將更高。

1.1.5換熱站PLC程序升級

升級和優化現有PLC程序和點表，實現接收二網流量、溫度控制曲線、室外溫度數據、室溫監測數據功能，并按照設定控制策略實現自動運行。

PLC接收智能調度系統下發的不同流量下的供熱運行溫度曲線、室外溫度和有效平均室溫，根據下發數據，對比設定室溫，自動修正二次網供水溫度及循環泵轉速設定，PLC根據設定值變化，通過PID調節電調閥開度及改變水泵轉速。

2換熱站自動化系統優化運行優勢

通過全網自動運行，實現以下技術經濟提升：

（1）自動運行控制系統能很好的控制用戶室溫，調度人員可以根據各區域用熱習慣，人員生活習慣，設置不同時段的室內設定溫度，而不必管理一些中間變量，控制系統自動跟蹤，實現實際室溫與設定值的一致性，基本杜絕用戶投訴。

（2）控制系統的調節精細度大大提高，優化控制策略（算法），對常規PID算法等一般調節手段難以控制的大慣性和大延遲供熱對象，提供先進有效的控制方法。

（3）降低調度人員的工作強度，提高了控制參數的科學性。

（4）使智慧供熱運營平臺技術水平得到新的提升，真正實現供熱系統的自感知，自優化運行，不但提高了用戶滿意度，而且大幅降低熱、電指標。

3結束語

隨著時代經濟的快速發展，現有的換熱站自動運行方案已經滿足不了節能的需求。本文所述的運行方式得以推廣將很好的控制住室溫，控制調節精細度大大提高，降低了供熱熱耗，降低了調度人員的工作強度，提高了控制參數的科學性，真正實現了供熱系統的自感知，自優化運行，大幅度降低了熱、電指標。

參考文獻：

[1]張煜.換熱站供熱系統研究及職能控制方案設計[D].鞍山：遼寧科技大學，2011.

[2]劉福才.換熱站控制系統設計[D].大連：大連理工大學，2011.

[3]葛楠.換熱站智能控制系統設計與應用[D].太原：太原理工大學.

（作者單位：國家電投集團東北電力有限公司大連開熱分公司）

作者簡介：

王琨，1978年11月20日出生，女，本科學歷，經濟師，熟悉供熱行業相關生產經營管理知識。

李贊，1991年8月30日出生，男，本科學歷，助理工程師，熟悉供熱行業相關生產經營管理知識。