智能化二級管網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

羅 晶，張慧燕，趙永太

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 控制科學(xué)與工程系，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱熱電有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；3.黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概述

2019年，黑龍江省政府提出平衡供熱、安全供熱，智慧供熱總體要求。《哈爾濱市城區(qū)供熱規(guī)劃(2017—2020)》修編，引入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，應(yīng)用在熱力站、二級管網(wǎng)及用戶等多個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、相互協(xié)同、整體優(yōu)化。在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中，由于二級管網(wǎng)用戶到熱力站的距離遠(yuǎn)近不一，不同位置的用戶壓頭和流量不同，導(dǎo)致冷熱不均勻。由于缺乏有效調(diào)節(jié)手段，運(yùn)行管理人員僅能依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，效果不佳。

智慧供熱是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以用戶為目標(biāo)，以低碳、舒適、高效為主要特征，以透徹感知、廣泛互聯(lián)、深度智能化為技術(shù)特點(diǎn)的現(xiàn)代供熱方式。智能化二級管網(wǎng)自動(dòng)平衡控制，利用室內(nèi)溫度感知、溫度控制設(shè)備、云平臺智能化軟件、物聯(lián)網(wǎng)和基于熱網(wǎng)大數(shù)據(jù)的智能建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱源、熱力站、熱網(wǎng)(一、二級管網(wǎng))協(xié)同優(yōu)化調(diào)控，是智慧供熱的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)。本文對智能化二級管網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行探討。

2 智能化二級管網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)

2.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

根據(jù)供暖初期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過智能化算法設(shè)定各熱力入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，合理分配各支線流量，實(shí)現(xiàn)初調(diào)節(jié)。

供暖期，根據(jù)室外溫度、供暖室內(nèi)計(jì)算溫度預(yù)測熱負(fù)荷，調(diào)節(jié)二級管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)按需供熱。通過智能化算法重新分配各支線流量，以維持供暖期的實(shí)時(shí)平衡。提高供熱質(zhì)量，保持良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能化二級管網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)由基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(一級管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、熱力入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)、溫度傳感器(用戶回水溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、二級管網(wǎng)供水溫度傳感器等)、數(shù)據(jù)傳輸模塊、服務(wù)器(可采用云服務(wù)器)構(gòu)成。

熱力入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與用戶回水溫度傳感器安裝在各熱力入口回水管上，室內(nèi)溫度傳感器安裝在住宅小區(qū)代表房間內(nèi)。服務(wù)器軟件分析熱網(wǎng)數(shù)據(jù)，再向電動(dòng)調(diào)節(jié)閥下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)一級管網(wǎng)流量調(diào)節(jié)、二級管網(wǎng)的水力調(diào)節(jié)。考慮樓群遮擋對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀扇B-IoT方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。運(yùn)行管理人員可通過多種終端設(shè)備(計(jì)算機(jī)、手機(jī)等)連接服務(wù)器，執(zhí)行訪問、管理和控制等操作。

2.3 控制回路

① 二級管網(wǎng)平衡控制回路見圖1。根據(jù)測量到的建筑物回水溫度、二級管網(wǎng)供水溫度得到實(shí)際供回水溫差，結(jié)合給定的建筑物供回水溫差，利用前饋型PID控制器調(diào)節(jié)熱力入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，以調(diào)節(jié)用戶流量，控制建筑物的回水溫度(即供回水溫差)。

圖1 二級管網(wǎng)平衡控制回路

② 帶室溫修正的二級管網(wǎng)平衡控制回路。在二級管網(wǎng)平衡控制回路(見圖1)的基礎(chǔ)上加入了室內(nèi)溫度修正，可使不同用戶的室內(nèi)溫度得到差異化調(diào)節(jié)。

③ 二級管網(wǎng)供水溫度控制回路(見圖2)。根據(jù)測量到的二級管網(wǎng)供水溫度，結(jié)合給定的二級管網(wǎng)供水溫度，利用前饋型PID控制器調(diào)節(jié)一級管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，通過調(diào)節(jié)一級管網(wǎng)流量，控制二級管網(wǎng)供水溫度。

圖2 二級管網(wǎng)供水溫度控制回路

④ 二級管網(wǎng)壓差控制回路。控制原理與二級管網(wǎng)供水溫度控制回路(見圖2)基本一致，根據(jù)測量到的二級管網(wǎng)壓差，結(jié)合給定的二級管網(wǎng)壓差，利用前饋型PID控制器調(diào)整二級循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)工作頻率，調(diào)節(jié)二級管網(wǎng)壓差。

2.4 軟件功能

① 即時(shí)水力平衡：根據(jù)當(dāng)前采集數(shù)據(jù)，計(jì)算、顯示并控制二級管網(wǎng)水力失調(diào)度。

② 自動(dòng)水力平衡：根據(jù)水力失調(diào)度的設(shè)定范圍判斷水力失調(diào)水平，進(jìn)而執(zhí)行水力平衡控制，以保證整個(gè)供暖期內(nèi)的水力平衡。

③ 建筑個(gè)性化調(diào)節(jié)：可實(shí)現(xiàn)建筑個(gè)性化調(diào)節(jié)，可手動(dòng)設(shè)定修正系數(shù)。

④ 二級管網(wǎng)供水溫度控制：可設(shè)定二級管網(wǎng)供水溫度曲線，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)修正設(shè)定曲線。此外，可開啟室溫附加修正功能。

⑤ 壓差控制：根據(jù)二級管網(wǎng)供回水壓力和不利環(huán)路壓力控制二級循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)工作頻率。

⑥ 能耗分析：集成多種能耗計(jì)算模塊，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析供熱系統(tǒng)能耗變化。

⑦ 用戶權(quán)限管理：設(shè)定各級別管理、運(yùn)行維護(hù)人員的瀏覽與操作權(quán)限。

⑧ 信息查詢：提供實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的多種組合查詢功能，根據(jù)需求分類顯示數(shù)據(jù)，并繪制曲線。

⑨ 異常報(bào)警：當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過參數(shù)異常設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

哈爾濱地區(qū)某小區(qū)總供熱面積為62 199 m2，居住建筑9幢，供熱面積44 365 m2；公用建筑1幢，供熱面積17 834 m2。熱力站設(shè)備包括2臺二級循環(huán)泵、3臺換熱器機(jī)組、3臺補(bǔ)水泵、1個(gè)一級管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、1臺控制柜、溫度傳感器和壓力變送器若干，機(jī)組狀況良好，控制功能完整。供暖室外計(jì)算溫度為-24.2 ℃，供暖期平均室外溫度為-9.4 ℃，供暖室內(nèi)計(jì)算溫度為18 ℃。供暖期：當(dāng)年10月17日—次年4月10日。一級管網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為105、60 ℃，二級管網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為70、50 ℃。

二級管網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖3。圖中公稱管徑的單位為mm，供回水管表示成一條實(shí)線。二級管網(wǎng)主干線至分集水器后分為6條支路，居住建筑均已經(jīng)完成分戶改造，各熱力入口前管道規(guī)格均為DN 65 mm。

圖3 小區(qū)二級管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

改造前二級管網(wǎng)采用大流量、小溫差運(yùn)行方式，運(yùn)行熱耗、電耗、水耗均比較高，并存在嚴(yán)重水力失調(diào)現(xiàn)象。因此，對二級管網(wǎng)進(jìn)行智能化平衡控制改造。改造后二級管網(wǎng)采取質(zhì)調(diào)節(jié)。

3.2 改造內(nèi)容

前期工作：建立數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)，安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器，調(diào)試服務(wù)器及相關(guān)軟件。

調(diào)試工作：供熱系統(tǒng)投入運(yùn)行后，對系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行調(diào)試，完善系統(tǒng)的現(xiàn)場適應(yīng)性，提高工作可靠性，并觀察報(bào)警功能的運(yùn)行情況。

3.3 改造效果

2017—2018年供暖期結(jié)束后，對該小區(qū)實(shí)施了智能化二級管網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)改造，并在2018—2019年供暖期投入運(yùn)行。改造前后供暖期單位供暖面積耗熱量、單位供暖面積耗電量比較見表1。由表1可知，改造后，供暖期單位供暖面積耗熱量、單位供暖面積耗電量均出現(xiàn)較大幅度下降。由監(jiān)測結(jié)果可知，各代表房間的室內(nèi)溫度均達(dá)標(biāo)，冷熱不均情況得到明顯改善。改造效果明顯。

表1 改造前后供暖期耗熱量、耗電量比較

4 結(jié)論

對智能化二級管網(wǎng)平衡控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、系統(tǒng)架構(gòu)、控制回路、軟件功能進(jìn)行介紹。結(jié)合工程實(shí)例，對改造效果進(jìn)行分析。改造后，供暖期單位供暖面積耗熱量、單位供暖面積耗電量均出現(xiàn)較大幅度下降。各代表房間的室內(nèi)溫度均達(dá)標(biāo)，冷熱不均情況得到明顯改善。改造效果明顯。