供热系统智能控制节能改造技术应用

李利新

(山西大同煤矿集团鹏程公司，山西大同037003)

据统计，目前我国北方地区总采暖供热建筑面积达80亿m2，每年能耗约1.8亿tce，占全国总能耗的7%，占全国城市建筑能耗的40%。其中，热电联产集中供热面积超过45亿m2，热电联产供热量约占北方集中供热量的一半以上。随着人们生活水平的提高，每年新增供暖面积超过1亿m2[1-4]。目前，我国供热能耗普遍较高，技术比较落后。供热系统中普遍采用静态平衡阀来实现供热管网的水力平衡，但实际运行状况和设计状况出入很大，造成部分区域水力调节失调。为了保证供热末端用户的供热要求，普遍采取“大流量、小温差”的办法，增大热网管径，增大循环泵流量，在系统末端加装增压泵，从而导致热能和电能的大量浪费。

1 供热系统智能控制技术

1.1 技术原理

热力管网在供热系统中完成热的传递，热水经过热力管网将热量传送到热用户，热用户的性质不同，需要的热量也会不同，另外，由于距离热源的远近不同，输送热能的管径大小不同等因素，会造成系统中个别用户的实际流量与设计要求流量之间的不一致现象，被称之为水力失调。该技术主要针对目前供热领域中普通存在的水力失调问题，设计一套智能阀门，解决复杂的供热网管系统的热量平衡问题，某个阀门的调节不会影响其它阀门，使得每个阀门控制的支路按用户需求输送合适的热量，通过确保管路的热量平衡达到节能的目的。在确保各管路的流量按需分配之后，为进一步节能，还集成了列入智能变频技术，保证水泵的频率跟随管路阻力的变化而变化，彻底摆脱传统的顶压供水变频技术。在此基础上，该技术还整合了物联网和EAOC(能效分析与运行优化控制)技术，把智能阀门打造成一个通用的物联网结点，把阀门控制的建筑所消耗的能量数据以及管道内的流动数据发送到控制中心，帮助管理人员分析系统的节能量。

1.2 关键技术

1.2.1 智能温控平衡技术

在集中供热系统中，由于供热规模较大，管网的水力工况变得十分复杂，其水力失调问题变得十分突出，从而使其供热质量下降，出现不能满足用户要求的情况。对于一个设计合理的系统，一般可以通过初调节，使各用户的流量达到设计值。但对于一个规模大管网复杂的系统，使用目前常用的方法(如阻力系数法、正常流量法、回水温度法和经验试凑法)，由于受到各种条件的制约，存在准确度不高，需反复调试，工作量过大等问题，其效果不是很理想。智能温控平衡技术可利用现代控制理论和计算机模拟分析相集合，利用水力管网系统实际运行工况动态检测数据对系统的水力工况进行模拟分析，进而使用分析的数据对系统运行工况进行远程自动控制，这不仅可以提高调节的精度，避免人工调节的工作量，而且可以实现系统水力工况的动态控制。

1.2.2 智能变频技术

智能变频节电技术，指在供热系统中加装一套智能变频节电装置，利用水泵的原有电机系统控制，将阀门的开度控制变为水泵的转速控制，两者相结合实现调节热平衡目的。其中，智能变频节电装置具备以下两项功能:

1)通过合理改变水泵的转速(频率)节约电能，如设备需对流量进行控制，适当降低转速、调整流量即可达到节能的目的;

2)在不改变水泵转速(频率)的情况下，通过检测、跟踪负载变化，根据其功率因数和负载率的变化，优化功率输出，使电机的输出功率接近轴功率，从而实现节能。

1.2.3 无线传感技术

该技术为智能变频和能效分析提供了基础，保障各项数据的传输与共享。远传式智能控制器，具有各种输入形式选择，实现各种不同的调节功能。也可配室外温度传感器，起到随室外温度的变化而自动调整供水温度，也就是通常所说的室外温度补偿的作用。根据控制需要，可组成智能化网络控制系统，优化控制，实现远程监控。

1.2.4 EAOC技术

EAOC即能效分析与运行优化控制技术，该技术用于分析供热系统的各项运行参数，合理配置优化运行策略，降低能耗，确保系统实现管理上的节能。

1.3 工艺流程

供热系统智能控制的工艺流程，见图1。系统中，在每个供热管线的分支处安装一个智能型动态平衡控制阀，控制阀传感控制装置与主控室的服务器进行远程无线连接，将本支路的供水温度、压力、流量等数据传输给服务器，主控室的计算机服务器通过监控系统软件，对各回路数据参数分析比较后，再向智能型动态平衡控制阀发出执行指令，对阀门的开闭度进行合理控制，从而实现调节供热系统的水力平衡。

图1 供热系统智能控制技术工艺流程图

1.4 智能型动态平衡控制阀

智能型动态平衡控制阀结构示意，见图2。它是由智能控制器和电动调节阀两部分组成，是动态平衡与电动调节一体化的产品。通过配置智能模块控制装置，可方便地对各环路的流量、温度进行自动控制，实现合理利用能量，节能降耗。调节阀用于调节热水的流量和压力，根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而实现调节作用。智能型动态平衡控制阀具备以下两个特点:

图2 智能型动态平衡控制阀结构示意图

1)动态平衡功能是指根据末端设备负荷变化要求，电动调节阀胆调至某一开度时，不论系统压力如何变化，阀门都能够动态地平衡系统的阻力，使其流量不受系统压力波动的影响而保持恒定。

2)电动调节功能是指阀门能根据目标区域温度控制信号的变化自动的调节阀门的开度，从而改变水流量，最终使目标域区的实际温度与设定温度一致。

1.5 调节参数

由于供热系统设备和建筑物有很大的热惰性，室外气温、日照和供水温度、流量等参数的变化对用户室温的影响并不是立刻发生，而是滞后一段时间。因此，为保证用户室温的设计要求，热源当天的供热量，不但与当天的室外气温、供回水温度、流量、日照、风速有关，而且和几天前的上述参数都有关。比如以某天为例，若前几天一直阴天，热源供热情况又不好，与几天前阳光明媚，热源供热良好相比较，为满足同一用户室温要求，则当天热源供热量将是不同的，相应的系统供水温度、循环流量也应不同。为了更好地实现按需供热，必须用动态方法分析热力工况，并用预测参数的方法对供热系统进行动态调节。

为了对这种动态工况进行动态调节，必须首先对供热系统的热惰性加以识别，了解供热系统热惰性的大小，延滞的快慢，进而搞清以往参数影响当天供热的天数。对一个具体的供热系统进行上述特性的识别，是经过大量实际参数的测试和数据的统计得到的。然后根据已知条件，对供热系统的识别模型进行计算，得到要求的预测参数，进而实现系统的自动调节或系统运行指导。由于大量数据的实测，手工操作是难以完成的。因此，供热系统的动态识别和动态调节，必须配置计算机的自动监控系统。反映供热系统上述参数之间的动态过程，可由下列方程表示:

式中

tg，th——分别表示供热系统供、回水温度，℃;

Q——供热系统每天的供热量，w/d;

G——供热系统循环流量，t/h;

tn——热用户每天平均室温，℃;

tws——当地每天平均综合外温，℃;

c——供热系统热媒比热，kJ/(kg·℃);

B——散热器系数;

α，β，φ——分别为与供热系统热惰性有关的常数;下标“τ”，“τ-1”……“τ-i”分别表示当天、前天……前i天的有关供热参数。

α，β，φ常数的数值，是通过实测大量的tn，tg，th，tws，Q 后经过最小二乘法对式(1)、(2)的拟合得出的。其中j的取值愈大，说明以往供热参数对当天供热的影响愈大，亦即供热系统的热惰性愈大。经统计计算，一般j取值以4～5 d为宜。系数拟合的前提，必须以实测数据为依据。实测的天数愈长，求得的系数愈接近供热系统的实际情况。实测时间以30 d为宜。

对于供热系统的流量均匀调节，在直接连接的条件下，使用计算机监控系统，宜采用回水温度调节法。被调参数为回水温度，调节参数为循环水量或电动调节阀的阀位。对于间接连接的供热系统，宜采用平均温度调节法，被调参数为二次网的供回水平均温度，调节参数为一次网的循环流量或电动调节阀的阀位。

2 供热系统智能控制节能技术的应用[5-6]

2.1 典型用户

陕西西安某小区，建设规模:本小区共有42栋建筑，总供热面积为13.8万m2，总设计供热量为8394 kw。主要改造内容:小区采用供热智能系统。节能技改投资额90万元，按照供热季120 d，改造后的节能量为10%计算，一个供热季可节能800 tce，取得节能经济效益65万元，投资回收期为1.5 a。

2.2 节能潜力和推广前景

目前全国北方地区总采暖供热建筑面积约80亿m2，其中热电联产集中供热面积超过45亿m2，每年新增的供暖面积超过1亿m2。此外，我国目前还有53亿m2的公共建筑，50%以上都安装了中央空调系统，该技术也可用于中央空调系统的节能，技术推广应用的前景广阔。通常，我国北方集中供热的能耗在 60～120 kwh/(m2·a－1)，公共建筑的中央空调能耗在 10～50 kwh/(m2·a－1)。按 2015 年推广到10%计算(新增供暖面积)，节能能力可达6万tce/a。

3 结束

在我国北方的一些高寒地区，全年采暖期长达180 d左右，近几年，随着热电联产集中供热技术的推广应用，取缔了原来的煤锅炉供热状况，人们的居住环境得到了彻底改善。但随着城市的建设，供热面积不断增加，热电厂的能源消耗也在逐渐增大。由于现有供热系统的调节能力有限，导致热用户出现近端过热、远端过冷的不平衡现象，并浪费了大量的能源。如果推广应用此项供热节能改造技术，可以实现按需供热，合理降低供热能耗，节约原煤的消耗。这不但可以为我们带来直观的经济效益，而且，社会效益也很明显，通过该项技术的改造与运用，避免了热能的浪费，节省了大量宝贵的能源，并由此对一系列生态、环保等起到积极的作用。

供热系统智能控制节能改造技术现已正式列为国家重点节能技术推广项目。此项技术的推广应用必将对我国的供热产生深远的影响。

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