集中供热智能改造技术路线的研究分析

李 志， 徐海鹏， 王启业， 夏 明

（杭州华电能源工程有限公司， 浙江 杭州 310030）

0 引言

我国秦岭淮河一线以北地区普遍实行冬季集中供暖政策，随着城镇化的逐步推进，分散式供暖规模逐渐减小，取而代之的是大型集中式供暖。 加之社会经济的发展，人们环保意识逐渐增强，热源的环保改造也越发显得重要起来。 这些因素推动大型供热管网的建设成为主流，随着管网规模逐渐增大，热网的调节工作也越发变的困难，要保证居民供热质量、要智能化调节供热参数、要信息化处理运行数据、要时刻保持热力处于平衡可控状态，传统的集中供热管理模式与运行控制策略已经很难适应这种要求，急需进行技术改造，提升热网系统的智能化水平。

行业内的研究人员对智能化热网开展了一系列研究，从多个角度提出了自己的思路。国海龙提出一种整合集控系统、模拟仿真软件、调节软件与一体的集成创新方案， 在一套系统内实现对城市热网的智能化管理与运行控制，提高了工作效率[1]。 王建军等[2]通过研究提出了以供暖特性系数R 作为热网调节依据， 充分考虑了建筑物和光照、风速的影响，比传统的固定温度补偿方法更精确。马晓晓等[3]则对二级热力站进行了优化设计，从热力站的合理规模、热力站的生产安装方式、设备与管道及附件的优化选型三个方面进行了论证，提出了自己的见解。

由于智能供热的推广与普及， 使得传统的热网调控方式不能很好的适应新形势下的供热需求， 因此对集中供热系统进行优化改造是很有必要的。 目前比较突出的一个问题是传统的调控策略是在热网首站和二级热力站统一调整供回水温度，而用户只能被动的接受；而集中供热管网智能化、智慧化改造后，用户可根据自身需求自主调整供暖效果， 比如城市郊区居民与城市中心居民对供热的需求不一致， 屋内常年有人居住的供暖用户与夜晚才有供暖需求的打工族用户对供热的需求不一致， 房间朝向、生活习惯、体感温度等各类因素也会造成供暖用户的需求不一致， 种种原因造成智能化集中供热管网热负荷需求波动频繁、管网各处热负荷需求呈现较大差异。 本文将通过对集中供热所涉及的各环节进行优化设计，以期实现源网联动调节、优化热网调度、实时平衡管网热力工况、迅速有效精确地满足用户的用热需求，为集中供热智能化、智慧化发展提供一种可行的技术改造路线。

1 热源侧改造技术分析

集中供热的热源主要有热电联产机组， 分散式锅炉等。 热电联产机组供热能力提升改造成熟的技术路线有高背压改造、吸收式热泵改造、新型凝抽背改造等[4]，燃煤燃气锅炉用于集中供热的方式已逐步边缘化， 一般仅作为高峰期热源补充使用，且多采用燃气锅炉。

1.1 高背压改造

汽轮机侧低压缸采用双转子互换奇数， 即采暖供热期使用动静叶片级数相对减少的低压转子， 非采暖期换回纯凝工况下配备低压转子， 采暖期凝汽器和非采暖期凝汽器背压不同。 主要优点：余热能全部利用，经济效益较好，国内应用相对较成熟。 缺点是投资较大，机组灵活性较差，以热定电运行方式导致机组调峰能力差，此外每年需要停机两次更换转子，检修维护工作量较大。

1.2 吸收式热泵改造

吸收式热泵运用低压蒸汽可以把低温热源的热量提高到中温，热泵主要优点是运行方式简单灵活，不需以热定电运行，对机组出力影响小，增加了一个热源点，对供热安全性有提升。 缺点是需新建厂房，占地面积较大，投资较大。

1.3 新型凝抽背供热改造术

新型凝抽背技术将中低压缸连通管上的液压蝶阀更换为全密封、零泄漏的，同时加装了一个冷却蒸汽旁路控制系统，整体轴系始终同频运转，还可保证低压缸长期安全运行。 主要优点是投资少，机组灵活性较好、调峰能力强；缺点是背压工况排汽压力高，对机组出力影响大。

1.4 供热锅炉改造

用于供热的燃煤锅炉一般型式有链条炉、炉排炉、煤粉炉、流化床炉等，燃烧热效率在60%～90%之间，环保问题比较突出，已逐步淘汰并限制使用。燃气锅炉采用天然气作为燃料，自动化程度高，燃烧产物污染性少，不需要处理煤灰，热效率普遍高于90%，启动快、调节能力强，目前是供热锅炉的主要型式。燃油锅炉采用燃油作为能源，优点与燃气锅炉类似，但受制于我国的能源结构，燃油锅炉运用于供热的场景不多。 电热锅炉没有炉膛、烟道，无需处理燃烧产物，噪声小、自动化程度高，制热效率可高达98%以上，但受制于能源使用政策，一般使用在弃风弃光较多的地区。

集中供热的热源主要采用热电联产机组， 采用何种技术路线对热源进行改造， 要视热负荷和电负荷的情况而定，目前城市供热管网多采用环状管网型式，可以实现多热源联网，可视热源点所处位置选择技术改造方式。目前热电联产机组主流型式是高背压机组+新型凝抽背机组，由高背压机组提供基本热负荷，高峰热负荷由新型凝抽背机组提供，调节方式灵活，可较好地适应当地的热网和电网的调度需求。部分地区因供热管网范围较大，机组供热能力不足，可增设分散式供热锅炉作为补充，一般设置燃气锅炉，可很好的解决深寒时期热负荷不足的问题，相对于新建热电联产机组， 此种方式投资少、 建设周期快、运营成本可控。

2 智能供热云平台改造技术分析

智能供热云平台到底如何建设， 相关的文献研究并不充分， 华志刚等人对智慧电厂的建设提出了数据、安全、生产、经营、综合五个方面的内容[5]，对智能热网智慧化发展提供了有益的参考。 传统的智能供热平台各系统数据分散，数据无法实现共享；管网建设的各类工程资料和运营期产生的文档信息不能实现有效管理与实时更新；各类软件工程老旧，已不能满足热力企业的精细化管理要求；平台只能监控热力站的运行数据监，尚未对热力站实现视频监控，无法做到无人值守、远程巡检的工程；系统数据未实现有效备份，数据安全性与平台安全性都不高。

综合以上种种因素， 本文提出智能供热云平台应包括监控与调度子系统、全网平衡控制子系统、热网数据统计分析子系统、设备设施运维管理子系统、收费及客户服务子系统、GIS 地理信息子系统。

2.1 监控与调度子系统

此子系统不仅可实现各热力站的温度、压力、流量等数据采集与实时传输， 还能远程实时监控换热站的现场情况，可实现监控图像的矩阵切换、轮巡、多画面处理、人员入侵报警、画面检索回放、现场设备控制和视频网络服务等功能。可远程调节各类阀门和水泵，实现管网安全稳定高效运行，实现换热站自控和无人值守。

2.2 全网平衡控制子系统

根据管网的实际拓扑结构建立热网模型，通过模型计算的软测量结果与热网实际运行参数的比较，指导运行调度，优化控制策略。主主要功能有全网仿真模型、离线模拟计算、在线模拟计算等功能。 可以很好的解决热网普遍存在的水平水力失调的问题，大大的提高了供热质量。

2.3 热网数据统计分析子系统

建立供热能耗不同指标的计算模型， 利用历史数据进行水、电、热等能耗指标的计算分析，多维度进行统计对比并进行可视化输出，可实现定比、同比、环比等综合对比。 此外能耗分析时能够综合考虑建筑特性、 室内温度、气象环境、设备及管网特性等影响因素，评价分析更为全面客观。 能够对分析出的各类异常指标信息进行报警提醒， 便于运行管理人员及时掌握情况并进行有效调节。 使用移动互联技术，支持PC、手机等常用终端设备接受权限范围内的各类运行数据和分析数据。

2.4 设备设施运维管理子系统

提供热源、热网、各级热力站所属设备、管道及附件的基本信息统计，记录检修及保养记录并可分析，对设备维修保养的工作计划提出指导性预见性的意见， 通过建立专家诊断库， 运用数据分析模型对可能发生故障的设备提前进行预警。

2.5 收费及客户服务子系统

实现经营数据信息数字化和集中化管理，包括入网管理、用户档案、收费管理、发票管理等一系列功能。 实现报修、投诉、咨询等工单闭环管理，通过对工单的统计分析，可针对性的改进客服弊端，不断优化服务，提高客户满意度。

2.6 GIS 地理信息子系统

直观显示供热系统中设备设施状态、管网走向、各类热用户地理分布等信息，可存储、管理、检索、维护和更新热网管理中各类对象的图形数据和属性数据。 系统可以与监控调度子系统、全网平衡控制子系统、热网数据统计分析子系统建立实时连接， 直观化显示热网关键信息数据，实时进行分析计算，实现热网稳定运行，辅助使用者高效管理热力设施及组织生产。

智能供热云平台的建立将极大提升实现热力企业管理的精细化、科学化、高效化水平。可以实现高效巡检和工单闭环，对突发情况能够做到迅速反应、有效应对；可以模型管网运行工况，为运行调度提供决策依据；可以为运营人员降低能耗指标指明方向；可以实现各类供热设施的信息化管理，做到有账可查、有迹可循；经营数据信息化管理，客户服务工单闭环管理，都将提升客户服务满意度；将热力参数可视化展示，提高运维人员界面交互友好度。

3 热网侧改造技术分析

本文认为要实现管网水力平衡和热力平衡， 那么就要求系统响应迅速，热网首站需要与热源实时联动，实时调节流量温度等参数； 一级管网则应尽可能的增大供回水温差，给调节留下较大的空间；二级热力站既要进行信息化改造，做到实时调控，还需要严格选择测点位置，保证上传数据的准确性，为运行策略的制定提供准确依据；二级管网连接的入户阀门数量众多， 用户调节之后会带来水力工况的改变，需采取可靠的水力平衡措施，做好各支路的水力平衡工作。可见为保证供热质量，智能热网的各个环节都需采取针对性的改造升级措施， 现将有关技术方案简单介绍如下。

3.1 大温差热泵技术

大温差热泵所使用的是传统的单效溴化锂吸收式热泵， 通过与热交换器结合来分梯次降低高温热网水的温度。 一次侧高温热网水在溴化锂吸收式热泵发生器里作为驱动热源工作后，送入热交换器降温，再送入吸收式热泵蒸发器降温，经此循环后高温热网水可降低至25℃。

一级管网如果供回水温差较小， 不仅影响管网本身输送热量的能力，还会使得水泵的能耗增加，在遇到局部地区供热需求旺盛时， 供回水温差过小还会导致管网供热能力不足，因此对于大型集中供热管网，大温差供热很有必要。

3.2 水力平衡阀

水力平衡阀一种能够自动调整管网内压力波动进而消除流量偏差的阀门， 可以将二次管网复杂的调网工作简化，有效的解决水力失调问题。 水力平衡阀有静态式、自力式、电动式，从自动化调节、经济合理的角度出发，选用自力式压差平衡阀较为合理， 自力式压差平衡阀为双瓣结构， 能稳定被控制系统压差， 控制压差可调比能到25∶1，不需外力驱动。 如果居民室内广泛采用智能温度调节装置， 则在二次管网支路装设自力式压差平衡阀很有必要。

4 结论

本文对集中供热进行智能化升级改造所遇到的问题进行了分析，针对热源、供热云平台、热网三个环节提出了相应的改造技术路线。通过上述分析可知，应尽可能采用多热源联网的型式，各热源可根据所处管网位置、机组型式、当地电力系统情况选择合适的改造技术路线，多热源组合的情况下，供热稳定性、供热质量均会明显提高；供热云平台则要打通传统的各数据服务器相互独立的情况，能够做到实时监控、无人巡检，数据智能化、智慧化处理分析，各类工单动态跟踪、闭环处理，业务台账规范化管理，客户服务质量有效提升等多方面内容；热网则需提升管网调节能力， 增大一次管网供回水温差是很有必要的，二级管网则需要做好各支路的水力平衡工作。