智慧換熱站信息化建設管理系統研究

摘要：智慧換熱站的信息化建設作為當前集中供暖的重要選擇，該工作在實際的開展中面臨著很多的困境與難題。從目前集中供熱的現狀與換熱站系統的現狀出發，研究換熱站系統的構成及其工作原理、換熱站自控系統調節的基本理論和方法，以國防馨苑小區智慧換熱管理系統建設為藍本，為集中供熱監控系統研究和智慧換熱站信息化建設提供參考。致力于為今后集中供暖工作的發展提供有價值的參考。

關鍵詞：智慧換熱站；管理系統；無人值守；供熱

一、前言

區域供熱是我國北方地區冬季主要的供熱方式，區域供熱系統由熱源、熱網和用戶三部分組成，主要通過管網輸送蒸汽或熱水以滿足用戶供熱需求[1]。在這個系統中，換熱站是關鍵節點，負責熱能傳遞，并安裝有換熱器、循環水泵等關鍵設備以確保熱能傳遞效率。此外，換熱站還配備測量、控制儀器，實時監測并記錄運行參數，確保系統穩定運行并提高供熱效率。同時，維護裝置用于防止供水裝置被腐蝕和結垢，保障長期穩定運行。

作為連接熱源與熱用戶的橋梁，換熱站在整個系統中發揮著承上啟下的關鍵作用，對于確保系統的高效運行具有日益重要的作用[2]。隨著時代的發展，大數據、云計算、AI等高新技術不斷融入傳統行業，供熱系統進行智慧化改造已是必然趨勢[3]。

二、國防馨苑集中供熱基本情況

目前，國防馨苑換熱站集中供熱面積共計83890.08㎡。換熱站現有2臺90kw循環泵，為整個系統循環提供動力；2臺4kw補水泵，對系統介質的損失進行補充，來穩定整個系統的壓力，循環泵和補水泵均一用一備；2臺配電設備，對循環泵和補水泵進行控制和監控；一臺換熱器，來轉換一次管網熱量；1個20噸水箱，儲備補水水源。

三、智慧換熱站需求分析

（一）現狀分析

國防馨苑小區建成時間較早，當前供熱系統在控制方面尚顯滯后，供熱品質與效率均不盡如人意，且運行管理仍停留在手工操作的初級階段[4]，溫度調節主要依賴于經驗，缺乏科學精準的方法，同時在技術上也存在較大的差距，能源利用、故障監測等方面均有不足。隨著國家經濟能力不斷提高，小區居民對改善小區供熱系統提出迫切需求。通過調研小區居民對供暖服務的需求和期望，提出智慧換熱站信息化建設管理系統的功能需求和技術要求。首先可以通過實時監測、數據分析等手段，實現對供熱系統的全面掌控和精準管理。通過智能控制系統，實現對供熱設備的遠程監控和自動調節，提高系統的穩定性和可靠性，降低故障率，從而提升供熱系統的整體運行效率。智能控制技術的應用，可以通過與用戶的智能設備相連，實現供熱費用的自動計算和收繳，不僅提高了繳費效率，降低了人工成本，也方便了用戶的使用和繳費，有助于解決供熱費收繳困難的問題。通過優化供熱系統的運行參數和控制策略，實現能源的精準利用和節約。通過實時監測和調整供熱設備的運行狀態，可以確保系統在最佳狀態下運行，減少不必要的能源消耗，從而降低供熱系統的運行成本。

（二）智慧換熱系統

智慧換熱系統整合供熱公司生產相關系統，實現各換熱站數據實時傳輸至公司總控室，構建大數據中心，深度挖掘數據價值，為生產運行與資源調配提供精準決策依據，如圖1所示。此模式旨在實現數據采集智能化、系統調控自動化、運營監管科學化，確保供熱穩定高效、節能環保，最終實現供熱公司的智慧化管理目標。

四、智慧管理系統功能設計

隨著數字化熱源與先進技術的深度融合，智慧換熱系統應運而生。它借助物聯網與設備監控技術，全面清晰地掌握生產全流程，實時精準地采集生產數據，極大減少人工干預，高效制定生產計劃，提升生產過程的可控性。智慧換熱系統不僅構建了綠色節能、低碳環保的人性化熱源，更在功能上與人類智能相媲美。當智慧換熱系統進一步升級，具備更多與人類智能相似的功能時，將邁入智慧化熱源的新紀元，開啟供熱領域的新篇章，為人們的生活帶來更加舒適、環保的供熱體驗，運用智慧供熱技術，通過人工智能、大數據分析、物聯網等技術手段，實現對供熱系統的智能化管理和控制。系統的具體功能包括以下幾個方面。

（一）智能感知與監控

智能感知與監控是智慧供熱系統的核心。它利用各類傳感器（如溫度傳感器、濕度傳感器等）實時收集換熱站供熱系統的數據，并通過大數據分析和預測模型，對這些數據進行處理和分析。通過這些數據，系統能夠迅速識別供熱系統中的問題，如管道泄漏、設備故障等，并立即采取有效措施進行修復，從而提高供熱系統的運行效率。

（二）智能調度與優化

智能調度與優化是利用人工智能技術對供熱系統進行動態管理。通過對用戶需求、天氣變化等因素的預測，從而提前調整供熱策略，系統能夠合理分配熱源，動態調整供熱設備的運行模式和參數，對供熱設備進行智能控制，通過智能控制算法，優化供熱設備的運行，減少不必要的能耗，實現能源的最優利用和系統的高效運行。

（三）智能維護與故障預警

智能維護與故障預警是通過對供熱設備的狀態和運行情況進行實時監測，一旦發現異常，系統立即發出報警，并自動分析故障原因，提供相應的維修方案，有助于降低因故障帶來的損失和影響，提高供熱系統的可靠性和穩定性。

（四）用戶便捷服務

通過物聯網技術將智慧供熱與用戶終端相連接，為用戶提供個性化的服務。用戶可以通過手機App或智能設備，實時查看室內溫度、室外天氣等信息，并進行遠程控制和調節。根據用戶的偏好和習慣，提供個性化的供熱服務，提高用戶滿意度。

五、系統設計

（一）自控系統設計

智慧換熱系統是一個集成了先進控制算法、無線通信技術以及遠程監控技術的綜合性系統[5]。它主要由現場智能控制器、傳輸網絡和監控平臺三個核心部分組成，旨在實現換熱站的無人值守和自動化運行，從而提高運行效率并降低人力成本，控制系統結構圖如圖2所示。

現場智能控制器：集成了先進測量技術、執行機構、控制算法和人機交互界面的智能控制系統，專為換熱站的無人值守和自動化運行而設計。主要測量儀表涵蓋了對換熱站運行參數的精準測量設備，如儀表和變送器以及超聲波流量計等；執行機構則由循環和加壓的變頻器、電動調節閥等核心部件構成；PLC模塊與嵌入式屏結合，運用不同控制算法實現各控制系統的智能自動控制；嵌入式屏提供直觀的人機界面，方便監控、顯示運行參數，同時實現數據統計、繪圖展示及報警提示等功能。

傳輸網絡：傳輸模塊或無線路由器，能夠實時將換熱站現場的運行數據與控制狀態發送至監控中心，助力供熱企業實現對多個換熱站系統的集中管理與遠程監控。前端視頻監控設備通過無線路由器接入互聯網服務器，實現無線通信。監測中心則通過撥號方式與服務器連接，輕松接入視頻圖像，實現全面監控。

監控平臺：該系統依托無線網絡構建的統一監控平臺，成功實現對換熱站調節閥、變頻器等核心設備的遠程控制，為無人值守換熱站的運行管理提供了堅實的技術支撐，推動了供熱系統的智能化發展。無線網絡的應用使得監控平臺能夠實時接收和處理來自現場智能控制器的數據，從而實現對調節閥、變頻器等設備的遠程監控。這種遠程控制方式不僅減少了人力巡檢的頻率，降低了人力成本，還提高了操作的靈活性和響應速度。當系統檢測到異常情況時，可以迅速做出反應，通過調節設備的運行狀態來恢復系統的穩定。

此外，視頻監控平臺的定時存儲巡檢登記圖片功能，為管理人員提供了便捷的查看方式，幫助他們隨時了解換熱站的運行情況，如圖3所示。同時，遠程觸發功能使得管理人員可以在需要時隨時查看現場實時畫面，及時發現并處理潛在的安全隱患。這種無人監控和報警功能大大提高了換熱站的安全性和可靠性，降低了事故發生的概率。

（二）取熱控制系統設計

智慧換熱系統的核心在于取熱控制系統，其重要性不言而喻。該系統確保二次網即熱用戶端能夠保持適宜的供回水溫度，從而有效實現熱量的傳遞，為用戶帶來舒適的供熱體驗。在供熱過程中，取熱控制起到了至關重要的作用，它直接關系到用戶感受到的供熱舒適度和整個供熱系統的運行效率。

為了實現更加精準和高效的取熱控制，研究者們對多種控制算法進行了深入研究[6]。智能控制算法通過利用現代計算機技術，使得控制系統能夠根據實時的數據反饋，自動調整控制策略，以適應不斷變化的供熱需求。這種算法的應用極大地提高了控制系統的靈活性和響應速度。

熱量控制算法則更加注重對熱量傳輸過程的精確控制[7]。通過對供熱過程中熱量的流動和分配進行精確計算，系統能夠確保熱量在二次網中的合理分配，避免熱量的浪費和損失。

三態控制算法則是一種更加靈活的控制方式。它根據供熱系統的不同運行狀態，如啟動、運行和停止等，采用不同的控制策略，以實現更加高效和穩定的供熱效果。

此外，動態優化算法也是近年來研究的熱點。這些算法通過綜合考慮室外溫度、時間修正等多種因素，對二次網的溫度進行動態調整，如圖4所示。通過這種方式，系統能夠根據實際情況，自動優化控制策略，以實現更加舒適和節能的供熱效果。

取熱控制系統是一個針對供熱網絡的自動化控制系統，其主要目標是通過精準調節一次網供水調節閥或加壓栗變頻器的頻率，實現對二次網回水溫度或供回水平均溫度的有效控制，從而確保供熱系統的穩定運行和高效節能。

在這個系統中，控制參數的選擇是關鍵。系統選取了二次網的回水溫度或供回水的平均溫度作為主要的控制參數。這是因為這兩個參數能夠直接反映供熱系統的運行狀態和供熱效果，對于保證供熱質量和節能降耗具有重要意義?？刂茖ο髣t是一次網的供水調節閥或加壓變頻器的頻率。通過調節這些設備的運行狀態，可以實現對二次網溫度的有效控制。具體而言，當二次網回水溫度或供回水平均溫度偏離設定值時，系統會根據實時反饋的溫度數據，自動調整供水調節閥的開度或加壓變頻器的工作頻率，以確保二次網溫度逐漸回歸至預設值，維持供熱系統的穩定運行。

在控制過程中，系統采用了氣候補償下的設定值作為給定值。這是因為不同的氣候條件下，供熱系統的需求也會有所不同。通過氣候補償，系統可以根據實時的氣候條件，自動調整設定值，以適應不同的供熱需求。

同時，系統還通過測量溫度值作為反饋值，與給定值進行比較，從而計算出控制誤差。根據這個誤差值，系統會進一步調節供水調節閥或加壓變頻器的輸出值，使二次網的溫度逐漸逼近給定值。

六、結語

隨著經濟發展與社會數字化進程不斷加快，區域供熱未來發展必然與數字化建設緊密相連。數字化發展不僅為供熱企業提供了更為高效、精準的數據處理和分析能力，還為企業向智慧化升級奠定了堅實的基礎。在智慧化轉型的過程中，供熱企業還應注重因地制宜的策略。不同地區的氣候條件、供熱需求、能源結構等因素差異較大，因此，智慧化建設方案應充分考慮這些因素，確保方案的針對性和有效性。

參考文獻

[1]楊福禧，徐兵.淺談智慧化換熱站的建設關鍵技術[J].中國新技術新產品，2019（14）：60-61.

[2]晁越.集中供熱智能無人值守換熱站自控系統的設計與實現[J].通訊世界，2018（07）：139-140.

[3]李清祥.無人值守換熱站遠程監控系統的應用及優化[J].區域供熱，2022（02）：117-120.

[4]陳艷武.無人值守換熱站智能控制系統的研究[D].大連：大連海事大學，2013.

[5]萬學志，周海珠，吳春玲，等.基于DCS的換熱站智慧供熱監控系統的研究[J].建筑熱能通風空調，2021，40（01）：61-64.

[6]張煜.換熱站供熱系統研究及智能控制方案設計[D].鞍山：遼寧科技大學，2012.

[7]楊卓.智慧供熱系統評價體系研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

基金項目：陜西國防工業職業技術學院2024年度校本科研計劃項目“智慧換熱站信息化建設管理系統研究——以國防馨苑小區為例”（項目編號：Gfy24-29）

作者單位：陜西國防工業職業技術學院

責任編輯：王穎振、鄭凱津