智能化二级管网平衡控制系统研发与应用

罗 晶，张慧燕，赵永太

(1.哈尔滨工业大学 航天学院 控制科学与工程系，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨热电有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046；3.黑龙江省林业设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 概述

2019年，黑龙江省政府提出平衡供热、安全供热，智慧供热总体要求。《哈尔滨市城区供热规划(2017—2020)》修编，引入物联网、大数据、人工智能等新技术，应用在热力站、二级管网及用户等多个环节，实现自动控制、相互协同、整体优化。在传统供热系统中，由于二级管网用户到热力站的距离远近不一，不同位置的用户压头和流量不同，导致冷热不均匀。由于缺乏有效调节手段，运行管理人员仅能依靠经验进行调节，效果不佳。

智慧供热是以数字化、网络化、智能化的信息技术为基础，以用户为目标，以低碳、舒适、高效为主要特征，以透彻感知、广泛互联、深度智能化为技术特点的现代供热方式。智能化二级管网自动平衡控制，利用室内温度感知、温度控制设备、云平台智能化软件、物联网和基于热网大数据的智能建模技术，实现热源、热力站、热网(一、二级管网)协同优化调控，是智慧供热的重要组成部分和关键技术。本文对智能化二级管网平衡控制系统相关内容与实际应用效果进行探讨。

2 智能化二级管网平衡控制系统

2.1 实现目标

根据供暖初期的运行数据，通过智能化算法设定各热力入口电动调节阀的开度，合理分配各支线流量，实现初调节。

供暖期，根据室外温度、供暖室内计算温度预测热负荷，调节二级管网实现按需供热。通过智能化算法重新分配各支线流量，以维持供暖期的实时平衡。提高供热质量，保持良好的经济性。

2.2 系统架构

智能化二级管网平衡控制系统由基于物联网的电动调节阀(一级管网电动调节阀、热力入口电动调节阀)、温度传感器(用户回水温度传感器、室内温度传感器、二级管网供水温度传感器等)、数据传输模块、服务器(可采用云服务器)构成。

热力入口电动调节阀与用户回水温度传感器安装在各热力入口回水管上，室内温度传感器安装在住宅小区代表房间内。服务器软件分析热网数据，再向电动调节阀下发控制指令，实现一级管网流量调节、二级管网的水力调节。考虑楼群遮挡对数据传输的影响，采取NB-IoT方式实现电动调节阀、温度传感器与服务器的数据通信。运行管理人员可通过多种终端设备(计算机、手机等)连接服务器，执行访问、管理和控制等操作。

2.3 控制回路

① 二级管网平衡控制回路见图1。根据测量到的建筑物回水温度、二级管网供水温度得到实际供回水温差，结合给定的建筑物供回水温差，利用前馈型PID控制器调节热力入口电动调节阀开度，以调节用户流量，控制建筑物的回水温度(即供回水温差)。

图1 二级管网平衡控制回路

② 带室温修正的二级管网平衡控制回路。在二级管网平衡控制回路(见图1)的基础上加入了室内温度修正，可使不同用户的室内温度得到差异化调节。

③ 二级管网供水温度控制回路(见图2)。根据测量到的二级管网供水温度，结合给定的二级管网供水温度，利用前馈型PID控制器调节一级管网电动调节阀开度，通过调节一级管网流量，控制二级管网供水温度。

图2 二级管网供水温度控制回路

④ 二级管网压差控制回路。控制原理与二级管网供水温度控制回路(见图2)基本一致，根据测量到的二级管网压差，结合给定的二级管网压差，利用前馈型PID控制器调整二级循环泵电动机工作频率，调节二级管网压差。

2.4 软件功能

① 即时水力平衡：根据当前采集数据，计算、显示并控制二级管网水力失调度。

② 自动水力平衡：根据水力失调度的设定范围判断水力失调水平，进而执行水力平衡控制，以保证整个供暖期内的水力平衡。

③ 建筑个性化调节：可实现建筑个性化调节，可手动设定修正系数。

④ 二级管网供水温度控制：可设定二级管网供水温度曲线，并根据历史数据修正设定曲线。此外，可开启室温附加修正功能。

⑤ 压差控制：根据二级管网供回水压力和不利环路压力控制二级循环泵电动机工作频率。

⑥ 能耗分析：集成多种能耗计算模块，可根据历史数据分析供热系统能耗变化。

⑦ 用户权限管理：设定各级别管理、运行维护人员的浏览与操作权限。

⑧ 信息查询：提供实时和历史数据的多种组合查询功能，根据需求分类显示数据，并绘制曲线。

⑨ 异常报警：当实时数据超过参数异常设定阈值时，启动报警。

3 工程应用

3.1 工程概况

哈尔滨地区某小区总供热面积为62 199 m2，居住建筑9幢，供热面积44 365 m2；公用建筑1幢，供热面积17 834 m2。热力站设备包括2台二级循环泵、3台换热器机组、3台补水泵、1个一级管网电动调节阀、1台控制柜、温度传感器和压力变送器若干，机组状况良好，控制功能完整。供暖室外计算温度为-24.2 ℃，供暖期平均室外温度为-9.4 ℃，供暖室内计算温度为18 ℃。供暖期：当年10月17日—次年4月10日。一级管网设计供、回水温度为105、60 ℃，二级管网设计供、回水温度为70、50 ℃。

二级管网结构见图3。图中公称管径的单位为mm，供回水管表示成一条实线。二级管网主干线至分集水器后分为6条支路，居住建筑均已经完成分户改造，各热力入口前管道规格均为DN 65 mm。

图3 小区二级管网结构

改造前二级管网采用大流量、小温差运行方式，运行热耗、电耗、水耗均比较高，并存在严重水力失调现象。因此，对二级管网进行智能化平衡控制改造。改造后二级管网采取质调节。

3.2 改造内容

前期工作：建立数据采集和通信系统，安装电动调节阀、温度传感器，调试服务器及相关软件。

调试工作：供热系统投入运行后，对系统各功能模块进行调试，完善系统的现场适应性，提高工作可靠性，并观察报警功能的运行情况。

3.3 改造效果

2017—2018年供暖期结束后，对该小区实施了智能化二级管网平衡控制系统改造，并在2018—2019年供暖期投入运行。改造前后供暖期单位供暖面积耗热量、单位供暖面积耗电量比较见表1。由表1可知，改造后，供暖期单位供暖面积耗热量、单位供暖面积耗电量均出现较大幅度下降。由监测结果可知，各代表房间的室内温度均达标，冷热不均情况得到明显改善。改造效果明显。

表1 改造前后供暖期耗热量、耗电量比较

4 结论

对智能化二级管网平衡控制技术的实现目标、系统架构、控制回路、软件功能进行介绍。结合工程实例，对改造效果进行分析。改造后，供暖期单位供暖面积耗热量、单位供暖面积耗电量均出现较大幅度下降。各代表房间的室内温度均达标，冷热不均情况得到明显改善。改造效果明显。