智慧热网控制系统的分析

马奕轩,陈洪玮

(1.河北华电石家庄华电供热集团有限公司,河北 石家庄050051；2.中国华电河北分公司,河北 石家庄 050051)

为推进清洁城市供暖体系的构建,石家庄市分析现有供暖资源和设施,在深入研究供热覆盖区域后,根据排查居民供暖需求,将富余供热能力向合理半径延伸,挖掘供暖潜力,大力推进长输供热进市,减少供暖盲区,满足石家庄市“利剑斩污”节能降耗和采用清洁能源的要求,因此必须建设智慧热网。智慧热网是指基于信息基础设施的发展,使用人工智能、大数据、云计算等技术,通过对供热有关数据采集分析,对热源单位、供热管道、换热站、供热末端的各个供热环节进行调控,实现热网资源优化配置,提高热源输送能力和节能的形式。该工艺采用互联网控制技术,通过传感层数据、传输层数据及数据应用层的控制对原有传统供热体系进行信息化升级改造,实现数据代替经验,实行精准化管理,按需供热；目的实现计算机调节控制,电子信息调控；动态实现数据化的能耗指标分析,通过远程监控进行数据分析。本文主要对基于信息化的热网整体升级改造后的调控方式策略和节能效果进行分析,以智慧热网系统解决供暖资源优化问题,实现升级改造后的调控策略和节能效果。

1 智慧热网控制系统

1.1 系统概况

针对目前供热热源的多元化,智慧热网通过建立无线网络的热网监控系统,来实现现场温度、压力、流量等参数的采集与传输,掌握实时掌握监测点的计量数据,通过大数据汇总自动随时对突发情况做出相应的处理。从而将监控网络扩展到城市热网的任意角落,有效提高热网运行的监控水平和供热行业的管理水平。智慧热网控制系统见图1。

图1 智慧热网控制系统

通过图1可以看出,智慧热网控制与传统供热结合产生的管理模式和流程共分为4个阶段,第一,对于热源侧到换热站之间的运行及大数据信息搜集和设备管理,通过视频形式全程监控,直观反映生产运行工况；第二阶段,根据运行工况传输给调度系统,通过大数据统计和分析,将分析结果报告传输至调度与控制模块；第三阶段,智慧系统通过根系结果做出正确管理指令,反馈给二次热用户；第四阶段,现场人员根据生产运行、安全管理、客服服务等调度指令进行现场操作,再通过现场结果汇总报至综合信息查询系统,方便后续管理。

1.2 系统运行情况

1.2.1 热源点生产运行情况

无论是单热源局部区域供热,还是多热源的联网供热,都需要将热源的生产情况传输到智慧热网调度平台,包括热源点实时的供回水温度、压力、流量、热量、补水流量等重要数据；同时还应具有热负荷预测功能,可以根据未来几天的天气预报信息,自动计算出未来几天的热量需求,并根据调度预案制定热源出口参数的运行策略,辅助于实时天气情况的修正,提前协调安排热源生产的规模和参数,保证供热管网运行稳定,根据需要调度热源生产[1]。

1.2.2 换热站运行情况

包含二次供水温度、流量调节、补水控制、换热站的安全保护等基本功能,同时还要有相关的压力、温度、电流等报警、保护功能,保证换热站安全稳定运行。

二次供水温度控制。无论是混水站还是换热器隔离站,都可以通过调控一次水的电动调节阀或分布式变频泵来控制二次供水温度,同时具备气候补偿功能,能够根据温控曲线或时间段自动调节二次供水温度,温控曲线和时间段可以根据换热站和小区不同情况设定,达到节能运行的目的。

换热站的流量调节。其可以分为定流量调节和变流量调节,一般情况下可以用定供回水温差的定流量调节方式,这种调节方式简单,可根据供热区域的不同情况,通过远程手动调节来实现。而对于实行了分户计量的供热区域,可以采用压差控制的变流量调节来实现最大的节能效果。

换热站的补水。根据供热区域情况不同,可以采用一网直补二网、二网单独补水等形式,系统失水量较少时宜采用高低差控制的启停模式,系统失水量较大时宜采用恒压补水模式。无论采取哪种补水方式都应安装补水流量表,以便及时掌握系统失水情况,方便系统查漏。

换热站的安全保护。为了保障设备和供热系统的安全运行,需要对一些危险运行情况或事故状态进行提前保护预防,主要有:回水压力低的循环泵停机保护；水箱水位低的补水泵停机保护；回水压力高的补水泵停机和放水泄压保护；一次水与循环泵的联锁保护；地下换热站的地面浸水报警和排水系统自启动保护；二次供水温度、压力高保护；系统停电时的自动保护等,所有的保护定值都应该根据每个换热站的不同情况进行设定。

1.2.3 室外温度的选取

要用好换热站的气候补偿功能,室外温度就必须保证准确、稳定。有些供热公司直接引入当地天气预报温度,因天气预报温度是当地的平均温度,有时并不代表本供热区域的实际室外温度,且延迟时间较长,所以效果不是很好。正确的选取方法应该是,在供热范围内选取5～7个代表性的点,按照标准室外温度测量方法安装,将这5～7个点的温度去掉一个最高温度,去掉一个最低温度,其余的温度取平均值下发到各换热站,换热站统一用这一个室外温度进行控制,这样可以防止因个别采集点损坏而引起的室外温度极端现象,一个供热公司都用统一的室外温度进行调整,可以对各换热站供热参数的比对提供依据,起到更好的节能效果[2]。

1.2.4 流量平衡和用户室温监测系统

供热的最终目标是使各用户家里的温度都达到标准,过高过低都需要调整,由于房屋位置朝向、楼层高低、建筑供热率等因素的制约。流量调节到户的每一个房间是精细化调节的最终目标,但是调节到户点多量大,每个用户的室温监测和调节实施起来比较困难,结合分户计量改造能够很好的解决这个问题,基本热平衡调节好后,就可以根据用户室内温度的变化,调整换热站供水温度曲线和流量,避免冷热不均和过热现象,达到合理的节能降耗效果。

用户室温监测系统可以根据各时间段的补水量分析出系统失水是用户放水还是系统的跑冒滴漏；根据站点单位面积耗热量的对比,结合供回水温度、流量的分析,可以粗略判断系统内是否存在盗热等,从而使决策者能够做出科学的判断,指导管理人员有针对性地工作。

2 智慧热网系统的技术分析

2.1 数据传感层

智慧热网监控系统技术主要是根据系统现状和概算热负荷、计算耗能量、循环水量,以及现有设备及其使用情况和用户具体要求来制定。采暖热负荷同室外温度、风向、风速、太阳辐照等主客观因素有关[3]。

智慧热网的数据传感层涵盖热源厂、供热站等生产参数、用户计量管控系统和室温采集系统,实现“热源—热网—热用户”的供热整网数据稳定传输[4],具体如图2所示。

图2 供热系统数据信息传感层

a.通过硬件的模块化设计,并根据各采集系统的个性化特点调整通信接口模块,实现信息数据的传输。

b.热网信息采集数据通过共享实现跨网域互联互通。

c.对供热网、热力站管辖下的热力入口的热力水温及水压工况进行全面控制,从而为网络调整提供管网平衡依据。

d.通过用户供热过程中各种参数采集,实现针对性的热用户按需调节。全方位调控各热网热源的供暖状态。

2.2 数据传输层

数据通信可使用专用光纤、宽带(ADSL)等公共网络来实现网络控制设备,设备采集的数据通过传输层传送到应用层进行数据分析。

2.3 数据应用层

2.3.1 应用层功能

各种运行数据实时传输到计算机处理中心,通过实时展示、统计、分析及预测研究,实现热网控制的辅助决策和调控策略预测分析研究。

远程控制热源来水温度及回水温度等,采用大数据策略对运行数据进行研讨分析,并进行设备故障及故障原因分析诊断。

热力站运行策略及设备启停远程上位机控制或自动反馈运行控制；采用大数据处理方法对各设备运行数据进行分析,并进行相应的故障诊断和偏离最佳工况的诊断。

通过户内的远程室内温度采集系统调整整个热力系统的运行工况；用户通过控制面板设定室内温度,实现热用户开启开关和按需供热。热网可通过大数据热用户室温情况来调整热力站供热参数。

2.3.2 智慧热网热源运行预测技术

在热网调控时,不同的热源形式影响热源调控,如:热电企业、热水锅炉、燃气锅炉等对热网调控后的影响不完全相同,在调控时,应保证热网的安全运行,必须对热源各种方式及管网运行情况进行研究,各热力站在不同运行热源下采用不同的控制策略。

智慧热网内置控制调控系统根据热网特性和控制参数实时调整,对热网运行参数动态采集的大数据进行实时预测分析,给出优化控制策略。

2.3.3 热力站系统优化技术分析

由于建筑结构、用户室温变化规律不同,热力站的调节方式和优化控制规律也千差万别。在室外天气温度、昼夜舒适度感受需求来控制室温目标要求情况下,利用回归优化计算法,得出以满足室内供暖温度预定为优化目标。

2.3.4 用户智能系统控制技术分析

对于设定预设室内温度较高的用户,热网调度管理人员可以远程强制调整热用户室内温度,进行管网热平衡调节。

用户在家时,可以通过智能控制面板上设定室内温度,达到用户要求的供热的室内温度。默认温度范围为智能控制面板上设定室内温度±0.5℃。

当用户外出时,可以通过智能手机APP调节室内温度,即可以远程实现预先期望的室内温度,实现最大限度的按需供热。

3 应用展望

目前石家庄市已有部分小区进行智能热网试运行,运行过程中智慧热网通过历史数据挖掘,对热源单位、小区热力站及用户安装设备的运行情况进行智能排查,并分析得出热源单位、小区热力站和用户的调控规律。采用大数据集中处理对热网的运行给出故障诊断并根据用户要求进行优化。因此智能热网根据数据处理给出适合的控制策略,指导热网系统安全运行,进而实现真正的网络化、智能化节能运行,具有非常广阔的应用推广价值[5]。

4 结束语

当前很多供热企业都由粗放式管理向精细化管理转变,利用各种方式保证供暖质量达标,尽量减少能源消耗,提升管理的科学性,最终起到提升企业经济效益的目的。在大数据时代背景下,企业管理面临的考验更为严峻。然而智慧热网的出现是企业的优化和管理模式创新,是企业发展的必然趋势,可有效提升热网管理的科学性、规范性,降低供暖经营成本。