基于多級遞階智能模型的熱網平衡控制系統設計

摘要：目前，集中供熱系統多采用供水量和溫差調節法，但由于二次管網各支路復雜，流量相互干擾，造成管網水力不平衡，遠近端供熱出現較大偏差。文章設計的基于用戶側溫度控制的熱網平衡系統，采用多級遞階智能模式對系統進行解耦分析，深入剖析其獨特架構、運行機制，以用戶側溫度為關鍵反饋，實現精準熱網平衡調控，為供熱領域的精細化、智能化發展提供了新思路，有助于提升供熱質量與能源利用效率。

關鍵詞：熱網平衡分析；遞階控制；用戶側溫度反饋

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

0 引言

隨著城市化的快速發展，供熱需求呈現不斷增長的趨勢，傳統的集中式熱力管網供熱系統普遍存在溫度失衡、供熱效果差的問題。由于熱網和熱源流量是互相制約的，為了滿足熱網水力平衡流量，熱源量的定流量控制就很難滿足^［1］。針對以上問題，本文采用多級遞階智能模型設計了熱網平衡控制系統。系統實時采集住戶溫度、供回水溫度及流量、住戶位置等數據并結合氣象部門發布的溫度預期，通過機器學習等智能手段，將實時數據與歷史數據相結合，進行溫度與水力、水量、熱量的分析比較，從而實現用戶單元側供水流量與熱量的按需分配調控。在熱源負荷不變的情況下，二次管網循環水總流量和所消耗熱量大幅度降低，可以覆蓋更多采暖面積。

1 系統架構

熱網平衡控制系統采用 B/S 架構，可實現用戶室溫度控制、歷史資料查詢、設備管理、統計分析、地理分布、系統管理等功能。軟件可部署在云服務器上，使用人員可通過電腦、手機隨時隨地的訪問，跨平臺支持Windows、Linux、iOS、Android等系統。系統的架構如圖1所示。

2 系統運行原理

2.1 水力、熱力、熱量平衡關系

由于現有集中供熱系統所用設備材料與設計存在偏差，系統動態調節會產生水力失調，管網之間相互耦合使管網中實際阻力的大小和分布很難判斷，形成近端流量大、遠端流量小的現象，從而出現供熱冷熱不均問題^［2］。管網內部存在水力耦合，必須依靠設備控制來實現水力平衡。一次網水力平衡按各供熱站覆蓋用戶面積的大小分配水量，但考慮到擴容的需要，在設計時會選擇留有較大余量的熱交換器，勢必會造成目前供熱面積與功率不匹配。工作一段時間后，熱交換器也會存在水質沉積、結垢等問題，使其系數發生變化。水力平衡與熱力平衡的不匹配現象，容易造成二次網設備出現堵塞、旁通、近端短路等問題，這也是導致二次網設備不匹配的原因。僅靠水力平衡或熱學參數的靜態跟隨，供熱系統的平衡調節是很難做到的^［3］。水力、熱力、熱量平衡三者之間的關系如圖2所示。

2.2 多級遞階供熱控制系統數學模型

如圖3所示，多級遞階式供熱控制系統結構按控制要求的復雜程度劃分為以下3個等級。

多級遞階式控制系統的各級控制器均采用智能控制器，具有不同程度的自我學習能力。多層級、多目標遞階控制結構的特點是：對系統行為影響最大的是高層單元，與處于低級單元的決策周期相比，改變高層組織層級參數決策周期更長，描述問題會遇到更多不確定性，需要重復學習，處理起來也會更加量化^［4］。根據上述特點，再對比圖2所給出的控制系統結構，從最低級控制對象到控制級別再到協調級，最后到組織級，控制模型的視線逐步提高。組織器一般有機器學習和AI功能^［5］，因此高層遇到的問題往往是不確定的。中間層的協調器處理組織級與控制級系統之間會存在相互耦合沖突，從而使多級遞階供熱控制系統能夠完成對復雜的多耦合系統的優化控制，在第一級組織器的集中處理下進行管理。從橫向來看，復雜的采暖控制系統被分解成若干個子系統，每個子系統都配置了獨立的控制器，可以實現直接控制，從而在很大程度上簡化了復雜的問題。從縱向來看，系統按照每個子系統所需要學習的知識多少進行分解，降低了復雜問題分析建模的難度。

2.3 建立分級解耦的工藝對數據模型進行實例化

三級解耦工藝即構建“供熱管路旁路工藝”“電機水泵變速工藝”“二次網分解泵工藝”，如圖4所示。

供熱管路旁路工藝通過智能供熱管理系統控制平衡控制器實現解耦供熱管路，以冷熱水混合方式實現熱源向熱網傳遞熱量，動態調節熱源出水流量，解決鍋爐額定流量以外的熱網流量和旁通鍋爐熱能浪費問題^［6］。電機水泵變速工藝是利用小循環泵代替傳統的統一大循環泵的運行方式，通過在各熱力站安裝分散式變頻水泵來減少由于熱力站過多的余量而造成的浪費問題。二次網分解泵工藝針對二次網具有多個分支回路的特點，在每棟樓單元側安裝流量控制閥，根據實時采集的用戶溫度進行動態調節，實現了按需供熱。

3 前饋反饋平衡能量控制器控制Simulink仿真

仿真模型如圖5所示，PID 控制器選用并行式，比例系數P=1.6，積分系數I=0.6。白噪聲干擾幅值為0.1，前饋加反饋能量控制器的穩定性明顯優于普通PID控制，如圖6—7所示。

4 結語

用戶側溫度控制的熱網平衡系統為供熱行業開辟全新路徑，雖現階段面臨諸多挑戰，但憑借其精準供熱、節能高效等突出優勢，配合持續的技術創新與完善，必將重塑供熱格局，為社會提供更加優質、精品、可持續的供熱服務，開啟供熱行業以人為本的新篇章。

參考文獻

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（編輯 王永超）

Design of heat supply network balance control system based on multi-level hierarchical intelligent model

QI Jinsheng

（Changchun Technical University of Automobile， Changchun 132000， China）

Abstract：At present， the central heating system mostly adopts the water supply and temperature difference adjustment method， but due to the complexity of each branch of the secondary pipe network and the mutual interference of flow， the hydraulic imbalance of the pipe network is caused， and the heating at the far and near ends has a large deviation. The heat supply network balance system based on user side temperature control designed in this paper uses multilevel hierarchical intelligent mode to conduct decoupling analysis of the system， and deeply analyzes its unique architecture and operation mechanism. With user side temperature as the key feedback， it realizes accurate heat supply network balance control， and provides a new idea for the refined and intelligent development of the heating field， which helps to improve the quality of heating and energy efficiency.

Key words：heat supply network balance analysis; hierarchical control; user side temperature feedback