供熱管網(wǎng)分時(shí)分區(qū)運(yùn)行調(diào)節(jié)及控制技術(shù)研究

申 思 趙婧竹 李美瑩 張 媛

（西安思源學(xué)院理工學(xué)院,陜西 西安 710038）

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，能源資源嚴(yán)重緊缺，但能源需求量在逐年增加，節(jié)約能源、提高能源的利用率是緩解能源緊缺的根本途徑。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，長久以來供熱采暖耗能在建筑能耗中占比最高，因此，在眾多節(jié)能措施中，目前普遍認(rèn)為實(shí)施供熱節(jié)能改造將有效緩解能源緊缺問題。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，關(guān)于供熱節(jié)能的研究，國外學(xué)者多從熱源角度出發(fā)，以開發(fā)利用新能源及可再生能源為主，重點(diǎn)關(guān)注供熱系統(tǒng)帶來的生態(tài)環(huán)境影響。如丹麥、挪威等國家積極發(fā)展垃圾燃燒及生物能的利用，采用先進(jìn)的新技術(shù)、新設(shè)備、新材料[1]；日本十分注重工業(yè)余熱、垃圾焚燒熱、生活污水廢熱、空氣能等能源的利用[2]；韓國基本不使用煤炭，而是利用天然氣和各種油品作為供熱的能源，也在積極發(fā)展垃圾能源化[3]。另外，較大型的城市集中供熱系統(tǒng)，普遍采用了自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了熱網(wǎng)運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)測與控制，管理運(yùn)行水平較高。

在我國，目前針對供熱能耗大的問題，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提議建設(shè)節(jié)能建筑，并積極推進(jìn)城鎮(zhèn)供熱體制的改革。2012—2013年期間，北京市政府全面關(guān)停四大燃煤熱電廠，并啟動(dòng)四大燃?xì)鉄犭娭行慕ㄔO(shè)，使中心城區(qū)熱網(wǎng)清潔供熱占比達(dá)到90%以上[4]。天津市在2012年全面啟動(dòng)了“煤改燃”工程，“十三五”規(guī)劃中也明確了熱電廠為主的環(huán)狀管網(wǎng)供熱模式[5]。隨著人們節(jié)能意識的提高，我國集中供熱的熱源由鍋爐房逐漸轉(zhuǎn)向了熱電聯(lián)產(chǎn)形式，但由于管理經(jīng)驗(yàn)不足、配套設(shè)備老舊，供熱效率依舊很低。對于供熱節(jié)能方面的研究，我國學(xué)者也基于熱源、熱網(wǎng)、熱用戶三方面進(jìn)行了相關(guān)探討，節(jié)能策略側(cè)重于降低建筑需熱量和實(shí)現(xiàn)分戶熱計(jì)量，但熱計(jì)量收費(fèi)機(jī)制目前在我國推行困難。因此，本文對供熱節(jié)能方面進(jìn)行研究，以期獲得更大的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益。

由于我國某些建筑的使用具有普遍規(guī)律性，可在供熱期實(shí)施分時(shí)分區(qū)控制，即根據(jù)建筑物的使用規(guī)律及用熱特點(diǎn)，采取分時(shí)段分區(qū)域供熱，滿足按需供熱的原則，實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。其中，比較典型的建筑群體即為高等院校校舍及辦公樓等。我國某些高校已經(jīng)采取了相應(yīng)的節(jié)能改造措施，成效顯著，但就目前國內(nèi)外的研究及實(shí)施情況來看，對于供熱管網(wǎng)分時(shí)分區(qū)的運(yùn)行及控制有所研究，但不夠全面，技術(shù)有待提高。基于此，本文將對分時(shí)分區(qū)運(yùn)行調(diào)節(jié)及相關(guān)控制技術(shù)進(jìn)行深入探討。

1 供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

供熱運(yùn)行常用的調(diào)節(jié)方式有質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)、質(zhì)量——流量調(diào)節(jié)以及間歇調(diào)節(jié)。

1.1 質(zhì)調(diào)節(jié)

質(zhì)調(diào)節(jié)是在運(yùn)行時(shí)保證供熱管網(wǎng)中的循環(huán)流量不變，只改變供水溫度。該方式操作便利，節(jié)約燃料，水利穩(wěn)定性好，但為了滿足供熱需求，需將水溫維持在70 ℃以上，電能消耗較大，而且由于管網(wǎng)輸送的延遲及熱惰性的影響，使其熱負(fù)荷變化響應(yīng)速度慢。另外，在北方采用燃煤鍋爐進(jìn)行供熱的區(qū)域，高水溫的需求會加劇空氣污染。

1.2 量調(diào)節(jié)

量調(diào)節(jié)是在運(yùn)行時(shí)保證供水溫度不變，只改變供熱管網(wǎng)中的循環(huán)流量，常根據(jù)室外溫度的變化而判斷，室外溫度較高時(shí)使用小流量的循環(huán)泵，嚴(yán)寒期則使用較大的循環(huán)泵維持大流量運(yùn)轉(zhuǎn)。該方式能夠較快響應(yīng)，且可節(jié)約水泵的耗電量，但水利穩(wěn)定性較差，當(dāng)流量減少過多時(shí)容易出現(xiàn)垂直失調(diào)現(xiàn)象，一般限定管網(wǎng)循環(huán)流量不低于設(shè)計(jì)流量的60%[6]。

1.3 分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)

分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)是根據(jù)室外溫度將供熱期分成幾個(gè)不同的階段，如初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期，每個(gè)階段供熱管網(wǎng)的循環(huán)流量不變，在不同階段進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)調(diào)節(jié)。該方式結(jié)合了質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，既降低了耗電量，又保證了管網(wǎng)的水利穩(wěn)定性，但由于水泵只能在分段的恒定頻率下運(yùn)行，節(jié)電方面仍有較大的改進(jìn)空間[7]。

1.4 質(zhì)量——流量調(diào)節(jié)

質(zhì)量—流量調(diào)節(jié)則是可以改變管網(wǎng)系統(tǒng)的循環(huán)流量和工作溫度兩個(gè)參數(shù)，以此達(dá)到供熱需求。該方式調(diào)節(jié)簡便，可保證水利穩(wěn)定性，又能更大程度地降低耗電量，但對供熱管網(wǎng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)提出了較高的要求。不過鑒于節(jié)能效果顯著，目前正在逐步推廣。

1.5 間歇調(diào)節(jié)

間歇調(diào)節(jié)是一種輔助調(diào)節(jié)方式，不改變系統(tǒng)的流量和供回水溫度，通過暫停供熱設(shè)備的運(yùn)行來調(diào)整每天的供熱時(shí)長。該方式由于暫停設(shè)備運(yùn)行，可較多地降低耗電量，但反復(fù)啟停的狀態(tài)會形成熱量損失，也會造成室內(nèi)供熱溫度變化較大的情況，無法滿足遠(yuǎn)端熱用戶的用熱需求。

2 分時(shí)分區(qū)供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

以陜西省某高校為例，可把校內(nèi)供熱建筑物分成三類，供熱期正常工作時(shí)間內(nèi)的供熱時(shí)間及溫度如表1所示。寒假期間，除接待中心公寓樓外，其余建筑可根據(jù)實(shí)際情況大部分或全部保持值班溫度。

表1 陜西省某高校建筑物分類及供熱時(shí)間與溫度

因此，結(jié)合上述調(diào)節(jié)方式，基于分時(shí)分區(qū)系統(tǒng)，本文提出供熱系統(tǒng)的運(yùn)行可采用分階段質(zhì)量——流量調(diào)節(jié)。不同于傳統(tǒng)的單一的調(diào)節(jié)方式，該方式根據(jù)采暖熱負(fù)荷的變化將供熱期分成三個(gè)時(shí)期：初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期。初寒期及末寒期可作為一個(gè)階段，嚴(yán)寒期作為另一階段運(yùn)行，在每個(gè)運(yùn)行階段中再將一類和二類建筑分為正常供熱與值班供熱兩階段。對于熱負(fù)荷較小的初寒期和末寒期，系統(tǒng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，流量分別為相應(yīng)工況下的最小設(shè)計(jì)流量；對于熱負(fù)荷較大的嚴(yán)寒期，最小設(shè)計(jì)流量下的質(zhì)調(diào)節(jié)已不能滿足供熱需求，因此將增大管網(wǎng)的循環(huán)流量，保持供水溫度不變，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱空{(diào)節(jié)。如此，既能滿足供熱需求，又能最大程度地節(jié)省電量。

3 分時(shí)分區(qū)供熱運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

分時(shí)分區(qū)供熱運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要由樓棟熱力入口自動(dòng)控制系統(tǒng)、熱源運(yùn)行控制系統(tǒng)、熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)、分時(shí)分區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺以及通信系統(tǒng)等組成。

樓棟熱力入口自動(dòng)控制系統(tǒng)由分時(shí)分區(qū)控制器、流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、自力式壓差控制閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成。控制器監(jiān)測樓棟入口的多種數(shù)據(jù)，包括房間室內(nèi)溫度、供回水溫度、供回水壓力、樓棟入口流量、閥門開度等，可將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控平臺，并接受監(jiān)控平臺的控制與調(diào)整。熱源運(yùn)行控制系統(tǒng)及熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)主要進(jìn)行一次網(wǎng)及二次網(wǎng)的監(jiān)測與控制，同樓棟熱力入口自動(dòng)控制系統(tǒng)類似，可通過相應(yīng)設(shè)備監(jiān)測各種數(shù)據(jù)并傳輸給監(jiān)控平臺，并被平臺控制。分時(shí)分區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺由中央控制器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、液晶顯示屏等組成，可實(shí)時(shí)采集不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對所有參數(shù)的設(shè)定值進(jìn)行修改，另外，能顯示各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲。

初寒期及末寒期采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式，保持循環(huán)流量為最小設(shè)計(jì)流量，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可得出室外溫度—回水溫度（樓棟熱力入口處）設(shè)置曲線，其中室外溫度通過監(jiān)控平臺的采集器獲得，比較實(shí)測出的回水溫度與設(shè)定值，二者有差異時(shí)由傳輸系統(tǒng)反饋給監(jiān)控平臺的中央控制器，中央控制器自動(dòng)調(diào)整熱源側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，通過改變一次網(wǎng)經(jīng)過換熱站的水流量達(dá)到樓棟熱力入口處回水溫度的要求。根據(jù)劃分好的不同階段，在樓棟熱力入口自動(dòng)控制系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)控制器上預(yù)設(shè)好供熱時(shí)間段，每時(shí)段設(shè)置室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段控制。由于溫度的滯后性，為了避免運(yùn)行時(shí)電動(dòng)閥的頻繁動(dòng)作，系統(tǒng)應(yīng)增加相應(yīng)的溫度變化范圍，當(dāng)溫度實(shí)測值與設(shè)定值偏差大于±2 ℃時(shí)，系統(tǒng)再進(jìn)行動(dòng)作。

在溫度較低的嚴(yán)寒期，熱負(fù)荷較大，熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)則由變頻循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)變流量控制，根據(jù)室外溫度的不斷變化，變頻循環(huán)泵自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，以此調(diào)整流量。另外，樓棟熱力入口自動(dòng)控制系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)控制器可根據(jù)運(yùn)行狀況自動(dòng)控制樓棟熱力入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)用戶端局部調(diào)節(jié)。夜間當(dāng)室內(nèi)溫度低于值班溫度5 ℃時(shí)，可開啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，防止管道凍裂。

4 分時(shí)分區(qū)供熱控制策略

4.1 建筑物預(yù)熱控制

由表1可知，對于一類、二類建筑為非連續(xù)供熱，若在用熱時(shí)間開始后再進(jìn)行供熱，既不能及時(shí)滿足熱用戶的用熱需求，也會對能源造成浪費(fèi)。因此，對于這類建筑，需要在用熱時(shí)間開始前進(jìn)行調(diào)節(jié)，參照相應(yīng)工程實(shí)況應(yīng)用[8]，可在建筑物用熱時(shí)間前兩小時(shí)調(diào)整供水溫度及循環(huán)流量，完成預(yù)熱工作。

4.2 水泵變頻控制

水泵變頻的實(shí)現(xiàn)可采用溫差控制與壓差控制相結(jié)合的方式[9]。正常供熱時(shí)采用溫差控制，當(dāng)供水溫度達(dá)到要求后，通過檢測回水溫度獲得供回水溫度差，當(dāng)溫差小于9 ℃時(shí)，頻率降低至最低運(yùn)行頻率（一般限定管網(wǎng)循環(huán)流量為設(shè)計(jì)流量的60%）；當(dāng)溫差大于等于9 ℃時(shí)，頻率降低直至溫度滿足設(shè)定值。值班供熱時(shí)采用壓差控制，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量下供回水干管間的壓差值設(shè)定為恒定值，將實(shí)測值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制水泵頻率穩(wěn)定在設(shè)定值。

5 節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

5.1 鍋爐煙氣冷凝回收

采用冷凝熱回收裝置將排煙溫度降到露點(diǎn)溫度之下，可回收煙氣的顯熱及大量氣化潛熱，以此提高鍋爐熱效率。

5.2 解決水力平衡失調(diào)

在近端用戶處安裝自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，如平衡閥、溫控閥等，以此消除剩余壓頭；在遠(yuǎn)端用戶處安裝匹配的增壓泵，以此彌補(bǔ)欠缺壓頭。

5.3 分時(shí)分區(qū)系統(tǒng)設(shè)置

考慮到意外情況的發(fā)生，分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)除了具備自動(dòng)控制功能外，還應(yīng)具備手動(dòng)控制功能，應(yīng)保證在任何情況下都能從自控模式切換至手動(dòng)控制，避免特殊情況下供熱中斷。

6 結(jié)語

為有效緩解能源緊缺問題，可對使用具有規(guī)律性的建筑采用分時(shí)分區(qū)供熱節(jié)能方案。對于管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，可根據(jù)供熱要求分成不同的階段，采用分階段質(zhì)量—流量調(diào)節(jié)，結(jié)合兩種調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，能夠在滿足供熱需求的基礎(chǔ)上最大程度地節(jié)省電量。該方案自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)依靠分時(shí)分區(qū)供熱運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)測與控制一次網(wǎng)及二次網(wǎng)相應(yīng)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與存儲。另外，本文提出了建筑物預(yù)熱控制、水泵變頻控制等策略，并對供熱節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了部分優(yōu)化。